Diverse genetic error modes constrain large-scale bio-based production.
Diverse genetic error modes constrain large-scale bio-based production.
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DOI：
10.1038/s41467-018-03232-w
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发表时间：
2018-02-20
影响因子：
16.6
通讯作者：
Sommer MOA
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Rugbjerg P;Myling-Petersen N;Porse A;Sarup-Lytzen K;Sommer MOA
向可持续的生物化学生产过渡对绿色增长非常重要。然而，随着大规模微生物发酵的进行，生产率和产量经常下降，这通常归因于表型变化。然而，考虑到高代谢负担和毒性，进化过程可能也会限制基于生物的生产。我们在实验上模拟了大规模发酵生产甲伐他酸的大肠杆菌。通过跟踪增长率和产量，我们揭示了在70代人中，人口是如何完全牺牲产量来获得健康的。使用超深(>；1000倍)路径群体的时间推移测序，我们识别了多种反复出现的路径内遗传错误模式。这种遗传异质性只能通过深度测序和新的种群水平生物信息学来检测，这表明这个问题被低估了。一个定量模型解释了基于自发突变细胞丰富的种群动态。我们通过调整生产宿主的生产负荷和逃逸率来验证我们的模型，并应用多个正交策略来延缓遗传驱动的产量下降。放大生物反应器培养性能的下降通常归因于表型和物理异质性。在这里，作者揭示了多个反复出现的路径内错误模式，这些模式限制了工程大肠杆菌甲伐他酸的生产，随着时间的推移和工业规模的发酵。
A transition toward sustainable bio-based chemical production is important for green growth. However, productivity and yield frequently decrease as large-scale microbial fermentation progresses, commonly ascribed to phenotypic variation. Yet, given the high metabolic burden and toxicities, evolutionary processes may also constrain bio-based production. We experimentally simulate large-scale fermentation with mevalonic acid-producing Escherichia coli. By tracking growth rate and production, we uncover how populations fully sacrifice production to gain fitness within 70 generations. Using ultra-deep (>1000×) time-lapse sequencing of the pathway populations, we identify multiple recurring intra-pathway genetic error modes. This genetic heterogeneity is only detected using deep-sequencing and new population-level bioinformatics, suggesting that the problem is underestimated. A quantitative model explains the population dynamics based on enrichment of spontaneous mutant cells. We validate our model by tuning production load and escape rate of the production host and apply multiple orthogonal strategies for postponing genetically driven production declines. The declining performance of scale-up bioreactor cultures is commonly attributed to phenotypic and physical heterogeneities. Here, the authors reveal multiple recurring intra-pathway error modes that limit engineered E. coli mevalonic acid production over time- and industrial-scale fermentations.
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