Establishing 3-hydroxypropionic acid production in Bacillus methanolicus MGA3 by heterologous expression of malonyl coenzyme A reductase and malonic semialdehyde reductase

Abstract

3-Hydroxypropionsyre regnes å være en av de mest sentrale biobaserte kjemikaliene som kan produseres fra fornybare karbohydrater. Syren brukes som en forløper for flere ulike kjemiske forbindelser i produksjon av forbruksvarer. Det er nødvendig å etablere en ny metode for å produsere 3-hydroxypropionsyre siden kjemisk syntese bruker potensielle giftige katalysatorer som kan være skadelig for mennesker. Bacillus methanolicus MGA3 er en termotolerant metylotrof som produserer malonyl-CoA naturlig fra metanol. Genene som er involvert i prosesseringen av metanol i Bacillus methanolicus MGA3 har en høy omgjøringsrate. Dette studiet har vist at Bacillus methanolicus MGA3 tåler å være i miljøer med 3-hydroxypropionsyre og at den mikrobielle organismen ikke kan degradere forbindelsen. Det er nødvendig at en produksjonsvert av 3-hydroxypropionsyre har malonyl coenzym A reduktase (MCR) (og malonat semialdehyd reduktase (MSR)) for å produsere 3-hydroxypropionsyre fra malonyl-CoA. I dette studiet har det blitt satt sammen rekombinante stammer av Bacillus methanolicus MGA3 som uttrykker malonyl coenzym A reduktase (MCR) og malonat semialdehyd reduktase (MSR), med enzym aktivitet opp til 0.57 U mg-1. Flere gener kan bli introdusert for å optimalisere produksjonen av 3-hydroxypropionsyre. Slike gener kontrollerer aktiviteten av enzymer som bidrar til å forbedre katalytisk aktivitet og utkonkurrerer sideliggende synteseveier. Membran løselig transhydrogenase (SthA) regulerer NADPH som brukes når malonyl-CoA reduseres til 3-hydroxypropionsyre. Rekombinante stammer av Bacillus methanolicus MGA3 har blitt satt sammen med membran løselig transhydrogenase (SthA). Dette ble gjort med bakgrunn i å evaluere muligheten for utbedret produksjon av 3-hydroxypropionsyre i Bacillus methanolicus MGA3.

3-Hydroxypropionic acid is considered among the top ten biobased chemicals with opportunities from renewable carbohydrates. It is currently used as a precursor for multiple chemical compounds to produce consumer goods. It is necessary to establish a new method of 3-hydroxypropionic acid production as the chemical synthesis of the compound use potentially toxic catalyzers which follow harsh production conditions. Bacillus methanolicus MGA3, a thermotolerant methylotroph, has a natural pathway for producing the precursor malonyl-CoA from methanol. The genes involved in methanol conversion in Bacillus methanolicus MGA3 has a high methanol conversion rate. This study ascertained that Bacillus methanolicus MGA3 was tolerant toward 3-hydroxypropionic acid and possessed no degradation pathways for the compound. A production host of 3-hydroxypropionic acid is dependent on malonyl coenzyme A reductase (MCR) (and malonic semialdehyde reductase (MSR)) for being capable of 3-hydroxypropionic acid production from malonyl-CoA. Recombinant strains of Bacillus methanolicus MGA3 expressing malonyl coenzyme A reductase (MCR) and malonic semialdehyde reductase (MSR) were created, and catalytic activity up to 0.57 U mg-1 protein was observed. The introduction of additional genetic expressions is conducted to optimize the inherent catalytic activity and outcompete competing pathways. The reduction of malonyl-CoA to 3-hydroxypropionic acid uses NADPH as a cofactor which cytoplasmic soluble transhydrogenase (SthA) regulates. Recombinant strains introduced with cytoplasmic soluble transhydrogenase (SthA) activities were also assembled to evaluate the plausibility of optimized production of 3-hydoxypropionic acid in Bacillus methanolicus MGA3. This work has shown the potential of 3-hydroxypropionic acid production in Bacillus methanolicus MGA3.