High-Level Production of Cadaverine by Metabolically Engineered Corynebacterium glutamicum

Abstract

Fossil fuels such as petroleum are essential energy resources for modern society, but have a major problem of causing global warming. To replace this, bio-based production of various platform chemicals through microbial cell factories is attracting attention as a sustainable supply chain. Cadaverine is a promising precursor for biobased polyamides, which are produced in microorganisms through decarboxylation of lysine. Using glucose as the only sources of carbon in Corynebacterium glutamicum, a metabolic engineering approach for the increased production of cadaverine was established in this study. The lysine decarboxylases of Obesumbacterium proteus, Enterobacteriaceae bacterium, Salmonella enterica, Edwardsiella tarda, and Escherichia coli Nissle were explored and introduced into Corynebacterium glutamicum to compare and evaluate cadaverine production capacity. Among several LdcCs, the pCES208 plasmid-based expression of E. coli Nissle ldcC (LdcCEcN) under the strong synthetic promoter H36 produced the high level of cadaverine (about 13.8 g/L) through flask culture. This result is 21.1% higher yield than previously reported 11.4 g/L of H. alvei ldcC (LdcCHa) plasmid-based expression under promoter H36 in Corynebacterium glutamicum. Batch and fed-batch fermentation of P-2EcN (Corynebacterium glutamicum harboring pCES208H36LdcCEcN), which had a high yield, increased the synthesis of cadaverine and produced 35 g/L and 99.3 g/L, respectively. This is a 23% higher result than the previously reported batch (28.4 g/L) fermentation result of Corynebacterium glutamicum H36HaLDC and a 6% improved cadaverine production result than the fed-batch (93.7 g/L) fermentation result of Corynebacterium glutamicum H30HaLDC (Kim et al., 2019). In this study, cadaverine production was improved through plasmid-based expression of lysine decarboxylase (LDC) using glucose as a feedstock in recombinant C. glutamicum PKC. This will enable industrial-scale production and replace chemical-based materials through optimization of culture conditions and development of additional strains of C. glutamicum in future studies.;석유와 같은 화석연료는 현대사회에 필수적인 에너지 자원이지만 지구 온난화를 유발하는 큰 문제점을 가지고 있다. 이를 대체하기 위해 미생물 세포 공장을 통한 다양한 플랫폼 화학물질의 바이오 기반 생산이 지속 가능한 공급망으로써 주목받고 있다. 카다베린은 바이오기반 폴리아미드의 유망한 전구체로 미생물 내에서 lysine decarboxylase(LDC)의 효소 반응을 통해 L-lysine에서 생산된다. 본 연구에서는 Corynebacterium glutamicum에서 글루코스를 유일한 탄소원으로 사용하여 카다베린의 고생산을 위해 대사 공학적 전략을 수립하였다. Obesumbacterium proteus, Enterobacteriaceae bacterium, Salmonella enterica, Edwardsiella tarda, Escherichia coli Nissle의 lysine decarboxylase들을 선별하였고, Corynebacterium glutamicum에 도입하여 카다베린의 생산 능력을 비교 및 평가하였다. 여러 LDC 중에서, 강한 합성 프로모터인 H36하에 pCES208 플라스미드 기반으로 발현된 E. coli Nissle의 ldcC (LdcCEcN)가 플라스크 배양을 통해 가장 많은 양의 카다베린 (약 13.8 g/L)을 생산하였다. 이 결과는 이전에 보고된 Corynebacterium glutamicum에서 프로모터 H36하에 H. alvei ldcC (LdcCHa) 플라스미드 기반 발현 결과인 11.4 g/L보다 21% 높은 생산량이다. 카다베린의 생산을 증대시키기 위해 높은 생산량을 이룬 P-2EcN (pCES208H36 LdcCEcN 플라스미드가 도입된 C. glutamicum PKC)을 batch, fed-batch fermentation을 시행하자 각각 약 35 g/L, 99.3 g/L의 카다베린 생산을 이루었다. 이는 이전에 보고된 C. glutamicum H36HaLDC (pCES208H36HaLDC 플라스미드가 도입된 C. glutamicum PKC)의 batch (28.4 g/L) 결과 보다 23% 높은 결과이며 C. glutamicum H30HaLDC (pCES208H30HaLDC 플라스미드가 도입된 C. glutamicum PKC)의 fed-batch (93.7 g/L) 결과보다 6% 향상된 카다베린 생산 결과이다. 본 연구는 재조합 C. glutamicum PKC에서 글루코스를 기질로 lysine decarboxylase (LDC)의 플라스미드 기반 발현을 통해 카다베린 생산량을 향상시켰다. 이는 추후 배양 조건의 최적화와 C. glutamicum의 추가적인 균주 개발을 통해 산업적 규모의 생산을 가능하게 하고 화학 기반 물질을 대체할 수 있을 것이다.