Religar o metabolismo central do carbono revela um trade-off entre o rendimento e a taxa de produção na síntese de ácido poli-γ-glutâmico por Bacillus subtilis

O que aconteceu

Melhorar o rendimento de carbono e o tempo de processo é um requisito fundamental para a produção industrialmente viável de biopolímeros. Durante a produção de ácido poli-gama-glutâmico com Bacillus subtilis, uma fração considerável da fonte de carbono é desviada para subprodutos. Estes se originam da acumulação de piruvato, restringindo o fluxo de carbono para a síntese de glutamato. As vias de ruptura do subproduto reduzem sua secreção, mas o desequilíbrio subjacente no nó piruvato persiste. Aqui, religamos o metabolismo central do carbono para redirecionar o fluxo glicolítico da formação de piruvato para oxaloacetato e 2-oxoglutarato em um meio melhorado. A eliminação do piruvato quinase combinada com a expressão heteróloga da fosfoenolpiruvato carboxilase estabeleceu uma via de entrada anaplerótica alternativa no ciclo da ACT. A interrupção subsequente das reações gluconeogenéticas (OF5) reduziu a formação de subprodutos em 81% e aumentou o rendimento de {gama}-PGA para 0,41 g de glicose g-1, mas reduziu a taxa de captação de glicose. Alternativamente, a interrupção do ciclo TCA a jusante do 2-oxoglutarato combinado com síntese aumentada de glutamato (OF4.2) aumentou a captação do substrato e melhorou a taxa de produção de {gama}-PGA em 39% em comparação com o tipo selvagem, enquanto os títulos de produto e subproduto permaneceram comparáveis. Ambas as estratégias revelaram assim um trade-off entre o rendimento melhorado ou a taxa de produção. A análise de fluxo metabólico 13C subsequente e o perfil de metabólitos intracelulares revelaram fenótipos distintos de roteamento de carbono. Enquanto a deformação OF5 manteve o carbono dentro do ciclo do ATC, o OF4.2 ciclou o carbono entre oxaloacetato, malato e piruvato, alterando assim os balanços redox e energético. Esses resultados destacam a necessidade de controle coordenado do fluxo de carbono, metabolismo redox e suprimento de energia para melhorar a síntese de {gama}-PGA, e identificar o nó oxaloacetato-malato-piruvato como um alvo promissor de engenharia de deformação.