TY - JOUR A1 - de la Cruz, Jorge Gonzalez A1 - Machens, Fabian A1 - Messerschmidt, Katrin A1 - Bar-Even, Arren T1 - Core Catalysis of the Reductive Glycine Pathway Demonstrated in Yeast JF - ACS synthetic biology N2 - One-carbon (C1) compounds are attractive microbial feedstocks as they can be efficiently produced from widely available resources. Formate, in particular, represents a promising growth substrate, as it can be generated from electrochemical reduction of CO2 and fed to microorganisms in a soluble form. We previously identified the synthetic reductive glycine pathway as the most efficient route for aerobic growth on formate. We further demonstrated pathway activity in Escherichia coli after expression of both native and foreign genes. Here, we explore whether the reductive glycine pathway could be established in a model microorganism using only native enzymes. We used the yeast Saccharomyces cerevisiae as host and show that overexpression of only endogenous enzymes enables glycine biosynthesis from formate and CO2 in a strain that is otherwise auxotrophic for glycine. We find the pathway to be highly active in this host, where 0.125 mM formate is sufficient to support growth. Notably, the formate-dependent growth rate of the engineered S. cerevisiae strain remained roughly constant over a very wide range of formate concentrations, 1-500 mM, indicating both high affinity for formate use and high tolerance toward elevated concentration of this C1 feedstock. Our results, as well the availability of endogenous NAD-dependent formate dehydrogenase, indicate that yeast might be an especially suitable host for engineering growth on formate. KW - metabolic engineering KW - synthetic biology KW - one-carbon metabolism KW - carbon labeling KW - tetrahydrofolate KW - glycine cleavage system Y1 - 2019 U6 - https://doi.org/10.1021/acssynbio.8b00464 SN - 2161-5063 VL - 8 IS - 5 SP - 911 EP - 917 PB - American Chemical Society CY - Washington ER - TY - THES A1 - Wenk, Sebastian T1 - Engineering formatotrophic growth in Escherichia coli N2 - To meet the demands of a growing world population while reducing carbon dioxide (CO2) emissions, it is necessary to capture CO2 and convert it into value-added compounds. In recent years, metabolic engineering of microbes has gained strong momentum as a strategy for the production of valuable chemicals. As common microbial feedstocks like glucose directly compete with human consumption, the one carbon (C1) compound formate was suggested as an alternative feedstock. Formate can be easily produced by various means including electrochemical reduction of CO2 and could serve as a feedstock for microbial production, hence presenting a novel entry point for CO2 to the biosphere and a storage option for excess electricity. Compared to the gaseous molecule CO2, formate is a highly soluble compound that can be easily handled and stored. It can serve as a carbon and energy source for natural formatotrophs, but these microbes are difficult to cultivate and engineer. In this work, I present the results of several projects that aim to establish efficient formatotrophic growth of E. coli – which cannot naturally grow on formate – via synthetic formate assimilation pathways. In the first study, I establish a workflow for growth-coupled metabolic engineering of E. coli. I demonstrate this approach by presenting an engineering scheme for the PFL-threonine cycle, a synthetic pathway for anaerobic formate assimilation in E. coli. The described methods are intended to create a standardized toolbox for engineers that aim to establish novel metabolic routes in E. coli and related organisms. The second chapter presents a study on the catalytic efficiency of C1-oxidizing enzymes in vivo. As formatotrophic growth requires generation of both energy and biomass from formate, the engineered E. coli strains need to be equipped with a highly efficient formate dehydrogenase, which provides reduction equivalents and ATP for formate assimilation. I engineered a strain that cannot generate reducing power and energy for cellular growth, when fed on acetate. Under this condition, the strain depends on the introduction of an enzymatic system for NADH regeneration, which could further produce ATP via oxidative phosphorylation. I show that the strain presents a valuable testing platform for C1-oxidizing enzymes by testing different NAD-dependent formate and methanol dehydrogenases in the energy auxotroph strain. Using this platform, several candidate enzymes with high in vivo activity, were identified and characterized as potential energy-generating systems for synthetic formatotrophic or methylotrophic growth in E. coli.   In the third chapter, I present the establishment of the serine threonine cycle (STC) – a synthetic formate assimilation pathway – in E. coli. In this pathway, formate is assimilated via formate tetrahydrofolate ligase (FtfL) from Methylobacterium extorquens (M. extorquens). The carbon from formate is attached to glycine to produce serine, which is converted into pyruvate entering central metabolism. Via the natural threonine synthesis and cleavage route, glycine is regenerated and acetyl-CoA is produced as the pathway product. I engineered several selection strains that depend on different STC modules for growth and determined key enzymes that enable high flux through threonine synthesis and cleavage. I could show that expression of an auxiliary formate dehydrogenase was required to achieve growth via threonine synthesis and cleavage on pyruvate. By overexpressing most of the pathway enzymes from the genome, and applying adaptive laboratory evolution, growth on glycine and formate was achieved, indicating the activity of the complete cycle. The fourth chapter shows the establishment of the reductive glycine pathway (rGP) – a short, linear formate assimilation route – in E. coli. As in the STC, formate is assimilated via M. extorquens FtfL. The C1 from formate is condensed with CO2 via the reverse reaction of the glycine cleavage system to produce glycine. Another carbon from formate is attached to glycine to form serine, which is assimilated into central metabolism via pyruvate. The engineered E. coli strain, expressing most of the pathway genes from the genome, can grow via the rGP with formate or methanol as a sole carbon and energy source. N2 - Um den steigenden Bedarf einer wachsenden Weltbevölkerung zu decken und gleichzeitig die CO2-Emissionen zu reduzieren, ist es notwendig, CO2 aufzufangen und zu recyceln. Durch gentechnische Veränderungen von Mikroorganismen ist es möglich diese zur Produktion wertvoller organischer Verbindungen zu nutzen. Da mikrobielle Kulturen primär mit Glucose gefüttert werden und somit mit menschlicher Nahrungsversorgung konkurrieren, wurde die C1-Verbindung Formiat als alternativer bakterieller Nährstoff vorgeschlagen.. Formiat kann durch unterschiedliche Verfahren hergestellt werden, unter anderem durch elektrochemische Reduktion von CO2. Dieses Verfahren ermöglicht das Recycling von CO2 und weiterhin eine Speichermöglichkeit für überschüssige Elektrizität. Formiat ist im Vergleich zum gasförmigen CO2 gut wasserlöslich, was den Transport und die Verwendung als mikrobiellen Nährstoff erleichtert. Natürlich vorkommende formatotrophe Mikroorganismen nutzen Formiat als Kohlenstoff- und Energiequelle. Diese lassen sich allerdings meist schwierig kultivieren und genetisch verändern. In dieser Arbeit stelle ich die Ergebnisse verschiedener Projekte vor, die gemeinsam darauf abzielen, effizientes formatotrophes Wachstum von E. coli – welches natürlicherweise nicht auf Formiat wachsen kann – mittels synthetischer Formiat-Assimilierungswege zu ermöglichen. In der ersten Studie stelle ich eine Strategie für wachstumsgekoppeltes Stoffwechsel-Engineering in E. coli vor. Ich erläutere diese Strategie anhand eines Beispiels, der schrittweisen Etablierung eines synthetischen Formiat- Assimilierungswegs, des PFL-Threonin-Zyklus. Die in diesem Kapitel beschriebenen Methoden sollen einen Leitfaden für Ingenieure bereitstellen, die neue Stoffwechselwege in E. coli und verwandten Organismen etablieren wollen. Im zweiten Kapitel stelle ich eine Studie über die katalytische Effizienz von C1-oxidierenden Enzymen vor. Da formatotrophes Wachstum sowohl die Erzeugung von Energie als auch von Biomasse aus Formiat erfordert, müssen synthetisch formatotrophe E. coli Stämme mit einer hocheffizienten Formiat-Dehydrogenase ausgestattet werden, welche Reduktionsäquivalente und ATP für die Assimilierung von Formiat liefert. Um die Effizienz verschiedener Enzyme testen und vergleichen zu können, entwickelte ich einen E. coli Stamm, der aus Acetat weder Reduktionsäquivalente noch Energie für das Zellwachstum erzeugen kann. Dieser „energie-auxotrophe“ Stamm benötigt eines zusätzlichen enzymatischen Systems zur NADH-Regenerierung, um auf Acetat wachsen zu können. Ich testete verschiedene NAD-abhängige Formiat- und Methanol-Dehydrogenasen in diesem Stamm und konnte zeigen, dass Wachstum auf Acetat durch Zugabe von Formiat oder Methanol ermöglicht wurde. Dies zeigt, dass der Stamm eine zuverlässige Testplattform für C1-oxidierende Enzyme darstellt. Unter Verwendung dieser Plattform wurden mehrere Kandidatenenzyme mit hoher in vivo-Aktivität identifiziert und als Kandidatenenzyme für synthetisches formatotrophes oder methylotrophes Wachstum in E. coli charakterisiert.   Im dritten Kapitel stelle ich die Etablierung des Serin-Threonin-Zyklus (STZ) – eines synthetischen Formiat-Assimilationswegs – in E. coli vor. In diesem Stoffwechselweg wird Formiat über die Formiat-Tetrahydrofolat-Ligase (FtfL) aus Methylobacterium extorquens (M. extorquens) assimiliert. Der Kohlenstoff aus Formiat wird an Glycin gebunden, um Serin zu produzieren, welches im nächsten Schritt in Pyruvat umgewandelt wird und so in den zentralen Kohlenstoffmetabolismus gelangt. Über den natürlichen Threonin-Synthese- und Spaltweg wird Glycin regeneriert und Acetyl-CoA als Produkt des Stoffwechselwegs generiert. Ich entwickelte mehrere E. coli Selektionsstämme, deren Wachstum von verschiedenen STZ-Modulen abhängt, und konnte Schlüsselenzyme bestimmen, die einen hohen Reaktionsfluss durch die Threonin-Synthese und -Spaltung ermöglichen. Ich konnte zeigen, dass die Expression einer Formiat-Dehydrogenase erforderlich ist, um Wachstum auf Pyruvat über Threonin zu erreichen. Durch Integration und Überexpression der meisten Enzyme des STZ auf Genomebene und Anwendung adaptiver Laborevolution wurde Wachstum auf Glycin und Formiat erreicht, was bedeutet, dass der gesamte Serin-Threonin-Zyklus in E. coli aktiv ist. Das vierte Kapitel zeigt die Etablierung des reduktiven Glycinwegs (rGW) – eines kurzen, linearen Formiat-Assimilierungswegs – in E. coli. Wie im STZ wird Formiat über M. extorquens FtfL assimiliert. Dabei wird das Kohlenstoffatom aus Formiat mit CO2 über die umgekehrte Reaktion des Glycin-Spaltungssystems zu Glycin kondensiert. Ein weiteres Kohlenstoffatom aus Formiat wird an Glycin gebunden, um Serin zu bilden, welches über Pyruvat in den Zentralstoffwechsel gelangt. Durch Expression der rGW Enzyme auf Genomebene und adaptive Laborevolution wurde ein E. coli Stamm erzeugt welcher über den rGW auf Formiat oder Methanol als einziger Kohlenstoff- und Energiequelle wachsen kann. KW - metabolic engineering KW - E. coli KW - formate assimilation KW - methanol assimilation KW - energy metabolism Y1 - 2020 ER - TY - JOUR A1 - He, Hai A1 - Edlich-Muth, Christian A1 - Lindner, Steffen N. A1 - Bar-Even, Arren T1 - Ribulose Monophosphate Shunt Provides Nearly All Biomass and Energy Required for Growth of E. coli JF - ACS Synthetic Biology N2 - The ribulose monophosphate (RuMP) cycle is a highly efficient route for the assimilation of reduced one-carbon compounds. Despite considerable research, the RuMP cycle has not been fully implemented in model biotechnological organisms such as Escherichia coli, mainly since the heterologous establishment of the pathway requires addressing multiple challenges: sufficient formaldehyde production, efficient formaldehyde assimilation, and sufficient regeneration of the formaldehyde acceptor, ribulose 5-phosphate. Here, by efficiently producing formaldehyde from sarcosine oxidation and ribulose 5-phosphate from exogenous xylose, we set aside two of these concerns, allowing us to focus on the particular challenge of establishing efficient formaldehyde assimilation via the RuMP shunt, the linear variant of the RuMP cycle. We have generated deletion strains whose growth depends, to different extents, on the activity of the RuMP shunt, thus incrementally increasing the selection pressure for the activity of the synthetic pathway. Our final strain depends on the activity of the RuMP shunt for providing the cell with almost all biomass and energy needs, presenting an absolute coupling between growth and activity of key RuMP cycle components. This study shows the value of a stepwise problem solving approach when establishing a difficult but promising pathway, and is a strong basis for future engineering, selection, and evolution of model organisms for growth via the RuMP cycle. KW - ribulose monophosphate cycle KW - methylotrophy KW - metabolic engineering KW - growth selection KW - carbon labeling KW - flux modeling KW - formaldehyde assimilation Y1 - 2018 U6 - https://doi.org/10.1021/acssynbio.8b00093 SN - 2161-5063 VL - 7 IS - 6 SP - 1601 EP - 1611 PB - ACS CY - Washington, DC ER - TY - THES A1 - He, Hai T1 - Exploring and engineering formaldehyde assimilation N2 - Increasing concerns regarding the environmental impact of our chemical production have shifted attention towards possibilities for sustainable biotechnology. One-carbon (C1) compounds, including methane, methanol, formate and CO, are promising feedstocks for future bioindustry. CO2 is another interesting feedstock, as it can also be transformed using renewable energy to other C1 feedstocks for use. While formaldehyde is not suitable as a feedstock due to its high toxicity, it is a central intermediate in the process of C1 assimilation. This thesis explores formaldehyde metabolism and aims to engineer formaldehyde assimilation in the model organism Escherichia coli for the future C1-based bioindustry. The first chapter of the thesis aims to establish growth of E. coli on formaldehyde via the most efficient naturally occurring route, the ribulose monophosphate pathway. Linear variants of the pathway were constructed in multiple-gene knockouts strains, coupling E. coli growth to the activities of the key enzymes of the pathway. Formaldehyde-dependent growth was achieved in rationally designed strains. In the final strain, the synthetic pathway provides the cell with almost all biomass and energy requirements. In the second chapter, taking advantage of the unique feature of its reactivity, formaldehyde assimilation via condensation with glycine and pyruvate by two promiscuous aldolases was explored. Facilitated by these two reactions, the newly designed homoserine cycle is expected to support higher yields of a wide array of products than its counterparts. By dividing the pathway into segments and coupling them to the growth of dedicated strains, all pathway reactions were demonstrated to be sufficiently active. The work paves a way for future implementation of a highly efficient route for C1 feedstocks into commodity chemicals. In the third chapter, the in vivo rate of the spontaneous formaldehyde tetrahydrofolate condensation to methylene-tetrahydrofolate was assessed in order to evaluate its applicability as a biotechnological process. Tested within an E. coli strain deleted in essential genes for native methylene-tetrahydrofolate biosynthesis, the reaction was shown to support the production of this essential intermediate. However, only low growth rates were observed and only at high formaldehyde concentrations. Computational analysis dependent on in vivo evidence from this strain deduced the slow rate of this spontaneous reaction, thus ruling out its substantial contribution to growth on C1 feedstocks. The reactivity of formaldehyde makes it highly toxic. In the last chapter, the formation of thioproline, the condensation product of cysteine and formaldehyde, was confirmed to contribute this toxicity effect. Xaa-Pro aminopeptidase (PepP), which genetically links with folate metabolism, was shown to hydrolyze thioproline-containing peptides. Deleting pepP increased strain sensitivity to formaldehyde, pointing towards the toxicity of thioproline-containing peptides and the importance of their removal. The characterization in this study could be useful in handling this toxic intermediate. Overall, this thesis identified challenges related to formaldehyde metabolism and provided novel solutions towards a future bioindustry based on sustainable C1 feedstocks in which formaldehyde serves as a key intermediate. N2 - Die zunehmende Besorgnis über die Auswirkungen der chemischen Produktion auf die Umwelt hat den Fokus auf die Vorzüge der nachhaltigen Biotechnologie gelenkt. Ein-Kohlenstoff-Verbindungen (C1), wie Methan, Methanol, Formiat und CO, sind vielversprechende Ausgangsstoffe für eine künftige biobasierte Industrie. Darüber hinaus ist CO2 ein weiterer interessanter Rohstoff, da es ebenfalls mit erneuerbarer Energie in andere C1-Verbindungen umgewandelt werden kann. Formaldehyd ist zwar aufgrund seiner Toxizität und Reaktivität nicht als Kohlestoffquelle geeignet, stellt aber ein zentrales Intermediat der C1-Assimilation dar. In dieser Arbeit wurde der Formaldehyd-Stoffwechsel untersucht, um Formaldehyd-Assimilations-Wege im Modellorganismus Escherichia coli für die zukünftige C1-basierte Bioindustrie zu entwickeln. Das erste Kapitel dieser Arbeit zielt darauf ab, das Wachstum von E. coli auf Formaldehyd über den energetisch effizientesten natürlich vorkommenden Weg, den Ribulose-Monophosphat-Weg (RuMP-Weg), zu etablieren. Durch Gendeletionen wurden lineare Varianten des RuMPWeges in E. coli Stämmen konstruiert, um das Wachstum mit der Aktivität der Schlüsselenzyme der Formaldehyd-Assimiliation zu verbinden. So konnte auf Formaldehydabhängiges Wachstum in diesen Stämmen getestet werden. Im finalen Stamm wurde nahezu die gesamte Biomasse und der Energiebedarf der E. coli Zellen über den RuMP-Weg bereitgestellt. Im zweiten Kapitel wurde unter Ausnutzung der einzigartigen Reaktivität des Formaldehyds die Aktivitäten zweier promiskuitiver Aldolasen für die Kondensation von Formaldehyd mit Glycin oder Pyruvat in vivo untersucht. Diese beiden Reaktionen dienen als Schlüsselreaktionen des neu gestalteten Homoserin-Zyklus, der verglichen mit anderen bekannten Assimilierungswegen höhere Ausbeuten einer breiten Palette von Produkten ermöglichen kann. Durch die Unterteilung des Stoffwechselweges in Segmente und deren Selektion in auxotrophen E. coli Stämmen wurde gezeigt, dass alle Reaktionen des Pfades ausreichend aktiv sind. Diese Arbeit ebnet den Weg für die zukünftige Nutzung des Homoserin-Zyklus als hocheffiziente Route für die Umwandlung von C1-Rohstoffen in grundlegende Chemikalien. Im dritten Kapitel wurde die in vivo-Rate der spontanen Kondensation von Formaldehyd mit Tetrahydrofolat zu Methylen-Tetrahydrofolat untersucht, um ihr Potential als Formaldehyd Assimilierungs-Reaktion in einem biotechnologischen Prozess zu bewerten. Die Reaktion wurde in einem E. coli-Stamm getestet, in welchem essentielle Gene für die native Methylen-Tetrahydrofolat-Biosynthese entfernt wurden. Es konnte gezeigt werden, dass die spontane Reaktion die Produktion dieses wesentlichen Zwischenprodukts ermöglicht. Die erreichten Wachstumsraten waren jedoch gering und nur bei hohen Formaldehydkonzentrationen zu beobachten. Eine Computer-gestützte Analyse basierend auf in vivo-Erkenntnissen über diesen Stamm ergab eine langsame Reaktionsgeschwindigkeit dieser spontanen Reaktion und schloss somit ihren wesentlichen Beitrag zum Wachstum auf C1-Einsatzmaterial aus. Seine Reaktivität macht Formaldehyd hochtoxisch. Im letzten Kapitel wurde bestätigt, dass die Bildung von Thioprolin, dem Kondensationsprodukt von Cystein und Formaldehyd, zu dieser Toxizitätswirkung beiträgt. Es wurde gezeigt, dass die Xaa-Pro-Aminopeptidase (PepP), die genetisch mit dem Folat-Stoffwechsel verbunden ist, thioprolinhaltige Peptide hydrolysiert. Die Deletion von PepP erhöhte die Empfindlichkeit des Stammes gegenüber Formaldehyd, was auf die Toxizität der Thioprolin-haltigen Peptide und die Bedeutung ihrer Entfernung hinweist. Diese Studie kann für den Umgang mit der Toxizität von Formaldehyd nützlich sein. Insgesamt identifizierte diese Arbeit Herausforderungen im Zusammenhang mit dem Formaldehyd-Stoffwechsel und lieferte neue Lösungen für eine C1-basierte Bioindustrie, in der Formaldehyd als wichtiges Zwischenprodukt dient. T2 - Erforschung und Entwicklung der Formaldehyd-Assimilierung KW - formaldehyde assimilation KW - ribulose monophosphate pathway KW - metabolic engineering KW - serine cycle KW - auxotrophy KW - methylotrophy KW - Auxotrophie KW - Serin-Zyklus KW - Ribulose-Monophosphat-Weg KW - Methylotrophie KW - metabolisches Engineering KW - Formaldehyd-Assimilierung Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-473867 ER -