Liliana Calzadiaz Ramirez

• NADPH is an essential cofactor that drives biosynthetic reactions in all living organisms. It is a reducing agent and thus electron donor of anabolic reactions that produce major cellular components as well as many products in biotechnology. Indeed, the engineering of metabolic pathways for the production of many products is often limited by the availability of NADPH. One common strategy to address this issue is to swap cofactor specificity from NADH to NADPH of enzymes. However, this process is time consuming and challenging because multiple parameters need to be engineered in parallel. Therefore, the first aim of this project is to establish an efficient metabolic biosensor to select enzymes that can reduce NADP+. An NADPH auxotroph strain was constructed by deleting major reactions involved in NADPH biosynthesis in E. coli’s central carbon metabolism with the exception of 6-phosphogluconate dehydrogenase. To validate this strain, two enzymes were tested in the presence of several carbon sources: a dihydrolipoamide dehydrogenaseNADPH is an essential cofactor that drives biosynthetic reactions in all living organisms. It is a reducing agent and thus electron donor of anabolic reactions that produce major cellular components as well as many products in biotechnology. Indeed, the engineering of metabolic pathways for the production of many products is often limited by the availability of NADPH. One common strategy to address this issue is to swap cofactor specificity from NADH to NADPH of enzymes. However, this process is time consuming and challenging because multiple parameters need to be engineered in parallel. Therefore, the first aim of this project is to establish an efficient metabolic biosensor to select enzymes that can reduce NADP+. An NADPH auxotroph strain was constructed by deleting major reactions involved in NADPH biosynthesis in E. coli’s central carbon metabolism with the exception of 6-phosphogluconate dehydrogenase. To validate this strain, two enzymes were tested in the presence of several carbon sources: a dihydrolipoamide dehydrogenase variant of E. coli harboring seven mutations and a formate dehydrogenase (FDH) from Mycobacterium vaccae N10 harboring four mutations were found to support NADPH biosynthesis and growth. The strain was subjected to adaptive laboratory evolution with the goal of testing its robustness under different carbon sources. Our evolution experiment resulted in the random mutagenesis of the malic enzyme (maeA), enabling it to produce NADPH. The additional deletion of maeA rendered a more robust second-generation biosensor strain for NADP+ reduction. We devised a structure-guided directed evolution approach to change cofactor specificity in Pseudomonas sp. 101 FDH. To this end, a library of >106 variants was tested using in vivo selection. Compared to the best engineered enzymes reported, our best variant carrying five mutations shows 5-fold higher catalytic efficiency and 13-fold higher specificity towards NADP+, as well as 2-fold higher affinity towards formate. In conclusion, we demonstrate the potential of in vivo selection and evolution-guided approaches to develop better NADPH biosensors and to engineer cofactor specificity by the simultaneous improvement of multiple parameters (kinetic efficiency with NADP+, specificity towards NADP+, and affinity towards formate), which is a major challenge in protein engineering due to the existence of tradeoffs and epistasis.…
• NADPH ist ein essentieller Kofaktor, der biosynthetische Reaktionen in allen lebenden Organismen antreibt. Es ist ein Reduktionsmittel und damit Elektronenspender für anabole Reaktionen, die wichtige Zellkomponenten sowie viele Produkte in der Biotechnologie erzeugen. In der Tat ist das Engineering von Stoffwechselwegen in Mikroben für die Herstellung vieler Produkte oft durch die Verfügbarkeit von NADPH begrenzt. Eine gängige Strategie zur Lösung dieses Problems ist der Austausch der Kofaktor-Spezifität von NADH gegen NADPH in Enzymen von Stoffwechselwegen, da der erstgenannte Kofaktor reichlicher vorhanden ist als der letztere. Dieser Prozess ist jedoch zeitaufwendig und schwierig, da mehrere Parameter parallel entwickelt werden müssen. Daher ist das erste Ziel dieses Projekts die Etablierung eines effizienten metabolischen Biosensors zur Auswahl von Enzymen, die NADP+ reduzieren können. Ein auxotropher NADPH-Stamm wurde durch die Entfernung der wichtigsten Reaktionen, die an der NADPH-Biosynthese im zentralenNADPH ist ein essentieller Kofaktor, der biosynthetische Reaktionen in allen lebenden Organismen antreibt. Es ist ein Reduktionsmittel und damit Elektronenspender für anabole Reaktionen, die wichtige Zellkomponenten sowie viele Produkte in der Biotechnologie erzeugen. In der Tat ist das Engineering von Stoffwechselwegen in Mikroben für die Herstellung vieler Produkte oft durch die Verfügbarkeit von NADPH begrenzt. Eine gängige Strategie zur Lösung dieses Problems ist der Austausch der Kofaktor-Spezifität von NADH gegen NADPH in Enzymen von Stoffwechselwegen, da der erstgenannte Kofaktor reichlicher vorhanden ist als der letztere. Dieser Prozess ist jedoch zeitaufwendig und schwierig, da mehrere Parameter parallel entwickelt werden müssen. Daher ist das erste Ziel dieses Projekts die Etablierung eines effizienten metabolischen Biosensors zur Auswahl von Enzymen, die NADP+ reduzieren können. Ein auxotropher NADPH-Stamm wurde durch die Entfernung der wichtigsten Reaktionen, die an der NADPH-Biosynthese im zentralen Kohlenstoffmetabolismus von E. coli beteiligt sind, mit Ausnahme der 6-Phosphogluconat-Dehydrogenase, konstruiert. Um diesen Stamm zu validieren, wurden zwei Enzyme in Gegenwart mehrerer Kohlenstoffquellen getestet: eine Dihydrolipoamid-Dehydrogenase-Variante von E. coli mit sieben Mutationen und Formiat-Dehydrogenase (FDH) aus Mycobacterium vaccae N10 mit vier Mutationen wurden gefunden, die die NADPH-Biosynthese und das Wachstum unterstützen. Der Stamm wurde dann einer adaptiven Laborentwicklung unterzogen mit dem Ziel, seine Robustheit unter verschiedenen Kohlenstoffquellen zu testen. Unser Evolutionsexperiment führte zu einer zufälligen Mutagenese des Apfelsäure-Enzyms (maeA), die es ihm ermöglicht, NADPH zu produzieren. Die zusätzliche Entfernung von maeA machte einen robusteren Biosensor-Stamm der zweiten Generation für die NADP+-Reduktion möglich. Wir entwickelten einen strukturgesteuerten Evolutionsansatz zur Änderung der Kofaktorspezifität von Pseudomonas sp. 101 FDH. Zu diesem Zweck wurde eine Bibliothek von >106 Varianten mit Hilfe der in vivo-Selektion getestet. Im Vergleich zu den am besten entwickelten Enzymen über die berichtet wurde, zeigt unsere beste Variante mit fünf Mutationen eine 5-fach höhere katalytische Effizienz und eine 13-fach höhere Spezifität gegenüber NADP+ sowie eine 2-fach höhere Affinität gegenüber Formiat. Zusammenfassend zeigen wir das Potenzial der in vivo-Selektion und evolutionsgesteuerten Ansätze zur Entwicklung 14 besserer NADPH-Biosensoren und zur Entwicklung der Kofaktor-Spezifität durch die gleichzeitige Verbesserung mehrerer Parameter (kinetische Effizienz mit NADP+, Spezifität gegenüber NADP+ und Affinität zu Formiat), was aufgrund der Existenz von Zielkonflikten und Epistase eine große Herausforderung im Protein-Engineering darstellt.…