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Discovery and Evaluation of Biosynthetic Pathways for the Production of Five Methyl Ethyl Ketone Precursors
ACS Synthetic Biology ( IF 3.7 ) Pub Date : 2018-07-18 00:00:00 , DOI: 10.1021/acssynbio.8b00049 Milenko Tokic 1 , Noushin Hadadi 1 , Meric Ataman 1 , Dário Neves 2 , Birgitta E. Ebert 2 , Lars M. Blank 2 , Ljubisa Miskovic 1 , Vassily Hatzimanikatis 1
ACS Synthetic Biology ( IF 3.7 ) Pub Date : 2018-07-18 00:00:00 , DOI: 10.1021/acssynbio.8b00049 Milenko Tokic 1 , Noushin Hadadi 1 , Meric Ataman 1 , Dário Neves 2 , Birgitta E. Ebert 2 , Lars M. Blank 2 , Ljubisa Miskovic 1 , Vassily Hatzimanikatis 1
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The limited supply of fossil fuels and the establishment of new environmental policies shifted research in industry and academia toward sustainable production of the second generation of biofuels, with methyl ethyl ketone (MEK) being one promising fuel candidate. MEK is a commercially valuable petrochemical with an extensive application as a solvent. However, as of today, a sustainable and economically viable production of MEK has not yet been achieved despite several attempts of introducing biosynthetic pathways in industrial microorganisms. We used BNICE.ch as a retrobiosynthesis tool to discover all novel pathways around MEK. Out of 1325 identified compounds connecting to MEK with one reaction step, we selected 3-oxopentanoate, but-3-en-2-one, but-1-en-2-olate, butylamine, and 2-hydroxy-2-methylbutanenitrile for further study. We reconstructed 3 679 610 novel biosynthetic pathways toward these 5 compounds. We then embedded these pathways into the genome-scale model of E. coli, and a set of 18 622 were found to be the most biologically feasible ones on the basis of thermodynamics and their yields. For each novel reaction in the viable pathways, we proposed the most similar KEGG reactions, with their gene and protein sequences, as candidates for either a direct experimental implementation or as a basis for enzyme engineering. Through pathway similarity analysis we classified the pathways and identified the enzymes and precursors that were indispensable for the production of the target molecules. These retrobiosynthesis studies demonstrate the potential of BNICE.ch for discovery, systematic evaluation, and analysis of novel pathways in synthetic biology and metabolic engineering studies.
中文翻译：
发现和评价生产五个甲基乙基酮前体的生物合成途径
化石燃料的有限供应和新的环境政策的建立使工业界和学术界的研究转向了第二代生物燃料的可持续生产，其中甲乙酮（MEK）是一种有前途的燃料候选者。MEK是具有商业应用价值的石化产品，已广泛用作溶剂。然而，尽管进行了数种尝试在工业微生物中引入生物合成途径的尝试，但直到今天，仍未实现MEK的可持续和经济上可行的生产。我们使用BNICE.ch作为逆向生物合成工具来发现MEK周围的所有新途径。在1325个通过一个反应步骤与MEK连接的化合物中，我们选择了3-氧戊酸，but-3-en-2-one，but-1-en-2-olate，丁胺和2-羟基-2-甲基丁腈进一步研究。我们针对这5种化合物重建了3,679,610条新颖的生物合成途径。然后，我们将这些途径嵌入到根据热力学及其产量，发现大肠杆菌和一组18622种在生物学上最可行。对于可行途径中的每个新反应，我们提出了最相似的KEGG反应及其基因和蛋白质序列，作为直接实验实施的候选对象或酶工程的基础。通过途径相似性分析，我们对途径进行了分类，并鉴定了对于靶分子生产必不可少的酶和前体。这些逆向生物合成研究证明了BNICE.ch在合成生物学和代谢工程研究中发现，系统评估和分析新途径的潜力。
更新日期：2018-07-18
中文翻译：
发现和评价生产五个甲基乙基酮前体的生物合成途径
化石燃料的有限供应和新的环境政策的建立使工业界和学术界的研究转向了第二代生物燃料的可持续生产，其中甲乙酮（MEK）是一种有前途的燃料候选者。MEK是具有商业应用价值的石化产品，已广泛用作溶剂。然而，尽管进行了数种尝试在工业微生物中引入生物合成途径的尝试，但直到今天，仍未实现MEK的可持续和经济上可行的生产。我们使用BNICE.ch作为逆向生物合成工具来发现MEK周围的所有新途径。在1325个通过一个反应步骤与MEK连接的化合物中，我们选择了3-氧戊酸，but-3-en-2-one，but-1-en-2-olate，丁胺和2-羟基-2-甲基丁腈进一步研究。我们针对这5种化合物重建了3,679,610条新颖的生物合成途径。然后，我们将这些途径嵌入到根据热力学及其产量，发现大肠杆菌和一组18622种在生物学上最可行。对于可行途径中的每个新反应，我们提出了最相似的KEGG反应及其基因和蛋白质序列，作为直接实验实施的候选对象或酶工程的基础。通过途径相似性分析，我们对途径进行了分类，并鉴定了对于靶分子生产必不可少的酶和前体。这些逆向生物合成研究证明了BNICE.ch在合成生物学和代谢工程研究中发现，系统评估和分析新途径的潜力。
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