Glycine cleavage system (GCS) occupies a key position in one-carbon (C1) metabolic pathway and receives great attention for the use of C1 carbons like formate and CO2 via synthetic biology. In this work, we demonstrate that formaldehyde exists as a substantial byproduct of the GCS reaction cycle. Three causes are identified for its formation. First, the principal one is the decomposition of N5,N10-methylene-tetrahydrofolate (5,10-CH2-THF) to form formaldehyde and THF. Increasing the rate of glycine cleavage promotes the formation of 5,10-CH2-THF, thereby increasing the formaldehyde release rate. Next, formaldehyde can be produced in the GCS even in the absence of THF. The reason is that T-protein of the GCS can degrade methylamine-loaded H-protein (Hint) to formaldehyde and ammonia, accompanied with the formation of dihydrolipoyl H-protein (Hred), but the reaction rate is less than 0.16% of that in the presence of THF. Increasing T-protein concentration can speed up the release rate of formaldehyde by Hint. Finally, a certain amount of formaldehyde can be formed in the GCS due to oxidative degradation of THF. Based on a formaldehyde-dependent aldolase, we elaborated a glycine-based one carbon metabolic pathway for the biosynthesis of 1,3-propanediol (1,3-PDO) in vitro. This work provides quantitative data and mechanistic understanding of formaldehyde formation in the GCS and a new biosynthetic pathway of 1,3-PDO.

中文翻译：

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甘氨酸裂解系统中的甲醛形成及其在基于醛缩酶的1，3-丙二醇生物合成中的应用。

甘氨酸裂解系统（GCS）在单碳（C1）代谢途径中占据关键位置，并通过合成生物学对诸如甲酸盐和二氧化碳之类的C1碳的使用引起了极大关注。在这项工作中，我们证明甲醛作为GCS反应周期的主要副产物存在。确定了其形成的三个原因。首先，主要的是将N5，N10-亚甲基-四氢叶酸（5,10-CH2-THF）分解为甲醛和THF。甘氨酸裂解速率的增加会促进5,10-CH2-THF的形成，从而提高甲醛的释放速率。接下来，即使在不存在THF的情况下，也可以在GCS中产生甲醛。原因是GCS的T蛋白可以将甲胺负载的H蛋白（Hint）降解为甲醛和氨，同时形成二氢脂酰H蛋白（Hred），但是反应速率小于在THF存在下的反应速率的0.16％。增加T蛋白浓度可以加快Hint释放甲醛的速度。最后，由于THF的氧化降解，可能在GCS中形成一定量的甲醛。基于甲醛依赖性醛缩酶，我们阐述了基于甘氨酸的一种碳代谢途径，用于体外生物合成1,3-丙二醇（1,3-PDO）。这项工作提供了定量数据和对GCS中甲醛形成的机理的理解，以及1,3-PDO的新生物合成途径。基于甲醛依赖性醛缩酶，我们阐述了基于甘氨酸的一种碳代谢途径，用于体外生物合成1,3-丙二醇（1,3-PDO）。这项工作提供了定量数据和对GCS中甲醛形成的机理的理解，以及对1,3-PDO的新生物合成途径的了解。基于甲醛依赖性醛缩酶，我们阐述了基于甘氨酸的一种碳代谢途径，用于体外生物合成1,3-丙二醇（1,3-PDO）。这项工作提供了定量数据和对GCS中甲醛形成的机理的理解，以及1,3-PDO的新生物合成途径。