Kynurenine pathway of tryptophan metabolism is widely present, and well characterized specifically in eukaryotes where aerobic degradation of L-tryptophan takes place and ultimately NADP is produced along with production of different medicinal molecules. In a few Streptomyces species also, tryptophan metabolism proceeds through kynurenine route, and finally leading to several medically important natural products with anti-cancer properties, including actinomycins, sibiromycin, and anthramycin. This pathway of aerobic metabolism of tryptophan is generally absent in prokaryotes. Due to availability of well-established tools and strategies for metabolic engineering, the model prokaryotic organism, Escherichia coli, has emerged as a cell factory for various natural product biosynthesis. In this study, establishment of aerobic pathway of tryptophan metabolism in E. coli was explored in order to make this model organism a robust heterologous platform for production of various pharmaceutically active agents. Furthermore, competitive pathway inhibition and cofactor engineering were performed to enhance the production titers. The final engineered E. coli strains could produce 3-hydroxy-4-methylanthranilic acid (precursor to anti-tumor agents), actinocin (actinomycin D chromophore), kynurenic acid (dietary supplement) and 3-hydroxyanthranilic acid (anti-oxidant) in a minimal medium with glucose as sole carbon source. This is the first ever report of heterologous expression of kynurenine pathway in E. coli. The metabolic engineering strategies employed here could be useful for the production of other natural products in a microbial heterologous host.
트립토판 대사의 키누레닌 경로는 특히 L-트립토판의 호기성 분해와 궁극적으로 다른 약분자의 생성과 함께 NADP가 생성되는 진핵생물에서 널리 존재하며, 잘 특징지어진다. 일부 스트렙토마이세스 종에서도 트립토판 대사가 키누레닌 경로를 통해 진행되며, 최종적으로 악티노마이신, 시비로마이신, 안트라마이신을 포함한 여러 가지 항암 특성을 가진 의학적으로 중요한 천연물로 이어진다. 일반적으로 트립토판의 호기성 대사 경로는 원핵생물에서는 존재하지 않는다. 대사 공학을 위한 잘 확립된 도구와 전략의 이용 가능성으로 인해 대장균은 다양한 천연물 생합성을 위한 세포 공장으로 등장하였다. 이 연구에서는 이 모델 유기체를 다양한 약제학적 활성제의 생산을 위한 강력한 이종 플랫폼으로 만들기 위해 대장균에서 트립토판 대사의 호기성 경로의 확립을 탐구하였다. 또한, 생산 역가를 향상시키기 위해 경쟁 경로 억제 및 보조 인자 조작을 수행하였다. 최종 엔지니어링된 대장균주는 포도당을 유일한 탄소원으로 하는 최소 배지에서 3-하이드록시-4-메틸안트라닐산(항종양제의 전구체), 악티노신(안티노마이신 D 색소포), 키뉴레닌산(다이어트 보충제), 3-하이드록시안트라닐산(항산화제)을 생성할 수 있다. 이것은 대장균에서 키누레닌 경로의 이종 발현에 대한 최초의 보고이다. 본 연구에서 사용된 대사 공학 전략은 미생물 이종 숙주에서 다른 천연 제품의 생산에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
