The bioconversion of cellulosic biomass hydrolyzates consisting mainly of glucose and xylose requires the use of engineered Saccharomyces cerevisiae expressing a heterologous xylose pathway. However, there is concern that a fungal xylose pathway consisting of NADPH-specific xylose reductase (XR) and $NAD^+$-specific xylitol dehydrogenase (XDH) may result in a cellular redox imbalance. However, the glycerol biosynthesis and glycerol degradation pathways of S. cerevisiae, termed here as the glycerol cycle, has the potential to balance the cofactor requirements for xylose metabolism, as it produces NADPH by consuming NADH at the expense of one mole of ATP. Therefore, this study tested if the glycerol cycle could improve the xylose metabolism of engineered S. cerevisiae by cofactor balancing, as predicted by an in-silico analysis using elementary flux mode (EFM). When the GPD1 gene, the first step of the glycerol cycle, was overexpressed in the XR/XDH-expressing S. cerevisiae, the glycerol production significantly increased, while the xylitol and ethanol yields became negligible. The reduced xylitol yield suggests that enough $NAD^+$ was supplied for XDH by the glycerol cycle. However, the GPD1 overexpression completely shifted the carbon flux from ethanol to glycerol. Thus, moderate expression of GPD1 may be necessary to achieve improved ethanol production through the cofactor balancing.
Lee Tae-Young;Kim Myoung-Dong;Kim Kyu-Yong;Park Kyungmoon;Ryu Yeon-Woo;Seo Jin-Ho
Biotechnology and Bioprocess Engineering:BBE
/
v.5
no.1
/
pp.27-31
/
2000
Characteristics of ethanol production by a xylose-fermenting yeast, Pichia stipitis Y-7124, were studied. The sugar consumption rate and specific growth rate were higher in the glucose-containing medium than in the xylose-containing medium. Specific activities of xylose reductase and xylitol dehydrogenase were higher in the medium with xylose than glucose, suggesting their induction by xylose. Maximum specific growth rate and ethanol yield were achieved at 30 g xylose/L concentration without formation of by-products such as xylitol and acetic acid whereas a maximum ethanol concentration was obtained at 130 g/L xylose. Adding a respiratory inhibitor, rotenone, increased a maximum ethanol concentration by $10\%$ compared with the control experiment. In order to evaluate the pattern of ethanol inhibition on specific growth rate, a kinetic model based on Luong's equations was applied. The relationship between ethanol concentration and specific growth rate was hyperbolic for glucose and parabolic for xylose. A maximum ethanol concentration at which cells did not grow was 33.6 g/L for glucose and 44.7 g/L for xylose.
The engineered Aspergillus oryzae has a high NADPH demand for xylose utilization and overproduction of target metabolites. Glucose-6-phosphate dehydrogenase (G6PDH, E.C. 1.1.1.49) is one of two key enzymes in the oxidative part of the pentose phosphate pathway, and is also the main enzyme involved in NADPH regeneration. The open reading frame and cDNA of the putative A. oryzae G6PDH (AoG6PDH) were obtained, followed by heterogeneous expression in Escherichia coli and purification as a his6-tagged protein. The purified protein was characterized to be in possession of G6PDH activity with a molecular mass of 118.0 kDa. The enzyme displayed maximal activity at pH 7.5 and the optimal temperature was $50^{\circ}C$. This enzyme also had a half-life of 33.3 min at $40^{\circ}C$. Kinetics assay showed that AoG6PDH was strictly dependent on $NADP^+$ ($K_m=6.3{\mu}M$, $k_{cat}=1000.0s^{-1}$, $k_{cat}/K_m=158.7s^{-1}{\cdot}{\mu}M^{-1}$) as cofactor. The $K_m$ and $k_{cat}/K_m$ values of glucose-6-phosphate were $109.7s^{-1}{\cdot}{\mu}M^{-1}$ and $9.1s^{-1}{\cdot}{\mu}M^{-1}$ respectively. Initial velocity and product inhibition analyses indicated the catalytic reaction followed a two-substrate, steady-state, ordered BiBi mechanism, where $NADP^+$ was the first substrate bound to the enzyme and NADPH was the second product released from the catalytic complex. The established kinetic model could be applied in further regulation of the pentose phosphate pathway and NADPH regeneration of A. oryzae to improve its xylose utilization and yields of valued metabolites.
The effects of two different sugars (glucose and xylose) on the expression levels and patterns of the xylose reductase (xyl1), xylitol dehydrogenase (xyl2), and xylulokinase (xyl3) genes were analyzed using Pichia stipitis. A significant increase in mRNA levels of xyl1 was observed after 6 h growth in culture conditions using xylose as a sole carbon source, but expressions of the three genes were not influenced by normal culture media with glucose. In addition, expressions of xyl2 and xyl3 were not observed during the entire culture period during which xylose was added. It also was found that the expression level of xyl1 increased as a function of the xylose concentration (40, 60, and 80 g/l) used in this study, indicating that xyl1 expression sensitively responded to xylose in the culture media. Although the induced level of xyl2 increased slightly after 48 h in the xylose-supplemented culture conditions, the expression of xyl2 was not observed in the xylitol-supplemented culture conditions. Finally, considering the expression of each gene in response to glucose or xylose, the absolute expression levels of the three genes indicate that xyl1 is induced primarily by exposure to xylose.
Microbial oxidoreductive systems have been widely used in asymmetric syntheses of optically active alcohols. However, when reused in multi-batch reaction, the catalytic efficiency and sustainability of non-growing cells usually decreased because of continuous consumption of required cofactors during the reaction process. A novel method for NADPH regeneration in cells was proposed by using pentose metabolism in microorganisms. Addition of D-xylose, L-arabinose, or D-ribose to the reaction significantly improved the conversion efficiency of deracemization of racemic 1-phenyl-1,2-ethanediol to (S)-isomer by Candida parapsilosis cells already used once, which afforded the product with high optical purity over 97%e.e. in high yield over 85% under an increased substrate concentration of 15 g/l. Compared with reactions without xylose, xylose added to multi-batch reactions had no influence on the activity of the enzyme catalyzing the key step in deracemization, but performed a promoting effect on the recovery of the metabolic activity of the non-growing cells with its consumption in each batch. The detection of activities of xylose reductase and xylitol dehydrogenase from cell-free extract of C. parapsilosis made xylose metabolism feasible in cells, and the depression of the pentose phosphate pathway inhibitor to this reaction further indicated that xylose facilitated the NADPH-required deracemization through the pentose phosphate pathway in C. parapsilosis. moreover, by investigating the cofactor pool, the xylose addition in reaction batches giving more NADPH, compared with those without xylose, suggested that the higher catalytic efficiency and sustainability of C. parapsilosis non-growing cells had resulted from xylose metabolism recycling NADPH for the deracemization.
A mannitol dehydrogenase (StMDH) gene was cloned from Salmonella typhimurium LT2 (KCTC 2421) and overexpressed in Escherichia coli. It has a 1,467 bp open reading frame encoding 488 amino acids with deduced molecular mass of 54 kDa, which shares approximately 36% of amino acid identity with known long-chain dehydrogenase/reductatse (LDR) family enzymes. The recombinant StMDH showed the highest activity at $30^{\circ}C$, and pH 5.0 and 10.0 for D-fructose reduction and D-mannitol oxidation, respectively. On the contrary, it has no activity on glucose, galactose, xylose, and arabinose. StMDH can catalyze the oxidative/reductive reactions between D-fructose and D-mannitol only in the presence of $NAD^+$/NADH as coenzymes. These results indicate that StMDH is a typical $NAD^+$/NADH-dependent mannitol dehydrogenase (E.C. 1.1.1.67).
Lee, Charles C.;Kibblewhite, Rena E.;Paavola, Chad D.;Orts, William J.;Wagschal, Kurt
Journal of Microbiology and Biotechnology
/
v.27
no.1
/
pp.77-83
/
2017
Lignocellulosic biomass represents a potentially large resource to supply the world's fuel and chemical feedstocks. Enzymatic bioconversion of this substrate offers a reliable strategy for accessing this material under mild reaction conditions. Owing to the complex nature of lignocellulose, many different enzymatic activities are required to function in concert to perform efficient transformation. In nature, large multienzyme complexes are known to effectively hydrolyze lignocellulose into constituent monomeric sugars. We created artificial complexes of enzymes, called rosettazymes, in order to hydrolyze glucuronoxylan, a common lignocellulose component, into its cognate sugar ${\small{D}}$-xylose and then further convert the ${\small{D}}$-xylose into ${\small{D}}$-xylonic acid, a Department of Energy top-30 platform chemical. Four different types of enzymes (endoxylanase, ${\alpha}$-glucuronidase, ${\beta}$-xylosidase, and xylose dehydrogenase) were incorporated into the artificial complexes. We demonstrated that tethering our enzymes in a complex resulted in significantly more activity (up to 71%) than the same amount of enzymes free in solution. We also determined that varying the enzyme composition affected the level of complex-related activity enhancement as well as overall yield.
JEON SUNG JIN;SHIN IN HO;SANG BYUNG IN;PARK DOO HYUN
Journal of Microbiology and Biotechnology
/
v.15
no.2
/
pp.281-286
/
2005
We created a new graphite-Cu(II) electrode and found that the electrode could catalyze FADH$_2$ oxidation and FAD reduction coupled to electricity production and consumption, respectively. In a fuel cell with graphite-Cu(II) anode and graphite-Fe(III) cathode, the electricity was produced by coupling to the spontaneous oxidation of FADH$_2$ Fumarate and xylose were not produced from the enzymatic oxidation of succinate and xylitol without FAD, respectively, but produced with FAD. The production of fumarate and xylose in the reactor with FAD electrochemically regenerated was maximally 2- 5 times higher than that in the reactor with FAD. By using this new electrode with catalytic function, a bioelectrocatalysts can be engineered; namely, oxidoreductase (e.g., lactate dehydrogenase) and FAD can function for biotransformation without an electron mediator and second oxidoreductase for cofactors recycling.
Profiling the transcriptome changes involved in xylose metabolism by the fungus Trichoderma reesei allows for the identification of potential targets for ethanol production processing. In the present study, the transcriptome of T. reesei HJ-48 grown on xylose versus glucose was analyzed using next-generation sequencing technology. During xylose fermentation, numerous genes related to central metabolic pathways, including xylose reductase (XR) and xylitol dehydrogenase (XDH), were expressed at higher levels in T. reesei HJ-48. Notably, growth on xylose did not fully repress the genes encoding enzymes of the tricarboxylic acid and respiratory pathways. In addition, increased expression of several sugar transporters was observed during xylose fermentation. This study provides a valuable dataset for further investigation of xylose fermentation and provides a deeper insight into the various genes involved in this process.
In this study, a repeated yeast integrative plasmid (R-YIp) harboring Cre/loxP system was constructed to integrate various gene expression cassettes into the yeast chromosome. The R-YIp system contains a reusable selective marker (CgTRP1), loxP sequence, and target sequence for integration. Therefore, many gene expression cassettes can be integrated into the same position of the same yeast chromosome. In the present study, several model enzymes involving xylan/xylose metabolism were examined, including endoxylanase (XYLP), ${\beta}$-xylosidase (XYLB), xylose reductase (GRE3) and xylitol dehydrogenase (XYL2). Efficient expression of these genes was obtained using two promoters (GAL10p and ADH1p) and various plasmids (pGMF-GENE and pAMF-GENE plasmids) were constructed. The XYLP, XYLB, GRE3, and XYL2 genes were efficiently expressed under the control of the GAL10 promoter. Subsequently, R-YIps containing the GAL10p-GENE-GAL7t cassette were constructed, resulting in pRS-XylP, pRS-XylB, pRS-Gre3, and pRS-Xyl2 plasmids. These plasmids were sequentially integrated into chromosome VII of a Saccharomyces cerevisiae strain by repeated gene integration and selective marker rescue. These genes were integrated by the R-YIp system and were stably expressed in the yeast transformants to produce active recombinant enzymes. Therefore, we expect that the R-YIp system will be able to overcome current limitations of the host cells and allow selective marker selection for the integration of various genes into the yeast chromosome.
본 웹사이트에 게시된 이메일 주소가 전자우편 수집 프로그램이나
그 밖의 기술적 장치를 이용하여 무단으로 수집되는 것을 거부하며,
이를 위반시 정보통신망법에 의해 형사 처벌됨을 유념하시기 바랍니다.
[게시일 2004년 10월 1일]
이용약관
제 1 장 총칙
제 1 조 (목적)
이 이용약관은 KoreaScience 홈페이지(이하 “당 사이트”)에서 제공하는 인터넷 서비스(이하 '서비스')의 가입조건 및 이용에 관한 제반 사항과 기타 필요한 사항을 구체적으로 규정함을 목적으로 합니다.
제 2 조 (용어의 정의)
① "이용자"라 함은 당 사이트에 접속하여 이 약관에 따라 당 사이트가 제공하는 서비스를 받는 회원 및 비회원을
말합니다.
② "회원"이라 함은 서비스를 이용하기 위하여 당 사이트에 개인정보를 제공하여 아이디(ID)와 비밀번호를 부여
받은 자를 말합니다.
③ "회원 아이디(ID)"라 함은 회원의 식별 및 서비스 이용을 위하여 자신이 선정한 문자 및 숫자의 조합을
말합니다.
④ "비밀번호(패스워드)"라 함은 회원이 자신의 비밀보호를 위하여 선정한 문자 및 숫자의 조합을 말합니다.
제 3 조 (이용약관의 효력 및 변경)
① 이 약관은 당 사이트에 게시하거나 기타의 방법으로 회원에게 공지함으로써 효력이 발생합니다.
② 당 사이트는 이 약관을 개정할 경우에 적용일자 및 개정사유를 명시하여 현행 약관과 함께 당 사이트의
초기화면에 그 적용일자 7일 이전부터 적용일자 전일까지 공지합니다. 다만, 회원에게 불리하게 약관내용을
변경하는 경우에는 최소한 30일 이상의 사전 유예기간을 두고 공지합니다. 이 경우 당 사이트는 개정 전
내용과 개정 후 내용을 명확하게 비교하여 이용자가 알기 쉽도록 표시합니다.
제 4 조(약관 외 준칙)
① 이 약관은 당 사이트가 제공하는 서비스에 관한 이용안내와 함께 적용됩니다.
② 이 약관에 명시되지 아니한 사항은 관계법령의 규정이 적용됩니다.
제 2 장 이용계약의 체결
제 5 조 (이용계약의 성립 등)
① 이용계약은 이용고객이 당 사이트가 정한 약관에 「동의합니다」를 선택하고, 당 사이트가 정한
온라인신청양식을 작성하여 서비스 이용을 신청한 후, 당 사이트가 이를 승낙함으로써 성립합니다.
② 제1항의 승낙은 당 사이트가 제공하는 과학기술정보검색, 맞춤정보, 서지정보 등 다른 서비스의 이용승낙을
포함합니다.
제 6 조 (회원가입)
서비스를 이용하고자 하는 고객은 당 사이트에서 정한 회원가입양식에 개인정보를 기재하여 가입을 하여야 합니다.
제 7 조 (개인정보의 보호 및 사용)
당 사이트는 관계법령이 정하는 바에 따라 회원 등록정보를 포함한 회원의 개인정보를 보호하기 위해 노력합니다. 회원 개인정보의 보호 및 사용에 대해서는 관련법령 및 당 사이트의 개인정보 보호정책이 적용됩니다.
제 8 조 (이용 신청의 승낙과 제한)
① 당 사이트는 제6조의 규정에 의한 이용신청고객에 대하여 서비스 이용을 승낙합니다.
② 당 사이트는 아래사항에 해당하는 경우에 대해서 승낙하지 아니 합니다.
- 이용계약 신청서의 내용을 허위로 기재한 경우
- 기타 규정한 제반사항을 위반하며 신청하는 경우
제 9 조 (회원 ID 부여 및 변경 등)
① 당 사이트는 이용고객에 대하여 약관에 정하는 바에 따라 자신이 선정한 회원 ID를 부여합니다.
② 회원 ID는 원칙적으로 변경이 불가하며 부득이한 사유로 인하여 변경 하고자 하는 경우에는 해당 ID를
해지하고 재가입해야 합니다.
③ 기타 회원 개인정보 관리 및 변경 등에 관한 사항은 서비스별 안내에 정하는 바에 의합니다.
제 3 장 계약 당사자의 의무
제 10 조 (KISTI의 의무)
① 당 사이트는 이용고객이 희망한 서비스 제공 개시일에 특별한 사정이 없는 한 서비스를 이용할 수 있도록
하여야 합니다.
② 당 사이트는 개인정보 보호를 위해 보안시스템을 구축하며 개인정보 보호정책을 공시하고 준수합니다.
③ 당 사이트는 회원으로부터 제기되는 의견이나 불만이 정당하다고 객관적으로 인정될 경우에는 적절한 절차를
거쳐 즉시 처리하여야 합니다. 다만, 즉시 처리가 곤란한 경우는 회원에게 그 사유와 처리일정을 통보하여야
합니다.
제 11 조 (회원의 의무)
① 이용자는 회원가입 신청 또는 회원정보 변경 시 실명으로 모든 사항을 사실에 근거하여 작성하여야 하며,
허위 또는 타인의 정보를 등록할 경우 일체의 권리를 주장할 수 없습니다.
② 당 사이트가 관계법령 및 개인정보 보호정책에 의거하여 그 책임을 지는 경우를 제외하고 회원에게 부여된
ID의 비밀번호 관리소홀, 부정사용에 의하여 발생하는 모든 결과에 대한 책임은 회원에게 있습니다.
③ 회원은 당 사이트 및 제 3자의 지적 재산권을 침해해서는 안 됩니다.
제 4 장 서비스의 이용
제 12 조 (서비스 이용 시간)
① 서비스 이용은 당 사이트의 업무상 또는 기술상 특별한 지장이 없는 한 연중무휴, 1일 24시간 운영을
원칙으로 합니다. 단, 당 사이트는 시스템 정기점검, 증설 및 교체를 위해 당 사이트가 정한 날이나 시간에
서비스를 일시 중단할 수 있으며, 예정되어 있는 작업으로 인한 서비스 일시중단은 당 사이트 홈페이지를
통해 사전에 공지합니다.
② 당 사이트는 서비스를 특정범위로 분할하여 각 범위별로 이용가능시간을 별도로 지정할 수 있습니다. 다만
이 경우 그 내용을 공지합니다.
제 13 조 (홈페이지 저작권)
① NDSL에서 제공하는 모든 저작물의 저작권은 원저작자에게 있으며, KISTI는 복제/배포/전송권을 확보하고
있습니다.
② NDSL에서 제공하는 콘텐츠를 상업적 및 기타 영리목적으로 복제/배포/전송할 경우 사전에 KISTI의 허락을
받아야 합니다.
③ NDSL에서 제공하는 콘텐츠를 보도, 비평, 교육, 연구 등을 위하여 정당한 범위 안에서 공정한 관행에
합치되게 인용할 수 있습니다.
④ NDSL에서 제공하는 콘텐츠를 무단 복제, 전송, 배포 기타 저작권법에 위반되는 방법으로 이용할 경우
저작권법 제136조에 따라 5년 이하의 징역 또는 5천만 원 이하의 벌금에 처해질 수 있습니다.
제 14 조 (유료서비스)
① 당 사이트 및 협력기관이 정한 유료서비스(원문복사 등)는 별도로 정해진 바에 따르며, 변경사항은 시행 전에
당 사이트 홈페이지를 통하여 회원에게 공지합니다.
② 유료서비스를 이용하려는 회원은 정해진 요금체계에 따라 요금을 납부해야 합니다.
제 5 장 계약 해지 및 이용 제한
제 15 조 (계약 해지)
회원이 이용계약을 해지하고자 하는 때에는 [가입해지] 메뉴를 이용해 직접 해지해야 합니다.
제 16 조 (서비스 이용제한)
① 당 사이트는 회원이 서비스 이용내용에 있어서 본 약관 제 11조 내용을 위반하거나, 다음 각 호에 해당하는
경우 서비스 이용을 제한할 수 있습니다.
- 2년 이상 서비스를 이용한 적이 없는 경우
- 기타 정상적인 서비스 운영에 방해가 될 경우
② 상기 이용제한 규정에 따라 서비스를 이용하는 회원에게 서비스 이용에 대하여 별도 공지 없이 서비스 이용의
일시정지, 이용계약 해지 할 수 있습니다.
제 17 조 (전자우편주소 수집 금지)
회원은 전자우편주소 추출기 등을 이용하여 전자우편주소를 수집 또는 제3자에게 제공할 수 없습니다.
제 6 장 손해배상 및 기타사항
제 18 조 (손해배상)
당 사이트는 무료로 제공되는 서비스와 관련하여 회원에게 어떠한 손해가 발생하더라도 당 사이트가 고의 또는 과실로 인한 손해발생을 제외하고는 이에 대하여 책임을 부담하지 아니합니다.
제 19 조 (관할 법원)
서비스 이용으로 발생한 분쟁에 대해 소송이 제기되는 경우 민사 소송법상의 관할 법원에 제기합니다.
[부 칙]
1. (시행일) 이 약관은 2016년 9월 5일부터 적용되며, 종전 약관은 본 약관으로 대체되며, 개정된 약관의 적용일 이전 가입자도 개정된 약관의 적용을 받습니다.