The effect of overexpression of glucose transporter on 2,3-butanediol production in streptomyces coelicolor

Abstract

Streptomyces'ler endüstriyel ve farmasötik ara ürün olarak kullanılabilen birçok özel ikincil metabolit türünü üretebilmektedir. Bu sebeple, Streptomyces'lerin birincil metabolizmasına ikincil metabolizmalarına olduğu kadar odaklanılmamıştır. Birincil alkollerden olan 2,3-bütandiol platform kimyasalı olarak polimer, kozmetik, gıda ve farmasötik endüstrilerinde yoğun şekilde kullanılmaktadır. 2,3-bütandiol üretiminde görevli homolog enzimler Streptomyces coelicolor bakterisinde protein homoloji çalışmaları ile gösterilmiştir. Ayrıca, farklı 2,3-bütandiol türevlerini üretebilen Streptomyces türleri keşfedilmiştir. 2,3-bütandiol birincil karbon metabolizmasına bağlıdır ve ana öncül molekülü olan asetoin, asetolaktat sentaz ve bütandiol dehidrogenaz enzimleri ile pirüvattan üretilmektedir. Birincil metabolizmayı kontrol eden en önemli karbon kaynağı glikozdur. S. coelicolor'da glikoz alımı genel olarak özel glikoz transfer proteini, GlcP, ile kontrol edilmektedir. Streptomyces bakterilerinde, GlcP proteinini glcP geni kodlanmaktadır ve glcP geninin glcP1 ve glcP2 olmak üzere 2 homoloğu bulunmaktadır. glcP1 geninin glikoz alımındaki etkisi farklı çalışmalarla gösterilmiştir. Bu çalışmalar ışığında, glcP1 geninin aşırı ekspresyonunun, Streptomyces'te birincil metabolit üretimini artırma potansiyeline sahip olduğu düşünülmüştür. Bu çalışmada, glcP1 geni çok kopyalı bir vektör olan pSPG vektörünün gliserol ile uyarılabilen promotoru altına ve kendi promotor ve transkripsiyonel terminatör sekansını içerecek şekilde de genoma entegre olabilen pRA vektörüne klonlanmıştır. glcP1 geninin yüksek ekspresyonunun birincil metabolizma üzerindeki etkileri çalışılmıştır. Sonuçlarımıza göre, birincil metabolizma ve ona bağlı organik asitlerin üretimi glcP1 geninin yüksek ekspresyonu ile artmıştır. Fakat, 2,3-bütandiol üretiminin ekstra glcP1 geninden etkilenmediği bulunmuştur. Bu suşta hangi organik asitlerin yüksek oranda üretildiğinin belirlenmesi ile rekombinant suşun endüstriyel öneme sahip olup olmadığı ileride yapılacak çalışmalarla anlaşılacaktır.Streptomyces produce special kinds of secondary metabolites which are used as pharmaceutical or industrial intermediates. Therefore, primary metabolisms of Streptomyces have not been focused on as much as their secondary metabolisms. 2,3-butanediol, which is a primary alcohol, is intensively used as a platform chemical in polymer, cosmetics, food, and pharmaceutical industries. Homologues of enzymes, which are responsible for production of 2,3-butanediol, are theoretically shown in Streptomyces coelicolor according to their protein homology. Also, some Streptomyces strains, which produces 2,3-butanediol and its derivatives, are discovered. 2,3-butanediol production depends on primary carbon metabolism and the main precursor of 2,3-butanediol, acetoin, is synthesized from pyruvate by acetolactate synthase and butanediol dehydrogenase. The main carbon source that controls primary metabolism is glucose. Glucose uptake is mainly controlled by special 'glucose transporter protein' (GlcP) in S. coelicolor. GlcP is encoded by glcP gene which, has two homologues: glcP1 and glcP2 in this organism. Effect of GlcP1 on glucose uptake was shown by different studies. Depending on these studies, overexpression of glcP1 gene was thought to have potential to enhance primary metabolite production in Streptomyces. In this study, glcP1 gene was cloned into a multicopy pSPG plasmid under the control of glycerol inducible promoter and also into integrative pRA vector with its own promoter and transcriptional terminator. The effects of overexpression of this gene on primary metabolites were determined. According to our results primary carbon metabolism and related organic acid production have been enhanced by overexpression of glcP1 gene. However, 2,3-butanediol production was not affected by the extra copies of glcP1 gene. In future studies, it will be understood whether the recombinant strain has industrial importance by determining what organic acids are highly produced in this strain.