Optimization of ethylene glycol production from (D)-xylose via a synthetic pathway implemented in Escherichia coli.
BACKGROUND
Ethylene glycol (EG) is a bulk chemical that is mainly used as an anti-freezing agent and a raw material in the synthesis of plastics. Production of commercial EG currently exclusively relies on chemical synthesis using fossil resources. Biochemical production of ethylene glycol from renewable resources may be more sustainable.


RESULTS
Herein, a synthetic pathway is described that produces EG in Escherichia coli through the action of (D)-xylose isomerase, (D)-xylulose-1-kinase, (D)-xylulose-1-phosphate aldolase, and glycolaldehyde reductase. These reactions were successively catalyzed by the endogenous xylose isomerase (XylA), the heterologously expressed human hexokinase (Khk-C) and aldolase (Aldo-B), and an endogenous glycolaldehyde reductase activity, respectively, which we showed to be encoded by yqhD. The production strain was optimized by deleting the genes encoding for (D)-xylulose-5 kinase (xylB) and glycolaldehyde dehydrogenase (aldA), and by overexpressing the candidate glycolaldehyde reductases YqhD, GldA, and FucO. The strain overproducing FucO was the best EG producer reaching a molar yield of 0.94 in shake flasks, and accumulating 20 g/L EG with a molar yield and productivity of 0.91 and 0.37 g/(L.h), respectively, in a controlled bioreactor under aerobic conditions.


CONCLUSIONS
We have demonstrated the feasibility to produce EG from (D)-xylose via a synthetic pathway in E. coli at approximately 90 % of the theoretical yield.
INSA, UPS, INP, LISBP, Université de Toulouse, 135 Avenue de Rangueil, 31077, Toulouse, France. alkim@insa-toulouse.fr.|UMR792 Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés (LISBP), INRA, Toulouse, France. alkim@insa-toulouse.fr.|CNRS, UMR5504, Toulouse, France. alkim@insa-toulouse.fr.|TWB, 3 rue Ariane, 31520, Ramonville-St. Agnes, France. alkim@insa-toulouse.fr.
Ceren
C
Alkim
INSA, UPS, INP, LISBP, Université de Toulouse, 135 Avenue de Rangueil, 31077, Toulouse, France. ycam@insa-toulouse.fr.|UMR792 Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés (LISBP), INRA, Toulouse, France. ycam@insa-toulouse.fr.|CNRS, UMR5504, Toulouse, France. ycam@insa-toulouse.fr.|TWB, 3 rue Ariane, 31520, Ramonville-St. Agnes, France. ycam@insa-toulouse.fr.
Yvan
Y
Cam
INSA, UPS, INP, LISBP, Université de Toulouse, 135 Avenue de Rangueil, 31077, Toulouse, France. trichez@insa-toulouse.fr.|UMR792 Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés (LISBP), INRA, Toulouse, France. trichez@insa-toulouse.fr.|CNRS, UMR5504, Toulouse, France. trichez@insa-toulouse.fr.
Debora
D
Trichez
INSA, UPS, INP, LISBP, Université de Toulouse, 135 Avenue de Rangueil, 31077, Toulouse, France. c_auriol@insa-toulouse.fr.|UMR792 Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés (LISBP), INRA, Toulouse, France. c_auriol@insa-toulouse.fr.|CNRS, UMR5504, Toulouse, France. c_auriol@insa-toulouse.fr.|TWB, 3 rue Ariane, 31520, Ramonville-St. Agnes, France. c_auriol@insa-toulouse.fr.
Clément
C
Auriol
INSA, UPS, INP, LISBP, Université de Toulouse, 135 Avenue de Rangueil, 31077, Toulouse, France. spina@insa-toulouse.fr.|UMR792 Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés (LISBP), INRA, Toulouse, France. spina@insa-toulouse.fr.|CNRS, UMR5504, Toulouse, France. spina@insa-toulouse.fr.
Lucie
L
Spina
INSA, UPS, INP, LISBP, Université de Toulouse, 135 Avenue de Rangueil, 31077, Toulouse, France. amelie.vax@gmail.com.|UMR792 Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés (LISBP), INRA, Toulouse, France. amelie.vax@gmail.com.|CNRS, UMR5504, Toulouse, France. amelie.vax@gmail.com.
Amélie
A
Vax
UMR CNRS 5219, Institut de Mathématiques de Toulouse, INSA, Université de Toulouse, Toulouse, France. f.bartolo11@gmail.com.
François
F
Bartolo
UMR CNRS 5219, Institut de Mathématiques de Toulouse, INSA, Université de Toulouse, Toulouse, France. philippe.besse@math.univ-toulouse.fr.
Philippe
P
Besse
INSA, UPS, INP, LISBP, Université de Toulouse, 135 Avenue de Rangueil, 31077, Toulouse, France. fran_jm@insa-toulouse.fr.|UMR792 Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés (LISBP), INRA, Toulouse, France. fran_jm@insa-toulouse.fr.|CNRS, UMR5504, Toulouse, France. fran_jm@insa-toulouse.fr.|TWB, 3 rue Ariane, 31520, Ramonville-St. Agnes, France. fran_jm@insa-toulouse.fr.
Jean Marie
JM
François
INSA, UPS, INP, LISBP, Université de Toulouse, 135 Avenue de Rangueil, 31077, Toulouse, France. thomas.walther@insa-toulouse.fr.|UMR792 Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés (LISBP), INRA, Toulouse, France. thomas.walther@insa-toulouse.fr.|CNRS, UMR5504, Toulouse, France. thomas.walther@insa-toulouse.fr.|TWB, 3 rue Ariane, 31520, Ramonville-St. Agnes, France. thomas.walther@insa-toulouse.fr.
Thomas
T
Walther
D019149:Bioreactors; D004926:Escherichia coli / Q000378:metabolism*; D019855:Ethylene Glycol / Q000378:metabolism*; D060847:Metabolic Engineering / Q000379:methods*; D053858:Metabolic Networks and Pathways; D014994:Xylose / Q000378:metabolism*
D014994:Xylose; D019855:Ethylene Glycol