Characterization of cell factories capable of overproducing phenolic compounds

Abstract

Os compostos fenólicos são metabolitos secundários das plantas com diversas atividades biológicas e potencialmente terapêuticas, como antioxidante e anti-inflamatória. Tirosol, hidroxitirosol e salidrosina pertencem à classe de compostos fenólicos feniletanóides, encontrados em plantas como a oliveira, o chá verde e a planta Rhodiola, e apresentam atividade antioxidante e efeitos cardioprotetores. Os métodos tradicionais de extração de plantas e a síntese química não são comercialmente viáveis, devido a problemas de purificação e baixos rendimentos, pelo que o interesse na sua produção por vias biosintéticas tem vindo a aumentar. O presente trabalho visa otimizar a biossíntese de hidroxitirosol e salidrosina em Escherichia coli, avaliando a melhor arquitetura genética, composição dos meios de cultura e estratégias de indução no processo de produção. A produção de hidroxitirosol foi testada usando estirpes de E. coli BL21 (DE3) e E. coli JM109 (DE3) previamente manipuladas, e testando diferentes temperaturas e concentrações de indução. E. coli BL21 (DE3) foi identificada como a melhor produtora, obtendo-se 70 mg/L de hidroxitirosol quando o meio é suplementado com L-DOPA, um intermediário da síntese de hidroxitirosol. As tentativas de produção hidroxitirosol a partir de glucose revelaram a possível existência de retroalimentação ou inibição de substrato nas enzimas envolvidas na via metabólica. A produção de salidrosina foi alcançada com um título de 2,51 g/L em matraz, após 144 h de indução, com acumulação de quantidades residuais de tirosol (50 mg/L). Contudo, a otimização do bioprocesso em biorreator não resultou em melhores rendimentos de salidrosina. Os esforços de otimização do meio de cultivo permitiram atingir níveis mais elevados de biomassa, uma vez que houve uma melhoria de 6,4 vezes entre a primeira e a última fermentação, e a redução do tempo de operação. No entanto, a acumulação de salidrosina não melhorou, tendo ainda sido observado um padrão de degradação, cuja causa deve ser explorada no futuro. Em conclusão, o bioprocesso de produção de hidroxitirosol e salidrosina possui ainda etapas que carecem de aperfeiçoamento, tanto a nível operacional, como genético. Este trabalho foi desenvolvido em contexto empresarial na SilicoLife, no âmbito do projeto Horizon2020 SHIKIFACTORY100.

Phenolic compounds are plants secondary metabolites with diverse biological and potential therapeutic activities, including antioxidant and anti-inflammatory. Tyrosol, hydroxytyrosol and salidroside belong to a class of phenolic compounds, phenylethanoids, found in plants such as olive tree, green tea, and the medicinal herb Rhodiola, with antioxidant activity and cardioprotective effects. The traditional methods of extraction from plants are not cost-effective, and chemical synthesis is not commercially viable due to purification problems and a low overall yield. Therefore, the interest in production via biosynthetic pathways in microorganisms has been increasing. The present work aims to optimize the biosynthesis of hydroxytyrosol and salidroside in Escherichia coli, by evaluating the best genetic architecture, composition of the culture media and induction strategies in the production process. Hydroxytyrosol accumulation was assessed with previously engineered E. coli BL21 (DE3) and E. coli JM109 (DE3) strains, and by testing different temperatures and induction concentrations. E. coli BL21 (DE3) was identified as the best producer, leading to 70 mg/L of hydroxytyrosol when supplemented with L-DOPA, an intermediate of hydroxytyrosol synthesis. Attempt to produce hydroxytyrosol from glucose revealed possible feedback or substrate inhibition of the enzymes involved in the metabolic pathway. Salidroside production was achieved up to a titer of 2.51 g/L in shake flasks experiments, after 144 h of induction while accumulating residual amounts of tyrosol (50 mg/L). The bioprocess optimization in bioreactor fermentations did not result in improved salidroside yields. Efforts of medium optimization allowed to reach a 6.4-fold improvement in the biomass levels and the reduction of the operation time. Contrary to what was expected, salidroside accumulation did not follow the biomass improvement and even revealed a pattern of degradation whose cause needs to be further explored. In conclusion, further optimization of the bioprocesses to produce hydroxytyrosol and salidroside is still necessary, both at operational and genetic levels. This work was developed as part of an industrial secondment at SilicoLife and in the scope of the project Horizon2020 SHIKIFACTORY100.