Acta NaturaeActa NaturaeActa Naturae2075-8251Acta Naturae Ltd1115310.32607/actanaturae.10966ReviewsОбзорыReview ArticleHeterologous Metabolic Pathways: Strategies for Optimal Expression in Eukaryotic HostsГетерологические метаболические пути: стратегии оптимизации экспрессии в эукариотических хозяевахMarkinaN. M.МаркинаН. М.
Russian Federation
altsarkova@gmail.comKotlobayA. A.КотлобайА. А.
Russian Federation
altsarkova@gmail.comTsarkovaA. S.ЦарьковаА. С.
Russian Federation
altsarkova@gmail.comShemyakin-Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry of the Russian Academy of SciencesИнститут биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАНPlanta LLCООО «Планта»Shemyakin-Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry of the Russian Academy of Sciences, MoscowИнститут биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАНPirogov Russian National Research Medical UniversityРоссийский национальный исследовательский медицинский университет им. Н.И. Пирогова07082020122283906082020Copyright ©; 2020, Markina N.M., Kotlobay A.A., Tsarkova A.S.Copyright ©; 2020, Маркина Н.М., Котлобай А.А., Царькова А.С.2020Markina N.M., Kotlobay A.A., Tsarkova A.S.Маркина Н.М., Котлобай А.А., Царькова А.С.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://actanaturae.ru/2075-8251/article/view/11153

Heterologous pathways are linked series of biochemical reactions occurring in a host organism after the introduction of foreign genes. Incorporation of metabolic pathways into host organisms is a major strategy used to increase the production of valuable secondary metabolites. Unfortunately, simple introduction of the pathway genes into the heterologous host in most cases does not result in successful heterologous expression. Extensive modification of heterologous genes and the corresponding enzymes on many different levels is required to achieve high target metabolite production rates. This review summarizes the essential techniques used to create heterologous biochemical pathways, with a focus on the key challenges arising in the process and the major strategies for overcoming them.

Гетерологические метаболические пути представляют собой цепочки биохимических превращений, происходящие в организме после введения в него чужеродных генов. Перенос гетерологических метаболических путей в модельные организмы является одной из основных стратегий получения важных вторичных метаболитов, но, к сожалению, в большинстве случаев простого введения генов гетерологического пути недостаточно для их успешной экспрессии. Зачастую для достижения высокого выхода продукта необходимы обширные изменения в работе гетерологических генов и соответствующих ферментов. В данном обзоре мы рассмотрим основные технологии введения гетерологических путей и подробнее остановимся на основных возникающих при этом проблемах и стратегиях их преодоления.

Metabolic pathwaysheterologous expressionsecondary metabolitesметаболические путигетерологическая экспрессиявторичные метаболитыРоссийский научный фондRussian Science Foundation17-14-01169 PМинобрнауки России НШScientific Schools NSh2605.2020.4Kotlobay A.A., Sarkisyan K.S., Mokrushina Y.A., Marcet-Houben M., Serebrovskaya E.O., Markina N.M., Gonzalez Somermeyer L., Gorokhovatsky A.Y., Vvedensky A., Purtov K. V., et al. // Proc. Natl. Acad. Sci. 2018. V. 115. № 50. P. 12728–12732.Kotlobay A.A., Sarkisyan K.S., Mokrushina Y.A., Marcet-Houben M., Serebrovskaya E.O., Markina N.M., Gonzalez Somermeyer L., Gorokhovatsky A.Y., Vvedensky A., Purtov K.V., et al. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2018. V. 115. № 50. P. 12728–12732.Mitiouchkina T., Mishin A.S., Somermeyer L.G., Markina N.M., Chepurnyh T. V, Guglya E.B., Karataeva T.A., Palkina K.A., Shakhova E.S., Fakhranurova L.I., et al. // Nat. Biotechnol. 2020. P. 10.1038/s41587-020-0500–9.Mitiouchkina T., Mishin A.S., Somermeyer L.G., Markina N.M., Chepurnyh T.V., Guglya E.B., Karataeva T.A., Palkina K.A., Shakhova E.S., Fakhranurova L.I., et al. // Nat. Biotechnol. 2020. P. 10.1038/s41587-020-0500–9.Torres N. V., Voit E.O. Pathway Analysis and Optimization in Metabolic Engineering. // Cambridge University Press. 2002.Torres N.V., Voit E.O. Pathway analysis and optimization in metabolic engineering. Cambridge: Cambridge Univ. Press, 2002. P. 42–74.Ongley S.E., Bian X., Neilan B.A., Müller R. // Nat. Prod. Rep. 2013. V. 30. № 8. P. 1121–1138.Trantas E., Panopoulos N., Ververidis F. // Metab. Eng. 2009. V. 11. № 6. P. 355–366.Siddiqui M.S., Thodey K., Trenchard I., Smolke C.D. // FEMS Yeast Res. 2012. V. 12. № 2. P. 144–170.Galanie S., Thodey K., Trenchard I.J., Interrante M.F., Smolke C.D. // Science. 2015. V. 349. № 6252. P. 1095–1100.Nakagawa A., Matsumura E., Koyanagi T., Katayama T., Kawano N., Yoshimatsu K., Yamamoto K., Kumagai H., Sato F., Minami H. // Nat. Commun. 2016. V. 7. P. 10390.Weaver L.J., Sousa M.M.L., Wang G., Baidoo E., Petzold C.J., Keasling J.D. // Biotechnol. Bioeng. 2015. V. 112. № 1. P. 111–119.Peña D.A., Gasser B., Zanghellini J., Steiger M.G., Mattanovich D. // Metab. Eng. 2018. V. 50. P. 2–15.Ye R., Huang M., Lu H., Qian J., Lin W., Chu J., Zhuang Y., Zhang S. // Bioresour. Bioprocess. 2017. V. 4. № 1. P. 22.Chatsurachai S., Furusawa C., Shimizu H. // BMC Bioinformatics. 2012. V. 13. № 1. P. 93.Campodonico M.A., Andrews B.A., Asenjo J.A., Palsson B.O., Feist A.M. // Metab. Eng. 2014. V. 25. P. 140–158.Moriya Y., Shigemizu D., Hattori M., Tokimatsu T., Kotera M., Goto S., Kanehisa M. // Nucleic Acids Res. 2010. V. 38. P. W138–W143.Moriya Y., Shigemizu D., Hattori M., Tokimatsu T., Kotera M., Goto S., Kanehisa M. // Nucl. Acids Res. 2010. V. 38. P. W138–W143.Delépine B., Duigou T., Carbonell P., Faulon J.L. // Metab. Eng. 2018. V. 45. P. 158–170.Orth J.D., Thiele I., Palsson B.O. // Nat. Biotechnol. 2010. V. 28. № 3. P. 245–248.Chatsurachai S., Furusawa C., Shimizu H. // J. Biosci. Bioeng. 2013. V. 116. № 4. P. 524–527.Liu F., Vilaça P., Rocha I., Rocha M. // Comput. Methods Programs Biomed. 2015. V. 118. № 2. P. 134–146.Zhang H., Boghigian B.A., Armando J., Pfeifer B.A. // Nat. Prod. Rep. 2011. V. 28. № 1. P. 125–151.Ningyan Z., An Z. In: Manual of Industrial Microbiology and Biotechnology, Third Edition. // American Society of Microbiology. 2014. P. 145–156.Ningyan Z., An Z. Manual of industrial microbiology and biotechnology. 3rd Ed. Washington, DC: American Society of Microbiology, 2014. Р. 145–156.Stevens D.C., Conway K.R., Pearce N., Villegas-Peñaranda L.R., Garza A.G., Boddy C.N. // PLoS One. 2013. V. 8. № 5. P. e64858.Lazarus C.M., Williams K., Bailey A.M. // Nat. Prod. Rep. 2014. V. 31. № 10. P. 1339–1347.Alberti F., Foster G.D., Bailey A.M. // Appl. Microbiol. Biotechnol. 2017. V. 101. № 2. P. 493–500.Rodriguez E., Menzella H.G., Gramajo H. // Methods Enzymol. 2009. V. 459. № B. P. 339–365.Yang Z., Zhang Z. // Biotechnol. Adv. 2018. V. 36. P. 182–195.Vogl T., Glieder A. // N. Biotechnol. 2013. V. 30. № 4. P. 385–404.Zahrl R.J., Peña D.A., Mattanovich D., Gasser B. // FEMS Yeast Res. 2017. V. 17. № 7. P. fox068.Schreiber C., Müller H., Birrenbach O., Klein M., Heerd D., Weidner T., Salzig D., Czermak P. // Microb. Cell Fact. 2017. V. 16. № 1. P. 29.Vogl T., Ahmad M., Krainer F.W., Schwab H., Glieder A. // Microb. Cell Fact. 2015. V. 14. № 1. P. 103.Hartner F.S., Glieder A. // Microb. Cell Fact. 2006. V. 5. P. 39–59.Madzak C. // Appl. Microbiol. Biotechnol. 2015. V. 99. № 11. P. 4559–4577.Quin M.B., Schmidt-Dannert C. // Curr. Opin. Biotechnol. 2014. V. 29. № 1. P. 55–61.Alberti F., Khairudin K., Venegas E.R., Davies J.A., Hayes P.M., Willis C.L., Bailey A.M., Foster G.D. // Nat. Commun. 2017. V. 8. P. 1831.Yaegashi J., Oakley B.R., Wang C.C.C. // J. Ind. Microbiol. Biotechnol. 2014. V. 41. № 2. P. 433–442.Sakai K., Kinoshita H., Shimizu T., Nihira T. // J. Biosci. Bioeng. 2008. V. 106. № 5. P. 466–472.Anyaogu D.C., Mortensen U.H. // Front. Microbiol. 2015. V. 6. P. 77.Jeandet P., Delaunois B., Aziz A., Donnez D., Vasserot Y., Cordelier S., Courot E. // J. Biomed. Biotechnol. 2012. V. 2–3. P. 579089.Ikram N.K.B.K., Zhan X., Pan X.W., King B.C., Simonsen H.T. // Front. Plant Sci. 2015. V. 6. P. 129.Li L., Zhao J., Zhao Y., Lu X., Zhou Z., Zhao C., Xu G. // Sci. Rep. 2016. V. 6. № 1. P. 1–10.Farré G., Blancquaert D., Capell T., Van Der Straeten D., Christou P., Zhu C. // Annu. Rev. Plant Biol. 2014. V. 65. № 1. P. 187–223.Farré G., Blancquaert D., Capell T., van der Straeten D., Christou P., Zhu C. // Annu. Rev. Plant Biol. 2014. V. 65. № 1. P. 187–223.Lohr M., Schwender J., Polle J.E.W. // Plant Sci. 2012. V. 185–186. P. 9–22.Gnanasekaran T., Vavitsas K., Andersen-Ranberg J., Nielsen A.Z., Olsen C.E., Hamberger B., Jensen P.E. // J. Biol. Eng. 2015. V. 9. P. 24–33.Bock R. // Annu. Rev. Plant Biol. 2015. V. 66. № 1. P. 211–241.Mortimer C.L., Dugdale B., Dale J.L. // Curr. Opin. Biotechnol. 2015. V. 32. P. 85–92.Cohen S.N. // Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2013. V. 110. № 39. P. 15521–15529.Cohen S.N. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2013. V. 110. № 39. P. 15521–15529.Kado C.I. In: Plasmids: Biology and Impact in Biotechnology and Discovery. // 2014. P. 3–14.Kado C.I. Plasmids: Biology and impact in biotechnology and discovery. Washington, DC: American Society of Microbiology, 2014. P. 3–11.Lee M.E., DeLoache W.C., Cervantes B., Dueber J.E. // ACS Synth. Biol. 2015. V. 4. № 9. P. 975–986.Wang Y., Pfeifer B.A. // Metab. Eng. 2008. V. 10. № 1. P. 33–38.Fu J., Wenzel S.C., Perlova O., Wang J., Gross F., Tang Z., Yin Y., Stewart A.F., Müller R., Zhang Y. // Nucleic Acids Res. 2008. V. 36. № 17. P. e113.Fu J., Wenzel S.C., Perlova O., Wang J., Gross F., Tang Z., Yin Y., Stewart A.F., Müller R., Zhang Y. // Nucl. Acids Res. 2008. V. 36. № 17. P. e113.Kapusi E., Kempe K., Rubtsova M., Kumlehn J., Gils M. // PLoS One. 2012. V. 7. № 9. P. e45353.Snoeck N., De Mol M.L., Van Herpe D., Goormans A., Maryns I., Coussement P., Peters G., Beauprez J., De Maeseneire S.L., Soetaert W. // Biotechnol. Bioeng. 2019. V. 116. № 2. P. 364–374.Snoeck N., De Mol M.L., van Herpe D., Goormans A., Maryns I., Coussement P., Peters G., Beauprez J., De Maeseneire S.L., Soetaert W. // Biotechnol. Bioeng. 2019. V. 116. № 2. P. 364–374.Luo Y., Enghiad B., Zhao H. // Nat. Prod. Rep. 2016. V. 33. № 2. P. 174–182.Xu Z., Lee N.C.O., Dafhnis-Calas F., Malla S., Smith M.C.M., Brown W.R.A. // Nucleic Acids Res. 2008. V. 36. № 1. P. e9.Xu Z., Lee N.C.O., Dafhnis-Calas F., Malla S., Smith M.C.M., Brown W.R.A. // Nucl. Acids Res. 2008. V. 36. № 1. P. e9.Lee N.C.O., Kim J.H., Petrov N.S., Lee H.S., Masumoto H., Earnshaw W.C., Larionov V., Kouprina N. // ACS Synth. Biol. 2018. V. 7. № 1. P. 63–74.Luo Y., Li B.Z., Liu D., Zhang L., Chen Y., Jia B., Zeng B.X., Zhao H., Yuan Y.J. // Chem. Soc. Rev. 2015. V. 44. № 15. P. 5265–5290.Rodrigues J.L., Prather K.L.J., Kluskens L.D., Rodrigues L.R. // Microbiol. Mol. Biol. Rev. 2015. V. 79. № 1. P. 39–60.Winkler J., Reyes L.H., Kao K.C. // Methods Mol. Biol. 2013. V. 985. P. 211–222.Reyes L.H., Kao K.C. In: Methods in Molecular Biology. // Humana Press Inc. 2018. P. 319–330.Reyes L.H., Kao K.C. // Methods in Molecular Biology. 2018. V. 1671. P. 319–330.Amiri P., Shahpiri A., Asadollahi M.A., Momenbeik F., Partow S. // Biotechnol. Lett. 2016. V. 38. № 3. P. 503–508.Ryan K.L., Moore C.T., Panaccione D.G. // Toxins (Basel). 2013. V. 5. № 2. P. 445–455.Montiel D., Kang H.S., Chang F.Y., Charlop-Powers Z., Brady S.F. // Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2015. V. 112. № 29. P. 8953–8958.Montiel D., Kang H.S., Chang F.Y., Charlop-Powers Z., Brady S.F. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2015. V. 112. № 29. P. 8953–8958.Chiang Y.M., Oakley C.E., Ahuja M., Entwistle R., Schultz A., Chang S.L., Sung C.T., Wang C.C.C., Oakley B.R. // J. Am. Chem. Soc. 2013. V. 135. № 20. P. 7720–7731.Kim J.H., Lee S.R., Li L.H., Park H.J., Park J.H., Lee K.Y., Kim M.K., Shin B.A., Choi S.Y. // PLoS One. 2011. V. 6. № 4. P. e18556.François I.E.J.A., De Bolle M.F.C., Dwyer G., Goderis I.J.W.M., Woutors P.F.J., Verhaert P.D., Proost P., Schaaper W.M.M., Cammue B.P.A., Broekaert W.F. // Plant Physiol. 2002. V. 128. № 4. P. 1346–1358.Zhang B., Rapolu M., Liang Z., Han Z., Williams P.G., Su W.W. // Sci. Rep. 2015. V. 5. P. 8541.Kapust R.B., Waugh D.S. // Protein Expr. Purif. 2000. V. 19. № 2. P. 312–318.Geib E., Brock M. // Fungal Biol. Biotechnol. 2017. V. 4. № 1. P. 13–24.Hawkins K.M., Smolke C.D. // Nat. Chem. Biol. 2008. V. 4. № 9. P. 564–573.Du J., Yuan Y., Si T., Lian J., Zhao H. // Nucleic Acids Res. 2012. V. 40. № 18. P. e142.Du J., Yuan Y., Si T., Lian J., Zhao H. // Nucl. Acids Res. 2012. V. 40. № 18. P. e142.Yuan Y., Du J., Zhao H. // Methods Mol. Biol. 2013. V. 985. P. 177–209.Gibson D.G., Young L., Chuang R.Y., Venter J.C., Hutchison C.A., Smith H.O. // Nat. Methods. 2009. V. 6. № 5. P. 343–345.Iverson S. V., Haddock T.L., Beal J., Densmore D.M. // ACS Synth. Biol. 2016. V. 5. № 1. P. 99–103.Iverson S.V., Haddock T.L., Beal J., Densmore D.M. // ACS Synth. Biol. 2016. V. 5. № 1. P. 99–103.Weber E., Engler C., Gruetzner R., Werner S., Marillonnet S. // PLoS One. 2011. V. 6. № 2. P. e16765.Engler C., Youles M., Gruetzner R., Ehnert T.M., Werner S., Jones J.D.G., Patron N.J., Marillonnet S. // ACS Synth. Biol. 2014. V. 3. № 11. P. 839–843.https://eu.idtdna.com/pages/products/custom-dna-rna/large-scale-synthesishttps://www.twistbioscience.com/Lussier F.X., Colatriano D., Wiltshire Z., Page J.E., Martin V.J.J. // Comput. Struct. Biotechnol. J. 2012. V. 3. № 4. P. e201210020.Plotkin J.B., Kudla G. // Nat. Rev. Genet. 2011. V. 12. P. 32–42.Kwon K.C., Chan H.T., León I.R., Williams-Carrier R., Barkan A., Daniell H. // Plant Physiol. 2016. V. 172. P. 62–77.Athey J., Alexaki A., Osipova E., Rostovtsev A., Santana-Quintero L. V., Katneni U., Simonyan V., Kimchi-Sarfaty C. // BMC Bioinformatics. 2017. V. 18. № 1. P. 391–400.Athey J., Alexaki A., Osipova E., Rostovtsev A., Santana-Quintero L.V., Katneni U., Simonyan V., Kimchi-Sarfaty C. // BMC Bioinformatics. 2017. V. 18. № 1. P. 391–400.https://www.benchling.com/Otto M., Teixeira P.G., Vizcaino M.I., David F., Siewers V. // Microb. Cell Fact. 2019. V. 18. № 1. P. 205–221.Gao S., Tong Y., Zhu L., Ge M., Zhang Y., Chen D., Jiang Y., Yang S. // Metab. Eng. 2017. V. 41. P. 192–201.Carlsen S., Ajikumar P.K., Formenti L.R., Zhou K., Phon T.H., Nielsen M.L., Lantz A.E., Kielland-Brandt M.C., Stephanopoulos G. // Appl. Microbiol. Biotechnol. 2013. V. 97. № 13. P. 5753–5769.Rugbjerg P., Naesby M., Mortensen U.H., Frandsen R.J.N. // Microb. Cell Fact. 2013. V. 12. № 1. P. 31–39.Avalos J.L., Fink G.R., Stephanopoulos G. // Nat. Biotechnol. 2013. V. 31. № 4. P. 335–341.Sha C., Yu X.W., Zhang M., Xu Y. // J. Ind. Microbiol. Biotechnol. 2013. V. 40. № 11. P. 1241–1249.Naqvi S., Zhu C., Farre G., Sandmann G., Capell T., Christou P. // Plant Biotechnol. J. 2011. V. 9. № 3. P. 384–393.Chen Y., Daviet L., Schalk M., Siewers V., Nielsen J. // Metab. Eng. 2013. V. 15. № 1. P. 48–54.Lian J., Si T., Nair N.U., Zhao H. In: Food, Pharmaceutical and Bioengineering Division 2014 - Core Programming Area at the 2014 AIChE Annual Meeting. // AIChE. 2014. P. 750–760.Lian J., Si T., Nair N.U., Zhao H. Food, Pharmaceutical and Bioengineering Division 2014 – Core Programming Area at the 2014 AIChE Annual Meeting. Atlanta, AIChE, 2014. Р. 750–760.Marsafari M., Xu P. // Metab. Eng. Commun. 2020. V. 10. № 1. P. e00121.Lv Y., Marsafari M., Koffas M., Zhou J., Xu P. // ACS Synth. Biol. 2019. V. 8. № 11. P. 2514–2523.de Jong B.W., Shi S., Siewers V., Nielsen J. // Microb. Cell Fact. 2014. V. 13. P. 39–48.Weber H.E., Gottardi M., Brückner C., Oreb M., Boles E., Tripp J. // Appl. Environ. Microbiol. 2017. V. 83. № 10. P. e03472-16.Brown S., Clastre M., Courdavault V., O’Connor S.E. // Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2015. V. 112. № 11. P. 3205–3210.Brown S., Clastre M., Courdavault V., O’Connor S.E. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2015. V. 112. № 11. P. 3205–3210.Ghosh A., Zhao H., Price N.D. // PLoS One. 2011. V. 6. № 11. P. e27316.Si T., Luo Y., Bao Z., Zhao H. // ACS Synth. Biol. 2015. V. 4. № 3. P. 283–291.Miller J.C., Holmes M.C., Wang J., Guschin D.Y., Lee Y.L., Rupniewski I., Beausejour C.M., Waite A.J., Wang N.S., Kim K.A., et al. // Nat. Biotechnol. 2007. V. 25. № 7. P. 778–785.Barbieri E.M., Muir P., Akhuetie-Oni B.O., Yellman C.M., Isaacs F.J. // Cell. 2017. V. 171. № 6. P. 1453–1467.Gassler T., Heistinger L., Mattanovich D., Gasser B., Prielhofer R. In: Methods in Molecular Biology. // Humana Press Inc. 2019. P. 211–225.Gassler T., Heistinger L., Mattanovich D., Gasser B., Prielhofer R. // Methods in Molecular Biology. 2019. V. 1923. P. 211–225.Leynaud-Kieffer L.M.C., Curran S.C., Kim I., Magnuson J.K., Gladden J.M., Baker S.E., Simmons B.A. // PLoS One. 2019. V. 14. № 1. P. e0210243.Tyo K.E.J., Ajikumar P.K., Stephanopoulos G. // Nat. Biotechnol. 2009. V. 27. № 8. P. 760–765.Dymond J.S., Richardson S.M., Coombes C.E., Babatz T., Muller H., Annaluru N., Blake W.J., Schwerzmann J.W., Dai J., Lindstrom D.L., et al. // Nature. 2011. V. 477. № 7365. P. 471–476.Wang Y., Shen Y., Gu Y., Zhu S., Yin Y. // Genomics, Proteomics Bioinforma. 2018. V. 16. P. 10–16.Looser V., Bruhlmann B., Bumbak F., Stenger C., Costa M., Camattari A., Fotiadis D., Kovar K. // Biotechnol. Adv. 2014. V. 33. № 6. P. 1177–1193.Yang Z., Zhang Z. // Biotechnol. Biofuels. 2018. V. 11. № 1. P. 35–50.Gassler T., Sauer M., Gasser B., Egermeier M., Troyer C., Causon T., Hann S., Mattanovich D., Steiger M.G. // Nat. Biotechnol. 2020. V. 38. № 2. P. 210–216.