Systematic engineering of phytochelatin synthesis and arsenic transport for enhanced arsenic accumulation in E. coli

Abstract

Phytochelatin (PC) is a naturally occurring peptide with high affinity towards arsenic (As). In this article, we demonstrated the systematic engineering of PC-producing E. coli for As accumulation by addressing different bottlenecks in PC synthesis as well as As transport. Phytochelatin synthase from Schizosaccharomyces pombe (SpPCS) was expressed in E. coli resulting in 18 times higher As accumulation. PC production was further increased by co-expressing a feedback desensitized gamma-glutamylcysteine synthetase (GshI*), resulting in 30-fold higher PC levels and additional 2-fold higher As accumulation. The significantly increased PC levels were exploited further by co-expressing an arsenic transporter GlpF, leading to an additional 1.5-fold higher As accumulation. These engineering steps were finally combined in an arsenic efflux deletion E. coli strain to achieve an arsenic accumulation level of 16.8 micromol/g DCW, a 80-fold improvement when compared to a control strain not producing phytochelatins.

Enhanced cadmium resistance and accumulation inPseudomonas putidaKT2440 expressing the phytochelatin synthase gene ofSchizosaccharomyces pombe

“…Phytochelatins from various species have high binding affinities to Cd, Cu and metalloid As (Singh et al . ). PCs are synthesized post‐translationally by PCS .…”

Implicación de las arsenito permeasas y arseniato reductasas de "Corynebacterium glutamicum" en los procesos biológicos de desintoxicación de arsénico = Role of arsenite permeases and arsenate reductases of "Corynebacterium glutamicum" in the biological mechanisms of arsenic detoxification

“…Microorganismos como E. coli o S. cerevisiae modificados geneticamente con capacidad de producir péptidos de unión a metales, como las PCs de A. thaliana, S. pombe o Nicotiana tabacum, han sido utilizados para este propósito con diferentes grados de éxito (Sauge-Merle et al, 2003;Singh et al, 2008a;Singh et al, 2010). Recientemente se ha realizado la expresión del gen que codifica para la PCS de S. pombe en una cepa de E. coli carente de la bomba de salida de As(III).…”

“…En ese mutante también se sobreexpresó la enzima γglutamilcisteina sintetasa (GshI) de E. coli y el transportador de As(III) EcGlpF . La cepa resultante es capaz de acumular 16,8 µmol de As por gramo de peso seco, 80 veces más la cantidad de As que la cepa sin PCs (Singh et al, 2010).…”

“…Métodos físicos como la coprecipitación o coagulación, son considerados demasiado caros, poco prácticos a la hora de aplicarlos a gran escala, ineficaces para distinguir formas de As no cargadas en condiciones fisiológicas como el As(III) apartado 1.5.2. de esta Introducción). Diferentes investigaciones han demostrado que cepas de E. coli o S. cerevisiae con capacidad de producir PCs de N. tabacum, A. thaliana o S. pombe acumulan grandes cantidades de As con diferente grado de éxito y han sido utilizadas en procesos de biorremediación de As (Singh et al, 2008a;Singh et al, 2008b;Singh et al, 2010).…”

“…Se han desarrollado diferentes estrategias en bacterias para aumentar la acumulación de As(III), como la sobreexpresión de metalotioneinas o fitoquelatinas (Singh et al, 2008a;Singh et al, 2010), sin embargo, la utilización de secuestradores intracelulares con capacidad quelante de As(V) no han sido suficientemente investigados. La especie C. glutamicum presenta la capacidad de sintetizar gránulos de polifosfato inorgánicos (gránulos de volutina) mediante la acción de las enzimas polifosfato kinasas (CgPPKs), existiendo dos en C.…”