Despite intensive study for 50 years, the biochemical and genetic links between lysine metabolism and central metabolism in Pseudomonas putida remain unresolved. To establish these biochemical links we leveraged Random Barcode Transposon Sequencing (RB-TnSeq), a genome-wide assay measuring the fitness of thousands of genes in parallel, to identify multiple novel enzymes in both L- and D-lysine metabolism. We first describe three pathway enzymes that catabolize L-2-aminoadipate (L-2AA) to 2-ketoglutarate (2KG), connecting D-lysine to the TCA cycle. One of these enzymes, PP_5260, contains a DUF1338 domain, a family with no previously described biological function. Our work also identified the recently described CoA independent route of L-lysine degradation that metabolizes to succinate. We expanded on previous findings by demonstrating that glutarate hydroxylase CsiD is promiscuous in its 2-oxoacid selectivity. Proteomics of select pathway enzymes revealed that expression of catabolic genes is highly sensitive to particular pathway metabolites, implying intensive local and global regulation. This work demonstrates the utility of RB-TnSeq for discovering novel metabolic pathways in even well-studied bacteria, as well as a powerful tool for validating previous research.

A significant bottleneck in synthetic biology involves screening large genetically encoded libraries for desirable phenotypes such as chemical production. However, transcription factor-based biosensors can be leveraged to screen thousands of genetic designs for optimal chemical production in engineered microbes. In this study we characterize two glutarate sensing transcription factors (CsiR and GcdR) from Pseudomonas putida . The genomic contexts of csiR homologs were analyzed and their DNA binding sites were bioinformatically predicted. Both CsiR and GcdR were purified and shown to bind upstream of their coding sequencing in vitro . CsiR was shown to dissociate from DNA in vitro when exogenous glutarate was added, confirming that it acts as a genetic repressor. Both transcription factors and cognate promoters were then cloned into broad host range vectors to create two glutarate biosensors. Their respective sensing performance features were characterized, and more sensitive derivatives of the GcdR biosensor were created by manipulating the expression of the transcription factor. Sensor vectors were then reintroduced into P. putida and evaluated for their ability to respond to glutarate and various lysine metabolites. Additionally, we developed a novel mathematical approach to describe the usable range of detection for genetically encoded biosensors, which may be broadly useful in future efforts to better characterize biosensor performance.

Terminal alkenes are easily derivatized, making them desirable functional group targets for polyketide synthase (PKS) engineering. However, they are rarely encountered in natural PKS systems. One mechanism for terminal alkene formation in PKSs is through the activity of an acyl-CoA dehydrogenase (ACAD). Herein, we use biochemical and structural analysis to understand the mechanism of terminal alkene formation catalyzed by an γ,δ-ACAD from the biosynthesis of the polyketide natural product FK506, TcsD. While TcsD is homologous to canonical α,β-ACADs, it acts regioselectively at the γ,δ-position and only on α,β-unsaturated substrates. Furthermore, this regioselectivity is controlled by a combination of bulky residues in the active site and a lateral shift in the positioning of the FAD cofactor within the enzyme. Substrate modeling suggests that TcsD utilizes a novel set of hydrogen bond donors for substrate activation and positioning, preventing dehydrogenation at the α,β position of substrates. From the structural and biochemical characterization of TcsD, key residues that contribute to regioselectivity and are unique to the protein family were determined and used to identify other putative γ,δ-ACADs that belong to diverse natural product biosynthetic gene clusters. These predictions are supported by the demonstration that a phylogenetically distant homolog of TcsD also regioselectively oxidizes α,β-unsaturated substrates. This work exemplifies a powerful approach to understand unique enzymatic reactions and will facilitate future enzyme discovery, inform enzyme engineering, and aid natural product characterization efforts.

ABSTRACT With its ability to catabolize a wide variety of carbon sources and a growing engineering toolkit, Pseudomonas putida KT2440 is emerging as an important chassis organism for metabolic engineering. Despite advances in our understanding of this organism, many gaps remain in our knowledge of the genetic basis of its metabolic capabilities. These gaps are particularly noticeable in our understanding of both fatty acid and alcohol catabolism, where many paralogs putatively coding for similar enzymes co-exist making biochemical assignment via sequence homology difficult. To rapidly assign function to the enzymes responsible for these metabolisms, we leveraged Random Barcode Transposon Sequencing (RB-TnSeq). Global fitness analyses of transposon libraries grown on 13 fatty acids and 10 alcohols produced strong phenotypes for hundreds of genes. Fitness data from mutant pools grown on varying chain length fatty acids indicated specific enzyme substrate preferences, and enabled us to hypothesize that DUF1302/DUF1329 family proteins potentially function as esterases. From the data we also postulate catabolic routes for the two biogasoline molecules isoprenol and isopentanol, which are catabolized via leucine metabolism after initial oxidation and activation with CoA. Because fatty acids and alcohols may serve as both feedstocks or final products of metabolic engineering efforts, the fitness data presented here will help guide future genomic modifications towards higher titers, rates, and yields. IMPORTANCE To engineer novel metabolic pathways into P. putida , a comprehensive understanding of the genetic basis of its versatile metabolism is essential. Here we provide functional evidence for the putative roles of hundreds of genes involved in the fatty acid and alcohol metabolism of this bacterium. These data provide a framework facilitating precise genetic changes to prevent product degradation and channel the flux of specific pathway intermediates as desired.