Polyketide synthase (PKS) engineering is an attractive method to generate new molecules such as commodity, fine and specialty chemicals. A central challenge in PKS design is replacing a partially reductive module with a fully reductive module through a reductive loop exchange, thereby generating a saturated β-carbon. In this work, we sought to establish an engineering strategy for reductive loop exchanges based on chemoinformatics, a field traditionally used in drug discovery. We first introduced a set of donor reductive loops of diverse genetic origin and chemical substrate structures into the first extension module of the lipomycin PKS (LipPKS1). These results demonstrated that chemical similarity between the substrate of the donor loops and recipient LipPKS1 correlated with product titers. Consequently, we identified donor loops with substrates chemically similar to LipPKS1 for further reductive loop exchanges, and we observed a statistically significant correlation with production. Reductive loops with the highest chemical similarity resulted in production of branched, short-chain fatty acids reaching a titer of 165 mg/L in Streptomyces albus J1074. Collectively, our work formulizes a new chemoinformatic paradigm for de novo PKS biosynthesis which may accelerate the production of valuable bioproducts.

Abstract Traditionally engineered to produce novel bioactive molecules, Type I modular polyketide synthases (PKSs) could be engineered as a new biosynthetic platform for the production of de novo fuels, commodity chemicals, and specialty chemicals. Previously, our investigations manipulated the first module of the lipomycin PKS to produce short chain ketones, 3-hydroxy acids, and saturated, branched carboxylic acids. Building upon this work, we have expanded to multi-modular systems by engineering the first two modules of lipomycin to generate unnatural polyketides as potential biofuels and specialty chemicals in Streptomyces albus . First, we produce 20.6 mg/L of the ethyl ketone, 4,6 dimethylheptanone through a reductive loop exchange in LipPKS1 and a ketoreductase knockouts in LipPKS2. We then show that an AT swap in LipPKS1 and a reductive loop exchange in LipPKS2 can produce the potential fragrance 3-isopropyl-6-methyltetrahydropyranone. Highlighting the challenge of maintaining product fidelity, in both bimodular systems we observed side products from premature hydrolysis in the engineered first module and stalled dehydration in reductive loop exchanges. Collectively, our work expands the biological design space and moves the field closer to the production of “designer” biomolecules. Highlights Engineered lipomycin module 1 and module 2 to produce unnatural polyketides as valuable bio-based chemicals A reductive loop swap and ketoreductase knockout used to produce 20 mg/mL of a novel ethyl ketone, a gasoline replacement An acyltransferase swap and reductive loop swap successfully produced δ-lactone, a potential fragrant compound Incomplete reduction and premature hydrolysis observed in engineered modules Graphical abstract