Microbial biosynthesis of plant natural products from simple building blocks is a promising approach toward scalable production and modification of high-value compounds. The pathway for biosynthesis of noscapine, a potential anticancer compound, from canadine was recently elucidated as a 10-gene cluster from opium poppy. Here we demonstrate the de novo production of noscapine in Saccharomyces cerevisiae, through the reconstruction of a biosynthetic pathway comprising over 30 enzymes from plants, bacteria, mammals, and yeast itself, including 7 plant endoplasmic reticulum (ER)-localized enzymes. Optimization directed to tuning expression of pathway enzymes, host endogenous metabolic pathways, and fermentation conditions led to an over 18,000-fold improvement from initial noscapine titers to ∼2.2 mg/L. By feeding modified tyrosine derivatives to the optimized noscapine-producing strain we further demonstrated microbial production of halogenated benzylisoquinoline alkaloids. This work highlights the potential for microbial biosynthetic platforms to support the synthesis of valuable and novel alkaloid compounds, which can advance alkaloid-based drug discovery and development.

Abstract The fast-growing microbe Vibrio natriegens is capable of natural transformation where it draws DNA in from media via an active process under physiological conditions. Using an engineered strain with a genomic copy of the master competence regulator tfoX from Vibrio cholera in combination with a new minimal competence media (MCM) that uses acetate as an energy source, we demonstrate naturally competent cells which are created, transformed, and recovered entirely in the same media, without exchange or addition of new media. Cells are naturally competent to plasmids, recombination with linear DNA, and co-transformation of both to select for scarless and markerless genomic edits. The entire process is simple and inexpensive, requiring no capital equipment for an entirely room temperature process (Zero Capital protocol, 10 4 cfu/ µ g), or just an incubator (High Efficiency protocol, 10 5–6 cfu/ µ g). These cells retain their naturally competent state when frozen and are transformable immediately upon thawing like a typical chemical or electrochemical competent cell. Since the optimized transformation protocol requires only 50 minutes of hands-on time, and V. natriegens grows quickly even on plates, a transformation started at 9 AM yields abundant culturable single colonies by 5 PM. Further, because all stages of transformation occur in the same media, and the process can be arbitrarily scaled in volume, this natural competence strain and media could be ideal for automated directed evolution applications. As a result, naturally competent V. natriegens could compete with E. coli as an excellent chassis for low-cost and highly scalable synthetic biology.

Discovering natural product biosynthetic pathways from medicinal plants is challenging and laborious, largely due to the complexity of the transcriptomics-driven pathway prediction process. Here we developed a novel approach that captures the protein-level connections between enzymes for pathway discovery with improved accuracy. We proved that heterologous protein-protein interaction screening in yeast enabled the efficient discovery of both dynamic plant enzyme complexes and the pathways they organize. This approach discovered complexes and pathways in the monoterpene indole alkaloid metabolism of a medicinal plant, kratom with high success rate. Screening using a strictosidine β-D-glucosidase (MsSGD1) against 19 medium-chain dehydrogenase/reductases (MsMDRs) identified five MsSGD1-MsMDR complexes. Three out of the five interacting MsMDRs were then proven functional, while the remaining 14 non-interacting candidates did not show obvious activities. The work discovered three branched pathways by combining transcriptomics, metabolomics, and heterologous PPI screening and demonstrated a new plant pathway discovery strategy.

Hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) is gaining recognition as an eco-friendly and highly effective algicide for combating cyanobacterial blooms. This study investigates the algicidal potential of H 2 O 2 catalyzed by both inorganic and organic iron. Our findings indicate that inorganic iron (FeSO 4 ) shows minimal catalytic activity on H 2 O 2 under varying light conditions. In contrast, organic iron, specifically the combination of H 2 O 2 , EDTANaFe, and light irradiation, demonstrates significant algicidal effects. The optimal dosages were identified as 10 mg/L for H 2 O 2 and 3 mg/L for Fe 3+ .The limited efficacy of inorganic iron stems from the transformation of Fe 2+ to Fe 3+ ions via the Fenton reaction. Under neutral conditions, Fe 3+ ions precipitate as large-sized goethite, which adheres to the extracellular polymeric substances (EPS) of cyanobacterial cells, thereby hindering H 2 O 2 catalysis and hydroxyl radical (·OH) formation in natural waters. Conversely, the combination of light radiation and organic iron salts greatly enhances the algicidal efficiency of H 2 O 2 . This synergy accelerates H 2 O 2 decomposition and facilitates the production of a substantial amount of OH radicals by altering the Gibbs free energy. Thus, bright and sunny conditions, particularly in the afternoon, are crucial for effectively combating cyanobacterial blooms using Fenton-like reagents. The methodology presented in this study offers a viable solution to global cyanobacteria bloom issues and elucidates the mechanisms driving its efficacy.