Overcoming bottlenecks for microbial production of the low-caloric sweetener D-allulose from D-glucose by evolutionary engineering

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2026

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Abstract

The low-calorie sugar D-allulose is a promising alternative to D-sucrose and high-fructose corn syrup, but its microbial production from D-glucose at mesophilic temperatures is limited by insufficient D-glucose isomerase (XylA) activity. Here, we overcome this bottleneck by evolving a Corynebacterium glutamicum selection strain whose growth strictly depends on XylA function. This strategy yielded a XylA variant with a nine-fold higher catalytic efficiency, sugar transporter variants (IolT1) with ten-fold increased activity for D-glucose and D-fructose, and hints for co-transport of these sugars by the D-sucrose transporter PtsS. Molecular dynamics simulations provided mechanistic explanations for the adaptive mutations. Combining the evolved enzymes with a suitable D-allulose 3-epimerase in a highly engineered chassis strain enabled whole-cell conversion of D-glucose to D-allulose with a 15% yield at 30 °C. This performance rivals high-temperature immobilized enzyme processes while avoiding enzyme purification and immobilization, offering an alternative for low-calorie sweetener production.

Description

This is molecular dynamics simulation data for the publication: Overcoming bottlenecks for microbial production of the low-caloric sweetener D-allulose from D-glucose by evolutionary engineering Alexander Lehnert, Rocco Gentile, Claudia Tahiraj, Astrid Wirtz, Meike Baumgart, Tino Polen, Holger Gohlke, Michael Bott # Directory Structure NOTE: to decompress the files: 1. identify the specific (sub)archive 2. tar -xvf filename.tar.gz # Archives iolt1_06 and iolt1_09 are splited in iolt1_xx_(1,2,3,4,5) chunks. To regenerate the whole former archive before decompressing: 1. cat iolt1_06_wt_production_01.tar.gz iolt1_06_wt_production_02.tar.gz iolt1_06_wt_production_03.tar.gz iolt1_06_wt_production_04.tar.gz iolt1_06_wt_production_05.tar.gz > iolt1_06_wt_production.tar.gz 2. do the same for iolt1_09_g87s_t351p_production.tar.gz ``` research_data_ncomm_2026 ├── iolt1_01_model_generation │ ├── inw_occ │ ├── inw_open │ ├── out_occ │ └── out_open ├── iolt1_02_wt_preparation_thermalization │ ├── inward_occluded_bff │ │ ├── equi │ │ │ ├── rep1 │ │ │ ├── rep2 │ │ │ ├── rep3 │ │ │ ├── rep4 │ │ │ └── rep5 │ │ ├── mini │ │ └── p-memgen │ ├── inward_occluded_bgp │ │ ├── equi │ │ │ ├── rep1 │ │ │ ├── rep2 │ │ │ ├── rep3 │ │ │ ├── rep4 │ │ │ └── rep5 │ │ ├── mini │ │ └── p-memgen │ ├── inward_open │ │ ├── equi │ │ │ ├── rep1 │ │ │ ├── rep2 │ │ │ ├── rep3 │ │ │ ├── rep4 │ │ │ └── rep5 │ │ ├── mini │ │ └── p-memgen │ ├── outward_occluded_bff │ │ ├── equi │ │ │ ├── rep1 │ │ │ ├── rep2 │ │ │ ├── rep3 │ │ │ ├── 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├── rep2 │ │ ├── rep3 │ │ ├── rep4 │ │ └── rep5 │ ├── outward_occluded_bff │ │ ├── rep1 │ │ ├── rep2 │ │ ├── rep3 │ │ ├── rep4 │ │ └── rep5 │ └── outward_occluded_bgp │ ├── rep1 │ ├── rep2 │ ├── rep3 │ ├── rep4 │ └── rep5 ├── iolt1_17_g87s_t351p_MM_PBSA │ ├── inward_occluded_bff │ │ ├── rep1 │ │ ├── rep2 │ │ ├── rep3 │ │ ├── rep4 │ │ └── rep5 │ ├── inward_occluded_bgp │ │ ├── rep1 │ │ ├── rep2 │ │ ├── rep3 │ │ ├── rep4 │ │ └── rep5 │ ├── outward_occluded_bff │ │ ├── rep1 │ │ ├── rep2 │ │ ├── rep3 │ │ ├── rep4 │ │ └── rep5 │ └── outward_occluded_bgp │ ├── rep1 │ ├── rep2 │ ├── rep3 │ ├── rep4 │ └── rep5 ├── ptss_01_model_generation ├── ptss_02_wt_apo_preparation_thermalization │ ├── equi │ │ ├── rep1 │ │ ├── rep2 │ │ ├── rep3 │ │ ├── rep4 │ │ └── rep5 │ ├── mini │ └── p-memgen ├── ptss_03_wt_bgp_preparation_thermalization │ ├── equi │ │ ├── rep1 │ │ ├── rep2 │ │ ├── rep3 │ │ ├── rep4 │ │ └── rep5 │ ├── mini │ └── p-memgen ├── ptss_04_wt_bff_preparation_thermalization │ ├── equi │ │ ├── rep1 │ │ ├── rep2 │ │ ├── rep3 │ │ ├── rep4 │ │ └── rep5 │ ├── mini │ └── p-memgen ├── ptss_05_wt_bgp_bff_preparation_thermalization │ ├── equi │ │ ├── rep1 │ │ ├── rep2 │ │ ├── rep3 │ │ ├── rep4 │ │ └── rep5 │ ├── mini │ └── p-memgen ├── ptss_06_wt_suc_preparation_thermalization │ ├── equi │ │ ├── rep1 │ │ ├── rep2 │ │ ├── rep3 │ │ ├── rep4 │ │ └── rep5 │ ├── mini │ └── p-memgen ├── ptss_07_a129g_apo_preparation_thermalization │ ├── equi │ │ ├── rep1 │ │ ├── rep2 │ │ ├── rep3 │ │ ├── rep4 │ │ └── rep5 │ ├── foldx │ │ └── molecules │ ├── mini │ └── p-memgen ├── ptss_08_a129g_bgp_preparation_thermalization │ ├── equi │ │ ├── rep1 │ │ ├── rep2 │ │ ├── rep3 │ │ ├── rep4 │ │ └── rep5 │ ├── foldx │ │ └── molecules │ ├── mini │ └── p-memgen ├── ptss_09_a129g_bff_preparation_thermalization │ ├── equi │ │ ├── rep1 │ │ ├── rep2 │ │ ├── rep3 │ │ ├── rep4 │ │ └── rep5 │ ├── foldx │ │ └── molecules │ ├── mini │ └── p-memgen ├── ptss_10_a129g_bgp_bff_preparation_thermalization │ ├── equi │ │ ├── rep1 │ │ ├── rep2 │ │ ├── rep3 │ │ ├── rep4 │ │ └── rep5 │ ├── foldx │ │ └── molecules │ ├── mini │ └── p-memgen ├── ptss_11_a129g_suc_preparation_thermalization │ ├── equi │ │ ├── rep1 │ │ ├── rep2 │ │ ├── rep3 │ │ ├── rep4 │ │ └── rep5 │ ├── foldx │ │ └── molecules │ ├── mini │ └── p-memgen ├── ptss_12_wt_apo_production │ ├── rep1 │ ├── rep2 │ ├── rep3 │ ├── rep4 │ └── rep5 ├── ptss_13_wt_bgp_production │ ├── rep1 │ ├── rep2 │ ├── rep3 │ ├── rep4 │ └── rep5 ├── ptss_14_wt_bff_production │ ├── rep1 │ ├── rep2 │ ├── rep3 │ ├── rep4 │ └── rep5 ├── ptss_15_wt_bgp_bff_production │ ├── rep1 │ ├── rep2 │ ├── rep3 │ ├── rep4 │ └── rep5 ├── ptss_16_wt_suc_production │ ├── rep1 │ ├── rep2 │ ├── rep3 │ ├── rep4 │ └── rep5 ├── ptss_17_a129g_apo_production │ ├── rep1 │ ├── rep2 │ ├── rep3 │ ├── rep4 │ └── rep5 ├── ptss_18_a129g_bgp_production │ ├── rep1 │ ├── rep2 │ ├── rep3 │ ├── rep4 │ └── rep5 ├── ptss_19_a129g_bff_production │ ├── rep1 │ ├── rep2 │ ├── rep3 │ ├── rep4 │ └── rep5 ├── ptss_20_a129g_bgp_bff_production │ ├── rep1 │ ├── rep2 │ ├── rep3 │ ├── rep4 │ └── rep5 ├── ptss_21_a129g_suc_production │ ├── rep1 │ ├── rep2 │ ├── rep3 │ ├── rep4 │ └── rep5 ├── ptss_22_caver_analysis │ ├── monomer1 │ │ ├── a129g │ │ │ └── caver_out │ │ │ ├── analysis │ │ │ │ ├── bottleneck_heat_maps │ │ │ │ ├── histograms │ │ │ │ └── profile_heat_maps │ │ │ │ ├── average_images │ │ │ │ └── csv │ │ │ │ └── average_csv │ │ │ ├── data │ │ │ │ ├── cluster_radii │ │ │ │ ├── clusters │ │ │ │ ├── clusters_timeless │ │ │ │ └── tunnels │ │ │ ├── pymol │ │ │ │ └── modules │ │ │ └── vmd │ │ │ └── scripts │ │ └── wt │ │ └── caver_out │ │ ├── analysis │ │ │ ├── bottleneck_heat_maps │ │ │ ├── histograms │ │ │ └── profile_heat_maps │ │ │ ├── average_images │ │ │ └── csv │ │ │ └── average_csv │ │ ├── data │ │ │ ├── cluster_radii │ │ │ ├── clusters │ │ │ ├── clusters_timeless │ │ │ └── tunnels │ │ ├── pymol │ │ │ └── modules │ │ └── vmd │ │ └── scripts │ └── monomer2 │ ├── a129g │ │ └── caver_out │ │ ├── analysis │ │ │ ├── bottleneck_heat_maps │ │ │ ├── histograms │ │ │ └── profile_heat_maps │ │ │ ├── average_images │ │ │ └── csv │ │ │ └── average_csv │ │ ├── data │ │ │ ├── cluster_radii │ │ │ ├── clusters │ │ │ ├── clusters_timeless │ │ │ └── tunnels │ │ ├── pymol │ │ │ └── modules │ │ └── vmd │ │ └── scripts │ └── wt │ └── caver_out │ ├── analysis │ │ ├── bottleneck_heat_maps │ │ ├── histograms │ │ └── profile_heat_maps │ │ ├── average_images │ │ └── csv │ │ └── average_csv │ ├── data │ │ ├── cluster_radii │ │ ├── clusters │ │ ├── clusters_timeless │ │ └── tunnels │ ├── pymol │ │ └── modules │ └── vmd │ └── scripts ├── ptss_23_MM_PBSA │ ├── a129g_BFF_MM_PBSA │ ├── a129g_BGP_BFF_MM_PBSA │ ├── a129g_BGP_MM_PBSA │ ├── a129g_SUC_MM_PBSA │ ├── wt_BFF_MM_PBSA │ ├── wt_BGP_BFF_MM_PBSA │ ├── wt_BGP_MM_PBSA │ └── wt_SUC_MM_PBSA ├── xyla_01_model_generation ├── xyla_02_wt_preparation_thermalization │ ├── equi │ │ ├── rep1 │ │ ├── rep2 │ │ ├── rep3 │ │ ├── rep4 │ │ └── rep5 │ ├── mini │ └── p-memgen ├── xyla_03_w147s_preparation_thermalization │ ├── equi │ │ ├── rep1 │ │ ├── rep2 │ │ ├── rep3 │ │ ├── rep4 │ │ └── rep5 │ ├── foldx │ │ └── molecules │ ├── mini │ └── p-memgen ├── xyla_04_g15a_w147s_preparation_thermalization │ ├── equi │ │ ├── rep1 │ │ ├── rep2 │ │ ├── rep3 │ │ ├── rep4 │ │ └── rep5 │ ├── foldx │ │ └── molecules │ ├── mini │ └── p-memgen ├── xyla_05_wt_production │ ├── rep1 │ ├── rep2 │ ├── rep3 │ ├── rep4 │ └── rep5 ├── xyla_06_w147s_production │ ├── rep1 │ ├── rep2 │ ├── rep3 │ ├── rep4 │ └── rep5 ├── xyla_07_g15a_w147s_production │ ├── rep1 │ ├── rep2 │ ├── rep3 │ ├── rep4 │ └── rep5 └── xyla_08_MM_PBSA ├── g15a_w147s_MM_PBSA ├── w147s_MM_PBSA └── wt_MM_PBSA ```

Keywords

Molecular dynamics simulations, sugar uptake, transporter

Citation

URI

https://researchdata.hhu.de/handle/entry/205
 https://doi.org/10.25838/d5p-88

Collections

Computational Pharmaceutical Chemistry and Molecular Informatics Group