헴 생합성 경로의 미토콘드리아 구획화를 통한 효모 내 헴 생산 증대 Enhanced production of heme in Saccharomyces cerevisiae via mitochondrial compartmentalization of the heme biosynthetic pathway원문보기
헴은 식물성 대체육의 맛과 풍미를 향상시켜주는 핵심 소재이다. 헴은 전통적인 방법인 효소적 가수분해에 의해 동물의 혈액에서 추출되지만 동물복지 및 지속가능성을 고려해서 헴을 재조합 효모를 이용해서 대량 생산하고자 했다. Saccharomyces cerevisiae (이하 효모로 지칭함)는 일반적으로 안전한 것으로 인정되는 ...
헴은 식물성 대체육의 맛과 풍미를 향상시켜주는 핵심 소재이다. 헴은 전통적인 방법인 효소적 가수분해에 의해 동물의 혈액에서 추출되지만 동물복지 및 지속가능성을 고려해서 헴을 재조합 효모를 이용해서 대량 생산하고자 했다. Saccharomyces cerevisiae (이하 효모로 지칭함)는 일반적으로 안전한 것으로 인정되는 GRAS (Generally Recognized as Safe) 미생물로 식품산업에서 널리 사용되고 있을 뿐만 아니라 대체육 제품의 감미료인 효모 추출물로도 이용되고 있다. 본 연구에서는 헴 고생산 균주 개발을 위해 헴 생산경로를 조절한 효모를 구축 하였다. 효모에서 헴 생산 경로는 미토콘드리아와 세포질 두곳으로 나뉘어져 있어 생산 효율이 떨어지는 문제가 발생한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 생산경로를 미토콘드리아로 구획화 하여 헴 생산량을 증가시키고자 했다. 효모 내에서 세포질에 존재하는 단백질의 미토콘드리아로 이동하는 것은 단백질의 N-말단에 존재하는 Mitochondria target sequence(MTS)의 존재 유무에 의해 결정된다. 선행 연구에서 보고된 다양한 MTS 서열 중에서 미토콘드리아로의 이동이 효율적인 것으로 밝혀진 MTS 서열을 각각 효모 내 세포질에 존재하는 헴 생합성 경로 관련 4종의 효소인 HEM2, HEM3, HEM4, HEM12의 N-말단에 결합시켰다. 강력한 프로모터인 절단된 HXT7프로모터의 전사 제어 하에 4종의 MTS가 결합된 4개의 헴 생합성 경로 유전자인 HEM2, HEM3, HEM4, HEM12 발현되는 균주인 SKSC369은 72시간에서 4.6 mg/L의 헴 생산량을 나타냈다. 미토콘드리아 구획 없이 동일한 유전자를 과발현 시킨 균주인 SKSC343 비해 헴 함량이 48% 더 높았다. 이는 헴 생합성 경로가 미토콘드리아 한 곳에서 구획화 되어 일어나는 경우 헴 생산 측면에서 효율성이 증가한다는 결과임을 시사한다. 헴의 생합성을 위한 두 가지 주요 경로는 Protoporphyrin-dependent(PPD) 와Coproporphyrin-dependent(CPD) 경로이다. 효모에서는 PPD 경로를 통해 헴을 합성한다. 이전 연구에 따르면 CPD 경로가 PPD 경로에 비해 열역학적으로 더 유리하다는 보고가 있으므로 본 연구에서는 CPD경로를 효모에 도입하고자 하였다. CPD경로를 도입하기 위해 코리네박테리움 글루타미쿰 또는 바실러스 서브틸리스 유래의 hemQ 유전자를 도입하였다. 강력한 프로모터인 GPD 프로모터의 전사 제어 하에 4종의 MTS가 결합된 4개의 헴 생합성 유전자와 MTS가 결합된 코리네박테리움 글루타미쿰 유래의 hemQ 유전자가 함께 발현되는 균주인 SKSC429에서 최대 6.78mg/L 헴 생산량을 나타내었다. CPD 경로가 도입되지 않은 대조군 SKCK339 균주에 비해 65% 더 높은 헴 생산량을 확인하였다. 이는 CPD경로가 효모내 헴 생합성 경로로 유망한 경로임을 알 수 있다. 본 결과를 통해 생명공학적 방법으로 효모를 이용하여 지속가능한 헴 고생산이 가능할 수 있으며 헴 고생산 효모 균주 개발 기술이 대체육 시장에서 활용도가 높을 것임을 시사한다.
헴은 식물성 대체육의 맛과 풍미를 향상시켜주는 핵심 소재이다. 헴은 전통적인 방법인 효소적 가수분해에 의해 동물의 혈액에서 추출되지만 동물복지 및 지속가능성을 고려해서 헴을 재조합 효모를 이용해서 대량 생산하고자 했다. Saccharomyces cerevisiae (이하 효모로 지칭함)는 일반적으로 안전한 것으로 인정되는 GRAS (Generally Recognized as Safe) 미생물로 식품산업에서 널리 사용되고 있을 뿐만 아니라 대체육 제품의 감미료인 효모 추출물로도 이용되고 있다. 본 연구에서는 헴 고생산 균주 개발을 위해 헴 생산경로를 조절한 효모를 구축 하였다. 효모에서 헴 생산 경로는 미토콘드리아와 세포질 두곳으로 나뉘어져 있어 생산 효율이 떨어지는 문제가 발생한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 생산경로를 미토콘드리아로 구획화 하여 헴 생산량을 증가시키고자 했다. 효모 내에서 세포질에 존재하는 단백질의 미토콘드리아로 이동하는 것은 단백질의 N-말단에 존재하는 Mitochondria target sequence(MTS)의 존재 유무에 의해 결정된다. 선행 연구에서 보고된 다양한 MTS 서열 중에서 미토콘드리아로의 이동이 효율적인 것으로 밝혀진 MTS 서열을 각각 효모 내 세포질에 존재하는 헴 생합성 경로 관련 4종의 효소인 HEM2, HEM3, HEM4, HEM12의 N-말단에 결합시켰다. 강력한 프로모터인 절단된 HXT7프로모터의 전사 제어 하에 4종의 MTS가 결합된 4개의 헴 생합성 경로 유전자인 HEM2, HEM3, HEM4, HEM12 발현되는 균주인 SKSC369은 72시간에서 4.6 mg/L의 헴 생산량을 나타냈다. 미토콘드리아 구획 없이 동일한 유전자를 과발현 시킨 균주인 SKSC343 비해 헴 함량이 48% 더 높았다. 이는 헴 생합성 경로가 미토콘드리아 한 곳에서 구획화 되어 일어나는 경우 헴 생산 측면에서 효율성이 증가한다는 결과임을 시사한다. 헴의 생합성을 위한 두 가지 주요 경로는 Protoporphyrin-dependent(PPD) 와Coproporphyrin-dependent(CPD) 경로이다. 효모에서는 PPD 경로를 통해 헴을 합성한다. 이전 연구에 따르면 CPD 경로가 PPD 경로에 비해 열역학적으로 더 유리하다는 보고가 있으므로 본 연구에서는 CPD경로를 효모에 도입하고자 하였다. CPD경로를 도입하기 위해 코리네박테리움 글루타미쿰 또는 바실러스 서브틸리스 유래의 hemQ 유전자를 도입하였다. 강력한 프로모터인 GPD 프로모터의 전사 제어 하에 4종의 MTS가 결합된 4개의 헴 생합성 유전자와 MTS가 결합된 코리네박테리움 글루타미쿰 유래의 hemQ 유전자가 함께 발현되는 균주인 SKSC429에서 최대 6.78mg/L 헴 생산량을 나타내었다. CPD 경로가 도입되지 않은 대조군 SKCK339 균주에 비해 65% 더 높은 헴 생산량을 확인하였다. 이는 CPD경로가 효모내 헴 생합성 경로로 유망한 경로임을 알 수 있다. 본 결과를 통해 생명공학적 방법으로 효모를 이용하여 지속가능한 헴 고생산이 가능할 수 있으며 헴 고생산 효모 균주 개발 기술이 대체육 시장에서 활용도가 높을 것임을 시사한다.
Many factors including sustainability and animal welfare are driving the shift in consumer demand from animal protein to alternative protein. In recent years, heme has gained great attention because it is a key component which make meat tastes like meat. In this study, Saccharomyces cerevisiae was e...
Many factors including sustainability and animal welfare are driving the shift in consumer demand from animal protein to alternative protein. In recent years, heme has gained great attention because it is a key component which make meat tastes like meat. In this study, Saccharomyces cerevisiae was engineered to produce heme because it is widely used in the food industry due to its GRAS (generally recognized as safe) status. In S. cerevisiae the heme production pathway is divided into two parts: (1) the cytoplasmic pathway consisting of HEM2, HEM3, HEM4, HEM12, and HEM13 enzymes and (2) the mitochondrial pathway consisting of HEM1, HEM13, HEM14, and HEM15. The heme production efficiency in S. cerevisiae is low because the heme biosynthesis pathway in S. cerevisiae is divided into two compartments. To overcome this limitation, this study aimed to fractionate the all heme biosynthesis pathways into mitochondria. The engineered S. cerevisiae with mitochondria compartmentation of the heme biosynthetic pathway SKSK369produced 4.6 mg/L heme in 72 h. This value was 48% higher than that produced by the control strain overexpressing the same enzymes without mitochondria compartmentation. Two main pathways for the biosynthesis of heme are protoporphyrindependent (PPD) and coproporphyrin-dependent (CPD) pathways. In S.cerevisiae, heme is synthesized via the PPD pathway. However, it was previously reported that the CPD pathway is thermodynamically more favorable compared with the PPD pathway. Accordingly, this study sought to enhance heme production in S. cerevisiae by introducing the CPD pathway into S. cerevisiae. To do so, hemQ gene encoding copro heme derived from Corynebacterium glutamicum or Bacillus subtillis were introduced into the SKSC339 strain. Of two different hemQs, the introduction of hemQ from C. glutamicum resulted in the highest production titer of heme (6.78 mg/L), which was 65% higher than that produced by the SKCK339 strain without the CPD pathway.
Many factors including sustainability and animal welfare are driving the shift in consumer demand from animal protein to alternative protein. In recent years, heme has gained great attention because it is a key component which make meat tastes like meat. In this study, Saccharomyces cerevisiae was engineered to produce heme because it is widely used in the food industry due to its GRAS (generally recognized as safe) status. In S. cerevisiae the heme production pathway is divided into two parts: (1) the cytoplasmic pathway consisting of HEM2, HEM3, HEM4, HEM12, and HEM13 enzymes and (2) the mitochondrial pathway consisting of HEM1, HEM13, HEM14, and HEM15. The heme production efficiency in S. cerevisiae is low because the heme biosynthesis pathway in S. cerevisiae is divided into two compartments. To overcome this limitation, this study aimed to fractionate the all heme biosynthesis pathways into mitochondria. The engineered S. cerevisiae with mitochondria compartmentation of the heme biosynthetic pathway SKSK369produced 4.6 mg/L heme in 72 h. This value was 48% higher than that produced by the control strain overexpressing the same enzymes without mitochondria compartmentation. Two main pathways for the biosynthesis of heme are protoporphyrindependent (PPD) and coproporphyrin-dependent (CPD) pathways. In S.cerevisiae, heme is synthesized via the PPD pathway. However, it was previously reported that the CPD pathway is thermodynamically more favorable compared with the PPD pathway. Accordingly, this study sought to enhance heme production in S. cerevisiae by introducing the CPD pathway into S. cerevisiae. To do so, hemQ gene encoding copro heme derived from Corynebacterium glutamicum or Bacillus subtillis were introduced into the SKSC339 strain. Of two different hemQs, the introduction of hemQ from C. glutamicum resulted in the highest production titer of heme (6.78 mg/L), which was 65% higher than that produced by the SKCK339 strain without the CPD pathway.
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