[논문]유전자 재조합 대장균에 의만 5-Aminolevulinic Acid (ALA)의 생산 및 공정 모니터링 II. 2차원 형광센서에 의안 공정 모니터링

이종일; 정상윤; 임용식; 정상욱

유전자 재조합 대장균에 의만 5-Aminolevulinic Acid (ALA)의 생산 및 공정 모니터링 II. 2차원 형광센서에 의안 공정 모니터링
Production and Process Monitoring of 5-Aminolevulinic Acid (ALA) by Recombinant E. coli II. process Monitoring by a 2-Dimensional Fluorescence Sensor 원문보기

한국생물공학회지 = Korean journal of biotechnology and bioengineering, v.19 no.1 = no.84, 2004년, pp.27 - 32

이종일 (전남대학교 응용화학공학부, 생물공정기술연구실) , 정상윤 (전남대학교 물질생물화공과, 생물공정기술연구실) , 임용식 (전남대학교 물질생물화공과, 생물공정기술연구실) , 정상욱 (전남대학교 산업공학과)

초록
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본 연구에서는 2차원 형광 센서를 이용하여 ALA 생산 공정을 실시간 모니터링하고 오프라인 분석 데이터와 비교, 고찰하였다. 배양액의 pH나 균체의 성장 특성 등 생물공정내의 환경 변화에 따라 형광 특성에 차이를 보였으며 최소배지인 MS8 배지에 IPTG, LA 및 기질 (포도당, 숙신산) 등을 첨가한 후 형광 특성의 변화를 살펴본 결과 균체의 성장이나 세포내 대사현상의 변화를 형광 차이로부터 확인할 수 있었다 2차원 형광센서에 의해 실시간 모니터링 된 형광 스펙트럼데이터는 기질 및 생산물 그리고 세포내 효소 활성 등의 각종 공정 변수와 좋은 상관성을 보였다. 따라서 본 연구에서 사용한 2차원 형광센서는 ALA 대량 생산을 위해 주요한 공정변수를 실시간 모니터링 하는데 매우 효과적이라 할 수 있으며 향후 공정의 제어 및 최적화에도 이용될 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

2-Dimensional fluorescence sensor has a wide range of excitation and emission wavelengths, that some biogenic fluorphors in a biological process can be monitored simultaneously. The production processes of 5-aminolevulinic aicd (ALA) by recombinant E. coli BL21 (DE3) pLysS harboring plasmid pFLS45 were on-line monitored by a 2-dimensional fluorescence sensor The characteristics of fluorescence spectrum was dependent upon physical and biological factors of a bioprocess such as culture pH, cell mass etc. Some off-line data were correlated to the fluorescence intensity well, which was monitored at some combination of excitation and emission wavelengths by the 2-dimensional fluorescence sensor.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 2차원 형광 센서를 이용하여 ALA 생산 공정을 실시간 모니터링하고 오프라인 분석 데이터와 비교, 고찰하였다. 배양액의 pH나 균체의 성장 특성 등 생물공정 내의 환경 변화에 따라 형광 특성에 차이를 보였으며 최소배지인 MS8 배지에 IPTG, LA 및 기질 (포도당, 숙신산) 등을 첨가한 후 형광 특성의 변화를 살펴본 결과 균체의 성장이나 세포 내 대사현상의 변화를 형광 차이로부터 확인할 수 있었다.
그러나 2차원 형 광센서를 이용하여 ALA 생산 공정을 실시간 모니터링 함으 로써 공정 내 균체의 성장 및 ALA의 생산 특성을 고찰할 수 있으므로 ALA 생산성 향상에 큰 의미가 있다. 본 연구에서는 ALA 생합성의 전구체 (숙신산, 글리신)와 포도당의 소모 속도, 미생물의 성장이나 ALA의 생산 특성 등을 모니터링할 뿐만 아니라 ALA의 생산에 직접 관련된 효소, ALAS와 ALAD의 활성 변화 등을 분석하기 위해 2차원 형광 센서를 이용하여 ALA의 생산 공정을 온라인 모니터링하고자 한다.

제안 방법

Japan)를 사용하였다. 생물반응기 (KoBiotech Co., 2.5 or 7 L)는 외부의 빛을 차단하기 위해 스테인리스로 제작하였는데 측면에는 bifurcated 액체 광학 전도관 (liquid light conductor, Lumatek Co. Germany)에 직접 연결할 수 있도록 석영 창을 설치하였다. 생물 반응기와 함께 사용한 형광 센서 등의 온라인 모니터링 장치는는 Fig.
생물반응기에 직접 연결한 2차원 형광 센서를 이용하여 비 침투법 방식으로 ALA 생산 공정을 매 3.6분마다 (측정 시간 1.6분 포함) 온라인 모니터링하여 모니터링이 이루어졌으며 각 파장별 형광 세기의 변화를 생물 반응기 내의 각종 공정 변수와 상관 지었다.
재조합 대장균에 의한 ALA 생산 공정에서 유도발현 물질인 IPTG, ALAD 저해제인 LA 그리고 기질 (포도당, 숙신산) 첨가에 따른 형광 특성 변화를 살펴보았다. 첨가물이 모두 형 광물질이 아니므로 각 물질의 고유한 형광 세기 변화는 없지만 화합물의 첨가가 균체의 성장이나 세포 내 대사현상에 영향을 미치므로 형광 스펙트럼의 변화를 볼 수 있다.

성능/효과

배양액의 pH나 균체의 성장 특성 등 생물공정 내의 환경 변화에 따라 형광 특성에 차이를 보였으며 최소배지인 MS8 배지에 IPTG, LA 및 기질 (포도당, 숙신산) 등을 첨가한 후 형광 특성의 변화를 살펴본 결과 균체의 성장이나 세포 내 대사현상의 변화를 형광 차이로부터 확인할 수 있었다. 2차원 형광 센서에 의해 실시간 모니터링된 형광 스펙트럼 데이터는 기질 및 생산물 그리고 세포 내 효소 활성 등의 각종 공정 변수와 좋은 상관성을 보였다. 따라서 본 연구에서 사용한 2차원 형광 센서는 ALA 대량 생산을 위해 주요한 공정변수를 실시간 모니터링하는데 매우 효과적이라 할 수 있으며 향후 공정의 제어 및 최적화에도 이용될 수 있다.
5에는 MS8 배지를 이용한 배양 실험에서 360 nm (ex)/450 nm(em) 및 450 nm(ex)/55O nm(em), 420 nm(ex)/520 nm(em)에서 형광 세기의 변화가 균체량과 ALA 생산 농도와 좋은 상관성을 보였다. 또한 GFP 형광 영역인 490 nm(ex)/510 nm(em)과 420 nm(ex)/57O nm(em)에서 형광 세기의 변화는 각각 세포 내 단백질 농도와 CFU와 좋은 상관성을 보였다(Fig. 6(A)).
본 연구에서는 2차원 형광 센서를 이용하여 ALA 생산 공정을 실시간 모니터링하고 오프라인 분석 데이터와 비교, 고찰하였다. 배양액의 pH나 균체의 성장 특성 등 생물공정 내의 환경 변화에 따라 형광 특성에 차이를 보였으며 최소배지인 MS8 배지에 IPTG, LA 및 기질 (포도당, 숙신산) 등을 첨가한 후 형광 특성의 변화를 살펴본 결과 균체의 성장이나 세포 내 대사현상의 변화를 형광 차이로부터 확인할 수 있었다. 2차원 형광 센서에 의해 실시간 모니터링된 형광 스펙트럼 데이터는 기질 및 생산물 그리고 세포 내 효소 활성 등의 각종 공정 변수와 좋은 상관성을 보였다.
6(A)). 한편, 세포 내 효소 중에서 ALAD의 활성은 tryptophane 과 같은 아미노산/단백질 영역 (300 nm(ex)/33O nm(em))에서 형광 세기의 변화와 좋은 상관성을 보였으며 ALAS의 활성은 380 nm(ex)/600 nm(em)에서 형광 세기의 변화와 상관성을 나타내었다(Fig. 6(B)).

후속연구

2차원 형광 센서에 의해 실시간 모니터링된 형광 스펙트럼 데이터는 기질 및 생산물 그리고 세포 내 효소 활성 등의 각종 공정 변수와 좋은 상관성을 보였다. 따라서 본 연구에서 사용한 2차원 형광 센서는 ALA 대량 생산을 위해 주요한 공정변수를 실시간 모니터링하는데 매우 효과적이라 할 수 있으며 향후 공정의 제어 및 최적화에도 이용될 수 있다.

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