$\require{mediawiki-texvc}$

연합인증

연합인증 가입 기관의 연구자들은 소속기관의 인증정보(ID와 암호)를 이용해 다른 대학, 연구기관, 서비스 공급자의 다양한 온라인 자원과 연구 데이터를 이용할 수 있습니다.

이는 여행자가 자국에서 발행 받은 여권으로 세계 각국을 자유롭게 여행할 수 있는 것과 같습니다.

연합인증으로 이용이 가능한 서비스는 NTIS, DataON, Edison, Kafe, Webinar 등이 있습니다.

한번의 인증절차만으로 연합인증 가입 서비스에 추가 로그인 없이 이용이 가능합니다.

다만, 연합인증을 위해서는 최초 1회만 인증 절차가 필요합니다. (회원이 아닐 경우 회원 가입이 필요합니다.)

연합인증 절차는 다음과 같습니다.

최초이용시에는
ScienceON에 로그인 → 연합인증 서비스 접속 → 로그인 (본인 확인 또는 회원가입) → 서비스 이용

그 이후에는
ScienceON 로그인 → 연합인증 서비스 접속 → 서비스 이용

연합인증을 활용하시면 KISTI가 제공하는 다양한 서비스를 편리하게 이용하실 수 있습니다.

Clostridium acetobutylicum의 대사망의 동적모델 개발
Development of the Dynamic Model for the Metabolic Network of Clostridium acetobutylicum 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.51 no.2, 2013년, pp.226 - 232  

김우현 (한국에너지기술연구원 신재생에너지본부 수소연료전지연구단) ,  엄문호 (GS칼텍스(주) 기술연구소 바이오연료팀) ,  이상현 (GS칼텍스(주) 기술연구소 바이오연료팀) ,  최진달래 (GS칼텍스(주) 기술연구소 바이오연료팀) ,  박선원 (한국과학기술원 생명화학공학과)

초록
AI-Helper 아이콘AI-Helper

부탄올을 생산하는 발효반응기에서는 아세톤, 부탄올 그리고 에탄올을 주로 생산하는 Clostridium acetobutylicum이 사용된다. 본 연구에서는 이 미생물을 이용한 발효공정의 개발을 위하여, Clostridium acetobutylicum ATCC824의 대사망의 동적 모델이 제안되었다. 많은 효소기반의 대사반응들로 구성된 대사망의 복잡성과 대사반응속도식의 비선형적 특성 때문에, 유전 알고리듬과 Levenberg-Marquardt 알고리듬이 결합된 효율적인 최적화 기법을 이용하여 회분식 발효반응기의 실험 결과값으로 58개의 반응속도상수들을 결정하였다. 그리고 이 반응속도상수 결정의 정확도를 제고하기 위하여, 유전자 조작을 통해 특정 대사경로를 차단한 미생물을 이용했을 때의 실험과 초기 글루코스의 농도를 다르게 한 실험들을 수행하여 개발된 대사망의 동적모델을 분석하였다. 결과적으로, 본 연구를 통해서 개발된 대사망 모델의 정확도를 확인하였고, 이를 활용하여 발효반응공정의 생산성 향상을 위한 적절한 클로스트리듐의 개발과 발효반응기의 최적화를 위한 연구에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

To produce biobutanol, fermentation processes using clostridia that mainly produce acetone, butanol and ethanol are used. In this work, a dynamic model describing the metabolic reactions in an acetone-butanol-ethanol (ABE)-producing clostridium, Clostridium acetobutylicum ATCC824, was proposed. To e...

주제어

AI 본문요약
AI-Helper 아이콘 AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 이러한 바이오연료 생산공정의 효율화와 대형화를 위하여 발효반응에 대한 이해가 필수적이다. 따라서, 본 연구에서는 ABE 발효공정에 사용되는 Clostridium acetobutylicum의 대사경로의 동적모델을 구성하였다. Clostridium acetobutylicum의 대사과정은 알려져 있고 이러한 대사현상을 모사하기 위한 시도가 이루어지고 있다[5-7,10].
  • 본 논문에서는, 아세톤, 부탄올, 에탄올의 발효공정에 사용되는 클로스트리듐의 대사망의 동적 모델이 개발되었다. 대사망을 구성하는 효소반응들의 반응속도상수들을 결정하기 위하여, 먼저 알려진 C.

가설 설정

  • Table 1은 Clostridium acetobutylicum ATCC824를 사용한 실험에서의 조건이고 Table 2는 acetyl-CoA-to-acetyl-P의 반응과 관여된 유전자가 삭제된 클로스트리듐을 사용한 실험에서의 조건이다. 그리고 이외의 다른 대사산물들(클로스트리듐 내부)의 초기 농도는 0.001 g/L로 가정하였다.
  • 실제로 부탄올의 생산량을 향상시키기 위해서 클로스트리듐의 유전자 조작을 통해서 acetyl-CoA-to-acetyl-P 대사반응을 막았음에도 불구하고, 발효액에서 acetic acid가 의미 있는 양으로 측정되었기 때문이다. 아직 정확한 대사경로에 대한 연구는 추가적으로 진행되어야 하나, R9를 아직 알려지지 않은 acetate 합성 대사경로들의 대표반응으로 가정하여 기존의 대사망에 이를 추가하였다.
본문요약 정보가 도움이 되었나요?

질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
ABE 발효공정이 쇠퇴하게 된 원인은 무엇인가? 이 클로스트리듐의 대사과정에 의해 발생하는 주요 대사산물이 이상의 세 가지 물질(acetone, butanol, ethanol)이므로 이 발효공정을 ABE 발효공정이라고 부르고 있다. ABE 발효공정은 1911년에 Fernbach과 Strange에 처음으로 개발되었고 20세기 제 1, 2차 세계대전을 거칠 때까지 빠르게 보편화 되었으나, 20세기 중반에 석유화학공정이 당시의 저렴한 원유가격을 바탕으로 발효공정의 생산비용보다 훨씬 적은 가격으로 아세톤 및 알코올을 생산하게 되어서 발효공정을 이용한 상용 공정은 쇠퇴할 수 밖에 없었다[8,9]. 그러나 최근 원유가격의 상승으로 바이오매스와 클로스트리듐을 이용한 ABE 발효공정을 이용한 바이오 연료의 생산공정에 대한 관심이 제고되고 있다.
유전 알고리듬은 무엇인가? 유전 알고리듬은 heuristic 최적화 방법론들 중에서 가장 잘 알려진 것 중의 하나이다. 이 방법은 촉매반응모델의 반응속도상수 결정에도 종종 이용되고 있으며 매우 강력한 최적화 방법론으로 알려져 있다. 이 방법론은 자연계에서 생명체에서 일어나는 진화의 과정을 흉내 내고 있다. 이 알고리듬은 최적해(반응속도상수들)를 찾기 위해 먼저 임의의 벡터형태의 해들을 생산한다. 각각의 벡터형태의 해를 염색체라고 하고 생산된 모든 해를 개체군이라고 부른다. 각 해에 의한 목적함수의 값이 가능한 최적점에 가까운 순으로 염색체를 선택하여 이들 유전자를 genetic operator라는 유전자 재조합 과정(염색체에 선택, 교배, 돌연변이)을 거쳐 다음 세대의 개체군을 생산한다. 이러한 과정을 반복하여 가능한 최적점에 가장 가까워질 때까지 반복한다[21,22]. 이러한 유전 알고리듬은 해공간이 넓고 차원이 높은 최적화 문제들에서 global optimum을 찾는 heuristic 알고리듬으로 널리 사용되고 있으며 그 성능이 이미 입증된 최적화 방법론 중 하나이다.
클로스트리듐의 대사과정에 의해 발생하는 대사산물질은 무엇인가? 여러 미생물들 중, Clostridium acetobutylicum은 100여 년간 상업적인 아세톤, 부탄올, 에탄올의 생산을 위한 발효 공정에 사용되어 왔다. 이 클로스트리듐의 대사과정에 의해 발생하는 주요 대사산물이 이상의 세 가지 물질(acetone, butanol, ethanol)이므로 이 발효공정을 ABE 발효공정이라고 부르고 있다. ABE 발효공정은 1911년에 Fernbach과 Strange에 처음으로 개발되었고 20세기 제 1, 2차 세계대전을 거칠 때까지 빠르게 보편화 되었으나, 20세기 중반에 석유화학공정이 당시의 저렴한 원유가격을 바탕으로 발효공정의 생산비용보다 훨씬 적은 가격으로 아세톤 및 알코올을 생산하게 되어서 발효공정을 이용한 상용 공정은 쇠퇴할 수 밖에 없었다[8,9].
질의응답 정보가 도움이 되었나요?

참고문헌 (22)

  1. Lee, T. M., Ishizaki, A., Yoshino, S. and Furukawa, K., "Production of Acetone, Butanol and Ethanol from Palm Oil Mill Effluent Using C. Saccharoperbutylacetonicum N1-4," Biotechnol. Lett., 17, 649-654(1995). 

  2. Lopez-Contreras, A. M., Claassen, P. A. M., Mooibroek, H. and De Vos, W. M., "Utilisation of Saccharides in Extruded Domestic Organic Waste by Clostridium Acetobutylicum ATCC 824 for Production of Acetone," Butanol and Ethanol. Appl. Microbiol. Biotechnol., 54, 162-167(2000). 

  3. Madihah, M. S., Ariff, A. B., Khalil, M. S., Suraini, A. A. and Karim, M. I. A., "Anaerobic Fermentation of Gelatinized Sago Starch-derived Sugars to Acetone-1-butanolethanol Solvent by Clostridium Acetobutylicum," Folia Microbiol, 46, 197-204(2001). 

  4. Qureshi, N., Meagher, M. M., Huang, J. and Hutkins, R. W., "Acetone Butanol Ethanol (ABE) Recovery by Pervaporation Using Silicalite-silicone Composite Membrane from Fed-batch Reactor of Clostridium Acetobutylicum," J. Membr. Sci., 187, 93-102(2001). 

  5. Stephanopoulos, G. and Vallino, J. J., "Network Rigidity and Metabolic Engineering in Metabolite Overproduction," Science, 252, 1675-1681(1991). 

  6. Shinto, H., Tashiro, Y., Yamashita, M., Kobayashi G., Sekiguchi, T., Hanai, T., Kuriya, Y., Okamoto, M. and Sonomoto, K., "Kinetic Modeling and Sensitivity Analysis of Acetone-butanol-ethanol Production," J. Biotechnol., 131, 45-56(2007). 

  7. Shinto, H., Tashiro, Y., Kobayashi, G., Sekiguchi, T., Hanai, T., Kuriya, Y., Okamoto, M. and Sonomoto, K., "Kinetic Study of Substrate Dependency for Higher Butanol Production in Acetone-butanol-ethanol Fermentation," Process Biochem., 43, 1452-1461(2008). 

  8. Durre, P., "Fermentative Butanol Production Bulk Chemical and Biofuel," Ann. NY Acad. Sci., 22, 337-343(2008). 

  9. Green, E. M., "Fermentative Production of 1-butanol-the Industrial Perspective," Curr. Opin. Biotechnol., 22, 337-343(2011). 

  10. Jones, D. T. and Woods, D. R., "Acetone-1-butanol Fermentation Revisited," Microbiological Reviews, 50, 484-524(1986). 

  11. Milne, C. B., Eddy, J. A., Raju, R., Ardekani, S., Kim, P-.J., Senger, R. S., Jin, Y-.S., Blaschek, H. P. and Price, N. D., "Metabolic Network Reconstruction and Genomescale Model of Butanolproducing Strain Clostridium Beijerinckii NCIMB 8052," BMC Systems Biology, 5, 130(2011). 

  12. Heap, J. T., Pennington, O. J., Cartman, S. T., Carter, G. P. and Minton, N. P., "The ClosTron: A Universal Gene Knock-out System for the Genus Clostridium," Journal of Microbial Methods, 70, 452-464(2007). 

  13. Desai, R. P., Harris, L. M., Welker, N. E. and Papoutsaki, E. T., "Metabolic Flus Analysis Elucidates the Importance of the Acidformation Pathways in Regulating Solvent Production by Clostridium Acetobutylycum," Metabolic Engineering, 26, 1206-1213(1999). 

  14. Lee, J., Yun, H., Feist, A. M., Palsson, B. and Lee, S. Y., "Genomescale and in Silico Analysis of the Clostridium Acetobutylicum ATCC 824 Metabolic Network," Applied Microbial Biotechnology, 80, 849-862(2008). 

  15. Borden, J. R. and Papoutsakis, E. T., "Dynamics of Genome-library Enrichment and Identification of Solvent Tolerance Genes For Clostridium Acetobutylicum," Appl. Environ. Microbiol., 73, 3061-3068(2007). 

  16. Lee, J., Jang, Y., Choi, S. J., Im, J. A., Song, H., Cho, J. H., Seung, D. Y., Papoutsakis, E. T., Bennette, G. N. and Lee, S. Y., "Metabolic Engineering of Clostridium Acetobutylicum ATCC 824 for Isopropanol-butanol-ethanol Fermentation," Appl. Environ. Microbiol., 78, 1416-1423(2012). 

  17. Burdette, D. and Zeikus, J. G., "Purification of Acetaldehyde Dehydrogenase and Alcohol Dehydrogenases from Thermoanaerobacter Ethanolicus 39E and Characterization of the Secondary-alcohol Dehydrogenase ( $2^{\circ}$ Adh) as a Bifunctional Alcohol Dehydrogenase- acetyl-CoA Reductive Thioesterase," Biochemistry Journal, 302, 163-170(1994). 

  18. Palosaari, N. R. and Rogers, P., "Purification and Properties of the Inducible Coenzyme A-linked Butyraldehyde Dehydrogenase from Clostridium Acetobutylicum," J. Bacteriol., 170, 2971-2976(1988). 

  19. Lutke-Eversloh, T. and Bahl, H., "Metabolic Engineering of Clostridium Acetobutylicum: Recent Advances to Improve Butanol Production," Current Opinion in Biotechnology (2011). 

  20. Kim, W., Yun, C., Kim, Y., Park, J., Park, S., Jung, K. T., Lee, Y. H. and Kim, S., "Modeling of a Tubular Reactor Producing Epichlorohydrin with Consideration of Reaction Kinetics and Deactivation of Titanium Silicate-1 Catalyst," Ind. Eng. Chem. Res., 50, 1187-1195(2011). 

  21. Goldberg, D. E., "Genetic Algorithms in Search, Optimization, and Machine Learning, 1st edition, Addison-Wesley Professional," Reading, Massachusetts, U.S.(1989). 

  22. Holland, J. H., Adaptation in Natural and Artificial Systems, University of Michigan Press, Ann Arbor, Michigan, U.S.(1975). 

저자의 다른 논문 :

LOADING...

관련 콘텐츠

오픈액세스(OA) 유형

BRONZE

출판사/학술단체 등이 한시적으로 특별한 프로모션 또는 일정기간 경과 후 접근을 허용하여, 출판사/학술단체 등의 사이트에서 이용 가능한 논문

저작권 관리 안내
섹션별 컨텐츠 바로가기

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

AI-Helper 아이콘
AI-Helper
안녕하세요, AI-Helper입니다. 좌측 "선택된 텍스트"에서 텍스트를 선택하여 요약, 번역, 용어설명을 실행하세요.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.

선택된 텍스트

맨위로