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Genome shuffling을 이용한 에탄올 생산 및 내성 효모 균주의 육종
Breeding of Ethanol-producing and Ethanol-tolerant Saccharomyces cerevisiae using Genome Shuffling 원문보기

생명과학회지 = Journal of life science, v.23 no.10 = no.162, 2013년, pp.1192 - 1198  

박아황 (동의대학교 바이오물질제어공학과) ,  김연희 (동의대학교 바이오물질제어공학과)

초록
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바이오 에탄올 생산을 위한 최적 효모균주의 개량을 위해 효모 genome shuffling 법을 이용하여 에탄올내성, 내열성 및 ${\beta}$-1,3-glucanase 활성을 가진 효모균주의 육종을 계획하였다. 본 연구에서는 세포 외 ${\beta}$-1,3-glucanase 활성을 가진 Saccharomyces cerevisiae $BY4742{\Delta}exg1$/pAInu-exgA 균주와 에탄올내성 및 내열성을 가진 S. cerevisiae YKY020 균주를 효모 protoplast fusion을 통하여 융합시켰다. 세포융합에 의해 $40^{\circ}C$에서 내열성을 보이는 네 개의 후보 균주(No. 3, 9, 11, 12)를 선별한 다음, 7% 에탄올 농도에서의 에탄올내성 및 ${\beta}$-1,3-glucanase 활성을 조사하였다. 두 모균주의 모든 표현형을 보이는 하나의 균주(No. 11)가 선별되었고, 이 균주를 BYK-F11이라고 명명하였다. BYK-F11 융합균주는 $BY4742{\Delta}exg1$/pAInu-exgA와 YKY020균주에 비해서 증가된 세포성장속도, 에탄올 내성, ${\beta}$-1,3-glucanase 활성 및 에탄올 생산성을 보임을 알 수 있었다. 따라서 본 연구에서는 다양한 특성을 가지지만 같은 접합형을 가진 효모균주들을 protoplast fusion법을 사용하여 손쉽게 새로운 산업용 효모균주로 육종시킬 수 있다는 것을 증명하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

To improve yeast strains for bioethanol production, yeasts with ethanol tolerance, thermotolerance, and ${\beta}$-1,3-glucanase activity were bred using yeast genome shuffling. Saccharomyces cerevisiae $BY4742{\Delta}exg1$/pAInu-exgA, which has extracellular ${\beta}$

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 하지만 지금까지 에너지 자원으로서 활용도가 낮았던 해조류 바이오매스를 이용하기 위해서는 해조류 바이오에탄올의 생산성을 높이는 것이 시급한데, 해조다당을 에탄올 생산을 위한 발효당으로 당화(saccharification)시키는 것이 필요하게 된다. 따라서 본 연구에서는 해조류 바이오매스 중 갈조류의 저장성고분자 다당류인 laminaran [12]에 주목하였다. 주로 β-1,3 linked D-glucose로 되어있는 polymer (glucan)인 laminaran 은 β-1,3-glucanase 효소에 의해 에탄올 생성을 위한 발효당 glucose로 변환이 가능하며, 생산된 β-1,3-glucanase는 맥주 생산, 과일의 glucosidic 전구체로부터의 향기로운 화합물 합성 및 발효 등을 포함하여 바이오공정공학 프로세스에도 폭넓게 사용될 수 있다[5, 16, 19].
  • 또한 YKY020 균주는 laminaran 분해능이 떨어짐으로 첨가한 glucose에 의한 에탄올 생산만이 가능하여 상대적으로 laminaran으로부터 에탄올 수율이 낮음을 알 수 있다. 최근에는 배양 온도의 증가에 따른 에탄올 생산율의 증가도 보고되어있어[13], BYK-F11균주에 대해 40℃의 배양온도에서의 에탄올 생산성을 조사해보았다. YPD (1% dextrose)에 1%의 laminaran이 함유된 배지에서 48시간 동안 40℃에서 진탕 배양하여 성장속도 및 에탄올 생산성을 측정한 결과, 30℃에서 배양했을 때보다 성장속도는 약 23% 정도 감소하였지만 에탄올 수율은 0.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
효모 균주의 특성을 개량하는 방법은 무엇이 있는가? 에탄올 내성 및 내열성 향상 등 효모 균주의 특성을 개량하기 위해서 여러 가지 선택돌연변이, 교배(hybridization), 원형질체 융합(protoplast fusion), 형질전환(transformation) 등의 방법이 있다. 대부분의 일배체(haploid) 효모들은 α type과 a type의 mating factor를 가지고 있어 쉽게 서로 접합하여 이배체(diploid) 효모를 형성할 수 있다[9].
에탄올 생산 균주의 육종을 위해 산업적 균주의 에탄올 내성의 증가 과정이 필요한 이유는 무엇인가? 그렇지만 효모는 생산공정 동안의 삼투압 증가 또는 에탄올 및 이산화탄소의 축적 등과 같은 몇 가지 환경적 변화에도 종종 노출되고 있다[1]. 그 중에서 에탄올은 세계 여러 많은 분야에서 사용되고 있지만 미생물 생장의 주저해제로 알려져 있기 때문에 배양 중 에탄올의 축적은 세포 성장과 목적 제품의 생산율 감소와 같은 효모 세포에 스트레스를 준다고 알려져 있다. 따라서 산업적 균주의 에탄올 내성의 증가는 에탄올을 생산할 수 있는 균주의 육종을 위해서도 반드시 필요한 과정이라고 할 수 있다.
효모는 어디에 사용되는 미생물인가? 효모(Saccharomyces cerevisiae)는 오래 전부터 발효 및 양조 산업에 주로 사용되어진 전통 미생물로서, 최근에는 starch나 cellulose와 같은 바이오매스로부터 바이오에탄올의 생산에도 이용되어 지고 있다. 그렇지만 효모는 생산공정 동안의 삼투압 증가 또는 에탄올 및 이산화탄소의 축적 등과 같은 몇 가지 환경적 변화에도 종종 노출되고 있다[1].
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참고문헌 (24)

  1. Attfield, P. V. 1997. Stress tolerance: the key to effective strains of industrial bakers yeast. Nat Biotechnol 15, 1351-1357. 

  2. Bajwa, P. K., Pinel, D., Martin, V. J., Trevors, J. T. and Lee, H. 2010. Strain improvement of the pentose-fermenting yeast Pichia stipitis by genome shuffling. J Microbiol Methods 81, 179-186. 

  3. Bara, M. T. F., Lima, A. L. and Ulhoa, C. J. 2003. Purification and characterization of an exo- ${\beta}$ -1,3-glucanase produced by Trichoderma asperellum. FEMS Microbiol Lett 219, 81-85. 

  4. Dai, M. H. and Copley, S. D. 2004. Genome shuffling improves degradation of the anthropogenic pesticide pentachlorophenol by Sphingobium chlorophenolicum ATCC 39723. Appl Environ Microbiol 70, 2391-2397. 

  5. Guegen, Y., Chemardin, P., Janbon, G., Arnaud, A. and Galzy, P. 1996. A very efficient ${\beta}$ -glucosidase catalyst for the hydrolysis of flavor precursors of wines and fruit juices. J Agric Food Chem 44, 2336-2340. 

  6. Harashima, S., Takagi, A. and Oshima, Y. 1984. Transformation of protoplasted yeast cells is directly associated with cell fusion. Mol Cell Biol 4, 771-778. 

  7. Hida, H., Yamada, T. and Yamada, Y. 2007. Genome shuffling of Streptomyces sp. U121 for improved production of hydroxycitric acid. Appl Microbio Biotech 73, 1387-1393. 

  8. Hou, L. 2010. Improved production of ethanol by novel genome shuffling in Saccharomyces cerevisiae. Appl Biochem Biotechnol 160, 1084-1093. 

  9. Jeon, H. T., Park, U. M. and Kim, K. 2011. The use of aureobasidin A resistant gene as the dominant selectable marker for the selection of industrial yeast hybrid. Korean J Microbiol Biotechnol 39, 111-118. 

  10. Jijakli, M. H. and Lepoivre, P. 1998. Characterization of an exo- ${\beta}$ -1,3-glucanase produced by Pichia anomala strain K, antagonist of Botrytiscinerea on apples. Phytopathology 88, 335-343. 

  11. Kim, M. J., Nam, S. W., Tamano, K., Machida, M., Kim, S. K. and Kim, Y. H. 2011. Optimazation for production of exo- ${\beta}$ -1,3-glucanase (laminarase) from Aspergillus oryzae in Saccharomyces cerevisiae. Korean Soc Biotech Bioeng 26, 427-432. 

  12. Lee, S. M., Kim, J. H., Cho, H. Y., Joo, H. and Lee, J. H. 2009. Production of bio-ethanol from brown algae by physicochemical hydrolysis. J Korean Ind Eng Chem 20, 517-521. 

  13. Lin, Y., Zhang, W., Li, C., Sakakibara, K., Tanaka, S. and Kong, H. 2012. Factors affecting ethanol fermentation using Saccharomyces cerevisiae BY4742. Biomass Bioenergy 47, 395- 

  14. Miller, G. L. 1959. Use of dinitrosalicylic acid reagent for the determination of reducing sugar. Anal Chem 31, 426-428. 

  15. Patnaik, R., Louie, S., Gavrilovic, V., Stemmer, W. P. C., Ryan, C. M. and Cardayre, S. 2002. Genome shuffling of lactobacillus for improved acid tolerance. Nature Biotech 20, 707-712. 

  16. Pitson, S. M., Seviour, R. J. and McDougall, B. M. 1993. Noncellulolytic fungal beta-glucanases: their physiology and regulation. Enzyme Microb Technol 15, 178-192. 

  17. Sheehan, C. and Weiss, A. S. 1990. Yeast artificial chromosome: rapid extraction for high resolution analysis. Necleic Acids Res 18, 2193. 

  18. Shi, D. J., Wang, C. L. and Wang, K. M. 2009. Genome shuffling to improve thermotolerance, ethanol tolerance and ethanol productivity of Saccharomyces cerevisiae. J Mircobiol Biotechnol 36, 139-147. 

  19. Shoseyov, O., Bravdo, A. B., Ikan, R. and Chet, I. 1990. Immobilized endo- ${\beta}$ -glucosidase enriches flavor of wine and passion fruit juice. J Agric Food Chem 27, 1973-1976. 

  20. Spencer, J. F. T. and Spencer, D. M. 1983. Genetic improvement of industrial yeast. Ann Rev Microbiol 37, 121-142. 

  21. van Rensburg, P., van Zyl, W. H. and Pretorius, I. S. 1997. Over-expression of the Saccharomyces cerevisiae exo- ${\beta}$ -1,3-glucanase gene together with the Bacillus subtilis endo- ${\beta}$ - 1,3-1,4-glucanase gene and the Butyrivibrio fibrisolvens endo- ${\beta}$ -1,4-glucanase gene in yeast. J Biotechnol 55, 43-53. 

  22. Wei, P., Li, Z., He, P., Lin, Y. and Jiang, N. 2008. Genome shuffling of ethanologenic yeast Candida krusei for improved acetic acid tolerance. Biotech Appl Biochem 49, 113-128. 

  23. Zhang, Y. X., Perry, K., Vinci, V. A., Powell, K., Stemmer, W. P. and del Cardayre, S. B. 2002. Genome shuffling leads to rapid phenotypic improvement in bacteria. Nature 415, 644-646. 

  24. Zheng, D. Q., Wu, X. C., Tao, X. L., Wang, P. M., Li, P., Chi, X. Q., Li, Y. D., Yan, Q. F. and Zhao, Y. H. 2011. Screening and construction of Saccharomyces cerevisiae strains with improved multi-tolerance and bioethanol fermentation performance. Bioresour Technol 102, 3020-3027. 

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