[논문]Clostridium 속 미생물 대사공학을 통한 butanol 생산

우지은; 김민지; 노현지; 황누리; 김진효; 이상엽; 장유신

doi:10.7845/kjm.2016.6057

Clostridium 속 미생물 대사공학을 통한 butanol 생산
Metabolic engineering of the genus Clostridium for butanol production 원문보기

Korean journal of microbiology = 미생물학회지, v.52 no.4, 2016년, pp.391 - 397

우지은 (경상대학교 농업생명과학원) , 김민지 (경상대학교 농업생명과학원) , 노현지 (경상대학교 농업생명과학원) , 황누리 (경상대학교 농업생명과학원) , 김진효 (경상대학교 농업생명과학원) , 이상엽 (한국과학기술원 생명화학공학과) , 장유신 (경상대학교 농업생명과학원)

초록
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Clostridium은 그람양성, 장간균으로 포자를 형성하는 절대혐기성 균이다. Clostridium은 다양한 기질을 이용할 수 있고, 유용 화합물 합성을 위한 building block으로 사용 가능한 대사산물을 생산할 수 있어, 최근 많은 관심을 끌고 있다. 특히, Clostridium을 이용하여 생산된 butanol은 차세대 연료로써 고려되고 있다. 수송용 연료로써 butanol은 1세대 바이오연료인 ethanol과 비교하여 더 높은 에너지 밀도와 낮은 흡습성을 보이는 것으로 알려져 있다. 최근, butanol 생산을 위한 Clostridium 대사공학이 활발히 진행되어 상당한 진보를 보이고 있다. 본 연구에서는 butanol 생산을 위한 Clostridium의 대사공학 전략을 리뷰하고, 관련 분야에 대해서 간략히 전망하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Clostridium is a genus of Gram-positive, rod shape, spore-forming obligate anaerobe. Recently, Clostridium has been attracted as a host for bio-based chemical production, due to its diversity of substrate utilization and the production ability for metabolites which can be used as a building block for chemical production. Especially, butanol produced from Clostridium has been considered as an alternative fuel. As a transportation fuel, butanol has a higher energy density and lower hygroscopicity compared to ethanol, the first generation biofuel. Recently, metabolic engineering of Clostridium has been massively conducted for butanol production. In this study, the metabolic engineering strategy of Clostridium for butanol production has been reviewed with a brief perspective.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

최근, butanol 생산을 위한 Clostridium 대사공학이 활발히 진행되어 상당한 진보를 보이고 있다. 본 연구에서는 butanol 생산을 위한 Clostridium의 대사공학 전략을 리뷰하고, 관련 분야에 대해서 간략히 전망하였다.
본 총설에서는 Clostridium 속 미생물을 (1) solventogenic, (2) acidogenic, 그리고 (3) acetogen으로 구분하고, 이들이 가진 대사회로 및 butanol 증산을 위한 대사공학 전략을 리뷰하였다. 또한, 향후 butanol 생합성 향상을 위한 대사회로 최적화 전략을 전망하였다.

제안 방법

, 2013). 상기 두 연구 모두 유기산 생합성 경로를 이용한 butanol 생합성을 최소화하기 위한 전략을 공통으로 적용하였으며, NADH와 같은 세포내의 redox 공급을 원활히 하기 위한 전략을 사용하였다. Jang 등(2012)의 경우는, aldehyde/alcohol dehydrogenase 의 NADH-조효소 특이성을 NADH뿐만 아니라 NADPH까지 조효소로 사용가능 하도록 효소공학적 기법으로 효소를 개량하였으며, Hou 등(2013)의 경우는, 세포내의 redox 조절에 기여하는 glutathione을 생합성할 수 있는 유전자를 도입하여 더욱 원활한 산화/환원 반응을 유도한 것으로 설명할 수 있다.
획기적인 butanol 생산 농도 및 수율 향상은 butanol 생합성경로를 간접경로와 직접경로로 나누어 분석하여 직접경로를 강화시킴으로써 달성할 수 있었다. 유기산 생합성경로를 거치지 않고, acetyl CoA로부터 butyryl CoA로 cascade 반응을 거친 후, butanol이 합성되는 경로를 직접경로, 유기산 생합성 경로를 돌아서 butanol이 만들어지는 경로를 간접경로로 구분하였다. 이러한 butanol 생합성 경로 모델은 metabolic flux 분석 및 mass balance 분석을 통하여 확립하였으며, 이를 기반으로 직접 경로가 강화되는 방향으로 대사흐름을 조절하여 butanol 농도와 수율을 향상시킨 것으로 보고되었다(Jang et al.
, 2011). 후속 연구에서는 adhE2 유전자 발현용 plasmid의 origin을 pIM13 기반에서 pBP1으로 변경하여 mannitol을 탄소원으로 사용하여 20.5 g/L의 butanol 농도와 0.33 g/g의 수율을 달성하였다(Yu et al., 2012). 대사공학을 통하여 만들어진 C.

후속연구

앞으로는 우리가 알고 있는 정보에 기반한 대사공학을 수행하기에는 정보들이 많이 부족할 것으로 예상된다. Clostridium 속 미생물의 대사공학을 이용한 butanol 증산을 위해서는 더욱 효율적인 대사공학 전략의 개발이 필요할 것으로 생각된다. 예를 들자면, 이미 개발된 in silico 대사 네트워크 모델의 개선 및 활용과 더불어 주요 효소의 기능을 정확히 밝히는 연구들이 필요할 것으로 전망된다.
, 2012). 그 이유에 대해서는 아직까지 정확히 밝혀진 바 없어서, 향후 연구가 더욱 진행되어야 할 분야이다. Mobile group II intron 을 이용하여 pta 유전자를 knockout한 균주는 상동성 재조합을 통하여 만들어진 균주와 달리 butanol 생산성이 17.
Jang 등(2012)의 경우는, aldehyde/alcohol dehydrogenase 의 NADH-조효소 특이성을 NADH뿐만 아니라 NADPH까지 조효소로 사용가능 하도록 효소공학적 기법으로 효소를 개량하였으며, Hou 등(2013)의 경우는, 세포내의 redox 조절에 기여하는 glutathione을 생합성할 수 있는 유전자를 도입하여 더욱 원활한 산화/환원 반응을 유도한 것으로 설명할 수 있다. 따라서, C. acetobutylicum을 이용한 butanol 증산 목적의 대사공학을 위해서는 butanol 생산을 위한 직접경로의 강화와 함께 원활한 산화/환원이 가능하도록 해야할 것으로 보인다.
tyrobutyricum의 산화/환원 전위가 butyric acid 생합성에 최적화 되어 있기 때문인 것으로 보이며, butanol 생 합성을 위해서는 더 많은 환원력의 공급이 필요한 것으로 보인다. 따라서, 향후 butanol 생합성을 위한 C. tyrobutyricum의 대사공학에서는 이들 산화/환원 전위 균형을 조절하기 위한 전략이 필요할 것으로 생각된다.
본 총설에서는 Clostridium 속 미생물을 (1) solventogenic, (2) acidogenic, 그리고 (3) acetogen으로 구분하고, 이들이 가진 대사회로 및 butanol 증산을 위한 대사공학 전략을 리뷰하였다. 또한, 향후 butanol 생합성 향상을 위한 대사회로 최적화 전략을 전망하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Clostridium 속 미생물은 지난 100년 동안 어떻게 사용되었는가?	Clostridium 속 미생물은 지난 100년 동안 butanol 및 acetone 생산을 위하여 사용되었다. 1900년대 초의 연구에서는 Clostridium 속 미생물의 butanol 생합성 경로를 알 수는 없었으나 유기산이 생산된 이후에 butanol 및 acetone과 같은 용매가 생산된다는 것은 잘 알려져 있었다.
	Clostridium 속의 혐기성 미생물들은 acetic acid 및 butyric acid를 생합성 함으로써 무엇을 확보하는가?	1). Glucose를 대사하여 최종 산소호흡을 통하여 ATP를 확보하는 호기성 미생물의 대사와 달리, Clostridium 속의 혐기성 미생물들은 acetic acid 및 butyric acid를 생합성함으로써 ATP를 확보하는 것으로 알려져 있다(Jones and Woods, 1986). 이미 잘 알려진 것과 같이, Clostridium은 해당과정을 거쳐 1몰의 glucose로 부터 2몰 ATP, 2몰 pyruvate, 2몰 NADH 를 생산한다.
	에너지 밀도가 높은 butanol이 바이오 화학 산업 및 차세대 수송용 연료 산업에서 중요하게 고려되고 있는 사회적 배경은 무엇인가?	최근 화석연료의 과다 사용으로 인하여 지구 온난화와 같은 기후변화가 발생하고 있으며, 화석연료 또한 가까운 시일 내에 고갈 될 것으로 예상되고 있다. 전 세계적으로 기후변화 및 화석연료의 고갈을 대비하기 위하여 많은 노력을 기울이고 있다. 바이오화학 및 바이오에너지 분야가 대두되는 것 또한 앞서 언급한 노력의 결과이다. 이러한 관점에서 butanol은 바이오화학 산업 및 차세대 수송용 연료 산업에서 중요하게 고려되고 있다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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