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융합법을 이용한 바이오에탄올 생산에 적합한 효모균주의 구축
Construction of Yeast Strain Suitable for Bioethanol Production by Using Fusion Method 원문보기

생명과학회지 = Journal of life science, v.29 no.3 = no.227, 2019년, pp.376 - 381  

김연희 (동의대학교 바이오응용공학부 의생명공학전공)

초록
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본 연구는 에탄올내성, 내열성, ${\beta}-glucanase$ 활성 및 xylose 대사가 가능한 새로운 생물시스템을 육종하기 위해 원형질체융합(protoplast fusion)이라는 방법을 사용하여 S. cerevisiae BYK-F11 균주와 P. $stipitis{\Delta}ura$ 균주와의 genome shuffling을 시도하였다. P. $stipitis{\Delta}ura$ 균주는 URA3 유전자를 결실시켜 uracil 영양요구주로 구축되었다. Protoplast fusion을 통해 몇몇의 융합체가 선별되었고, 두 모균주인 BYK-F11 균주와 P. $stipitis{\Delta}ura$ 균주의 핵형(karyotype)를 모두 가지는 BYKPS-F8 균주가 22개의 융합체중에서 최종 선정되었다. 이어 ${\beta}-glucanase$ 활성, xylose 이용능, 에탄올내성, 내열성 및 에탄올생산성에 대한 다양한 표현형이 조사되었다. BYKPS-F8 균주는 모균주인 BYK-F11 균주가 가지는 ${\beta}-glucanase$ 활성을 가지게 되었고, P. $stipitis{\Delta}ura$ 균주가 가지는 xylose 이용능도 모균주보다 1.2배 증가되었음을 확인할 수 있었다. BYKPS-F8 균주는 $40^{\circ}C$에서 내열성을 보였으며, 8% 에탄올이 첨가된 배지에서 모균주에 비해 에탄올 내성이 증가되었음을 확인 할 수 있었다. 20 g/l의 xylose가 함유된 배지에서 72시간 배양에 의해 약 7.5 g/l의 에탄올을 생산할 수 있었으며, 260시간의 장기간의 배양에도 BYKPS-F8균주에 도입한 다형질이 안정적으로 유지됨을 확인하였다. 따라서, 본 연구에서 사용된 균주 육종방법을 통해 다형질을 가진 다른 속간의 균주 융합 및 산업적으로 유용한 생물시스템의 육종이 가능함을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

To construct useful yeast strain for bioethanol production, we improved yeast harboring various phenotypes by using yeast protoplast fusion method. In this study, S. cerevisiae BYK-F11 strain which have ethanol tolerance, thermotolerance and ${\beta}-glucanase$ activity and P. $stipi...

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문제 정의

  • 4Mb)은 염색체의 개수와 그 크기가 서로 다르다. 따라서 두 균주의 융합체인 BYKPS-F8 균주의 경우 두 균주의 genome이 융합된 형태로 존재할 가능성이 높으므로 BYKPS-F8 균주의 karyotype 분석을 PFGE를 통해 조사해보았다. S.
  • Genome shuffling을 위한 원형질체 융합을 위해서는 서로 다른 선택마커(영양요구 및 항생제내성 마커 등)를 가진 두개의 균주가 필요하다. 본 연구에서는 같은 속 간의 원형질체 융합이 아닌 다른 속 간의 원형질의 융합을 시도하고자 한다. Xylose 대사능이 뛰어난 P.
  • 본 연구에서는 다양한 특성을 가진 균주의 육종을 위해 에탄올 내성, 내열성, β-glucanase활성을 가지는 S. cerevisiae 균주와 xylose를 탄소원으로 이용하는 특성을 가지는 P. stipitis 균주를 protoplast fusion의 genome shuffling방법을 이용하여 다른 속(genus)간의 융합을 통한 새로운 균주의 육종을 시도하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
바이오에탄올을 생산하기 위한 효모 균주는 어떤 것이 있는가? 바이오에탄올을 생산하기 위한 효모 균주로는 Saccharomyces cerevisiae, Pichia sp., Kluyveromyces marxianus 등이 있다. 이 중 S.
바이오에탄올은 무엇으로부터 생산될 수 있는가? 이런 대체에너지들 중 휘발유의 대체 연료인 바이오에탄올의 생산에 관한 연구 및 보급이 빠르게 확산되고 있는 추세이다. 바이오에탄올은 다양한 곡물계, 목질계 또는 해조류 유래 바이오매스(cellulose, xylan, agar, laminaran 등)로부터 생산될 수 있으며, 이러한 바이오매스로부터 발효당으로의 당화(saccharification) 및 발효(fermentation)공정이 요구된다[2, 9, 15]. 에탄올의 효율적인 생산을 위해 다양한 미생물들이 사용되고 있지만, 에탄올은 미생물 생장의 저해제로 작용하여 배양 중 에탄올의 축적은 세포 성장과 목적 제품의 생산율 감소로 이어지는 등 세포에 스트레스를 준다고 알려져 있다 [1].
바이오에탄올을 생산하기 위한 효모 균주 중 S. cerevisiae는 어떤 특징을 갖는가? 이 중 S. cerevisiae는 대표적인 전통 알코올발효 미생물로서 그 이용가치가 높고 genome 서열이 다 밝혀져 있기 때문에 재조합균주의 제작 등 분자유전학적 균주 육종에 유용하다. 또한 Pichia pastoris는 메탄올 자화효모로서 고농도 세포 배양 시발생되었던 단백질 발현률 저하를 막을 수 있다는 장점이 있으며[11], P.
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참고문헌 (16)

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

  2. Bae, Y. W., Seong, P. J., Cho, D. H., Shin, S. J., Kim, S. W., Han, S. O., Kim, Y. H. and Park, C. H. 2010. Bioethanol Production Based on Lignocellulosic Biomass with Pichia stipitis. KSBBJ 25, 533-538. 

  3. 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. 

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

  5. 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. Kor. J. Microbiol. Biotechnol. 39, 111-118. 

  6. Jung H. M. and Kim, Y. H. 2018. Simultaneous Overexpression of Integrated Genes by Copy Number Amplification of a Mini-Yeast Artificial Chromosome. J. Microbiol. Biotechnol. 28, 821-825. 

  7. 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. Kor. Soc. Biotech. Bioeng. 26, 427-432. 

  8. Park, A. H. and Kim, Y. H. 2013. Breeding of ethanol producing and tolerant Saccharomyces cerevisiae by using genome shuffling. J. Life Sci. 23, 1192-1198. 

  9. Sakamoto, T., Hasunuma, T., Hori, Y., Yamada, R. and Kondo, A. 2012. Direct ethanol production from hemicellulosic materials of rice straw by use of an engineered yeast strain codisplaying three types of hemicellulolytic enzymes on the surface of xylose-utilizing Saccharomyces cerevisiae cells. J. Biotechnol. 158, 203-210. 

  10. Seok, J. H., Kim, H. S., Hatada, Y., Nam, S. W. and Kim, Y. H. 2012. Construction of an expression system for the secretory production of recombinant ${\alpha}$ -agarase in yeast. Biotechnol. Lett. 34, 1041-1049. 

  11. Seok, J. H., Park, H. G., Lee, S. H., Nam, S. W., Jeon, S. J., Kim, J. H. and Kim, Y. H. 2010. High-level secretory expression of recombinant ${\beta}$ -agarase from Zobellia galactanivarans in Pichia pastoris. Kor. J. Microbiol. Biotechnol. 38, 40-45. 

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

  13. 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. 

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

  15. Yanagisawa, M., Kawai, S. and Murata, K. 2013. Strategies for the production of high concentrations of bioethanol from seaweeds: production of high concentrations of bioethanol from seaweeds. Bioengineered 4, 224-235. 

  16. Zhu, Y., Wu, L., Zhu, J., Xu, Y. and Yu, S. 2018. Quantitative proteomic analysis of xylose fermentation strain Pichia stipitis CBS 5776 to lignocellulosic inhibitors acetic acid, vanillin and 5-hydroxymethylfurfural. FEMS Microbiol. Lett. 365, doi: 10.1093/femsle/fny245. 

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