초록 ▼

본 연구에서는 이산화탄소를 이용하여 고부가 유용 물질 (고기능성 카로티노이드)을 생산할 수 있는 고효율 광합성 미생물의 개발하고 개발한 광합성 미생물의 안정적 배양을 통한 유용 카로티노이드의 고농도 생산을 최종 목표로 하여 연구를 수행하였음. 세부적으로 카로티노이드 생산 광합성 균주의 배양 조건 최적화 및 공정 최적화 연구를 수행하여 하ㆍ폐수 1차 처리수를 이용한 광합성 균주 Haematococcus pluvialis의 배지 대체 및 자가 영양 배양 및 이를 통한 고부가 항산화 카로티노이드 astaxanthin 생산 공정을 개발함.

본 연구에서는 이산화탄소를 이용하여 고부가 유용 물질 (고기능성 카로티노이드)을 생산할 수 있는 고효율 광합성 미생물의 개발하고 개발한 광합성 미생물의 안정적 배양을 통한 유용 카로티노이드의 고농도 생산을 최종 목표로 하여 연구를 수행하였음. 세부적으로 카로티노이드 생산 광합성 균주의 배양 조건 최적화 및 공정 최적화 연구를 수행하여 하ㆍ폐수 1차 처리수를 이용한 광합성 균주 Haematococcus pluvialis의 배지 대체 및 자가 영양 배양 및 이를 통한 고부가 항산화 카로티노이드 astaxanthin 생산 공정을 개발함. Astaxanthin 생산을 위한 photoautotrophic induction 공정에서 CO2 농도 및 조사 강도의 최적화. Photoautotrophic induction 공정에서 C/N ratio및 light intensity 조절에 의한 astaxanthin 생산성 증대. 약 350 mg $1-^{1}$의 astaxanthin을 생산 결과를 얻었음 (1단계 기존 생산성에 비해 1.5배 이상 증대). 균주개발을 위한 EMS(Ethyl methane sulfo- nate)를 이용한 point mutation 기술 구축 (DNA 염기서열의 G-C 부분을 A-T로 선택적으로 변이). UV 조사에 의한 random mutation 기술 구축. 돌연변이 유도 기술을 이용한 Nicotine 내성 mutant 균주 2종 확보/ 자가 영양 배양 및 유도공정을 통한 카로티노이드 생산하였음. Mutant 균주의 rapid screening을 위한 카로티노이드의 선택적 분리 기술 개발하였으며 이때 2단계 공정 회수율 98% 이상, overall 회수율 85% 이상으로 나타났음. 평판형 광반응기를 이용한 유가식 배양 공정 구축각각의 영양소 (N, P)에 대한 물질수지식을 확립하였으며, 그 식을 토대로 평판형 광반응기 시스템에서 H. pluvialis의 유가식 배양을 실시하였음. 외래유전자도입을 통한 광합성 미생물의 형질전환기술 개발을 위해 광합성 미생물의 형질 전환 우호 환경 조성을 위한 protoplast 형성 기술 구축하고 Agrobacterium을 이용한 유전자 직접 삽입을 통한 광합성 미생물 형질 전환 기술 구축하였음. 또한 대사공학적 카로티노이드 생산성 증대를 위해 연구에 사용할 카로티노이드합성 단백질 유전자 (cDNA) 확보하였음. 외래 유전자 도입을 위한 vector system을 구축하였음.

Abstract ▼

The ketocarotenoid astaxanthin from the green alga Haematococcus pluvialis has been gained increasing attention because of its strong antioxidant properties as well as optically pure (3S,3'S) chirality. However, the largest producers of astaxanthin today do not produce astaxanthin from Haematococcus

The ketocarotenoid astaxanthin from the green alga Haematococcus pluvialis has been gained increasing attention because of its strong antioxidant properties as well as optically pure (3S,3'S) chirality. However, the largest producers of astaxanthin today do not produce astaxanthin from Haematococcus but via chemical synthesis because of the low production cost for synthetic astaxanthin. To reduce the cost of producing astaxanthin from Haematococcus, it is essential to enhance the productivity of this process. In this dissertation, novel processes of upstream and downstream were proposed for enhanced production of astaxanthin in H. pluvialis, focusing on following items: the high cell density culture of H. pluvialis, the enhancement of astaxanthin accumulation in biomass, and the high yield separation of free-astaxanthin.
The objective of this study is developing the core technologies which are needed to commercialize the astaxanthin production by biological $CO_{2}$ fixation. As the cost competitiveness of astaxanthin is the most important factor for the commercialization of the process, some fundamental works on the enhancement of astaxanthin productivity and the mass production technologies have been carried out. Through the genetic transformation and optimization of culturing the astaxanthin productivity and the content could be reached to 350 mg/L and 10 % of dry cell weight respectively. The values were two times higher than those reported ever in the literature. The biological fixation system could be successfully operated with actual flue gas using sun light. In conclusion, fundamental works have been done to commercialize the astaxanthin production by biological $CO_{2}$ fixation. From the further works to improve the strain producing astaxanthin are found to be needed.

목차 Contents

• 제출문 ...1
• 초록 ...2
• 요약문 ...3
• SUMMARY...7
• CONTENTS...10
• 목차 ...11
• 제1장 연구개발과제의 개요 ...12
• 제1절 연구개발의 목적 ...12
• 제2절 연구개발의 필요성 ...13
• 제3절 연구개발의 범위 ...18
• 제2장 국내외 기술개발 현황 ...20
• 제1절 서론 ...20
• 제2절 국내외 기술개발 동향 ...22
• 제3절 조사 연구개발 사례에 대한 평가 ...26
• 제4절 본 연구의 국내외 기술개발 현황에서의 위치 ...27
• 제3장 연구개발수행 내용 및 결과 ...28
• 제1절 이론적 배경 ...28
• 제2절 카로티노이드 생산 광합성 균주의 표현형 최적화 및 카로티노이드 생산 공정 최적화 ...36
• 제3절 고농도 배양이 용이한 광도 독립성 유용 카로티노이드 생산 광합성 균주 개발 ...45
• 제4절 카로티노이드 합성 관련 유전자 확보 및 유전자 재조합 기술을 이용한 목적 카로티노이드의 고 생산성 광합성 균주 개발 ...53
• 제5절 대량 옥외배양을 위한 해마토코쿠스 종의 환경 적응성 조사 ...67
• 제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ...91
• 제1절 연구개발 목표의 달성도 ...91
• 제2절 관련 분야의 기술발전에의 기여도 ...94
• 제3절 파급효과 ...96
• 제5장 연구개발결과의 활용계획 ...99
• 제1절 추가연구의 필요성 ...99
• 제2절 타 연구에의 응용 ...100
• 제3절 기업화 추진방안 ...101
• 제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ...103
• 제7장 참고문헌 ...104