초록 ▼

Ⅲ. 연구개발의 내용 및 범위
본 연구의 최종목표는 맨하이미아 게놈정보를 활용한 숙신산 생산 통합생물공정 원천기술 개발에 있다. 이를 위해 본 연구진은 우수한 숙신산 과생산 재조합균주개발,균주개발을 위한 다양한 분자생물학적 도구의 개발, 숙신산 생산공정에 대한 최적의 제어시스템의 구축 그리고 고효율 복합분리 정제 기술에 대한 연구를 수행하였다.
먼저, 숙신산 생산 균주인 맨하이미아 균주의 게놈정보를 활용하여 우수한 숙신산과생산 재조합 균주 개발을 위해 본 연구진은 다음과 같은 연구를 수행하였다. 게놈수준에서 맨하이미아 대

Ⅲ. 연구개발의 내용 및 범위
본 연구의 최종목표는 맨하이미아 게놈정보를 활용한 숙신산 생산 통합생물공정 원천기술 개발에 있다. 이를 위해 본 연구진은 우수한 숙신산 과생산 재조합균주개발,균주개발을 위한 다양한 분자생물학적 도구의 개발, 숙신산 생산공정에 대한 최적의 제어시스템의 구축 그리고 고효율 복합분리 정제 기술에 대한 연구를 수행하였다.
먼저, 숙신산 생산 균주인 맨하이미아 균주의 게놈정보를 활용하여 우수한 숙신산과생산 재조합 균주 개발을 위해 본 연구진은 다음과 같은 연구를 수행하였다. 게놈수준에서 맨하이미아 대사특성 파악을 위하여 게놈정보를 활용한 맨하이미아 대사회로를 구축하였으며, 이와 함께 다양한 omics 정보를 확보하기 위하여 맨하이미아 DNA chip 개발 및 단백질체 지도(map)를 완성하였다. 또한 게놈정보를 이용한 최소 배양배지 개발을 최초로 시도하여 개발하였다. 세포 성장 및 숙신산 생산을 위한 최적의 발효조건을 확립하기 위하여 다양한 배양조건에서 다양한 배양방법을 통하여 발효를 수행하였으며, 확보한 정보를 대사특성 파악 및 숙신산 생산 예측에 이용하였다.보다 적극적인 게놈정보 활용을 위하여 본 연구진은 in silico modeling 기법을 통한 가상의 균주 예측기술을 개발하였다. 끝으로, 상기에서 개발한 원천기술들을 적용한 최적의 숙신산 생산 재조합 균주 개발 연구와 친환경·경제적인 숙신산의 분리·정제공정 개발 연구를 연계하여 체계적인 연구를 지속적으로 진행하고 있다.
또한, 고효율 숙신산 생산 맨하이미아 재설계를 위한 기반 분자생물학 도구 개발을 목표로 유전자 클로닝과 발현을 위한 대장균-맨하이미아 셔틀벡터 제작, 유전자 파쇄시스템의 구축하여 효과적으로 균주개량을 수행할 수 있는 기반을 마련하였다.
셋째로 숙신산 생산 공정 운전 시 필수 충족 조건인 각종 parameter들에 대한 효과적인제어 기술을 확립하기 위해, feedback, feedforward, 그리고 batch control 등의제어 방식을 숙신산 생산 공정에 적용하여 보다 효율적으로 제어할 수 있는 최적의 제어 시스템과 analog control system, on/off control system, DDC (direct digitalcontrol) system, 혹은 DCS (distributed control system) 등 다양한 제어방식의 적용에 따른 발효 공정 제어, 숙신산 생산 조건 제어, 그리고 맨하이미아 균주의 숙신산 생산 효율 증진 제어 메커니즘 등을 비교분석하여 보다 효과적인 운전 제어 기술의 확립을 위한 연구를 수행하였다. 또한, 숙신산 생산 공정의 scale-up을 통해 숙신산을 보다 효율적이면서 대량으로 생산할 수 있는 기반을 확립하기 위해, lab-scale 숙신산 생산 공정에서 이루어 질 기반 기술들과의 비교 • 분석을 통해 bench-scale 공정에서의 숙신산 생산 효율 증진방안을 규명하며, 온도, pH, 공급가스 등 공정 운전 관련 parameter에 고도 제어 시스템을 적용하여 맨하이미아 균주의 배양 및 효율적인 숙신산 생산 공정을 확립하기 위한 연구를 수행하였다.
마지막으로, 숙신산에 특성화된 추출능 특성, 평형데이터 실험, 반응속도론 연구를통한 반응추출분리기술, 감압증발기술, 결정화기술등에 대한 세부적인 연구를 수행하였다. 또한, 고상흡착제를 통한 숙신산의 선택적 분리를 위해 메조포어 물질을 이용하여 실제 배양액에서 효과적으로 숙신산을 분리정제할 수 있는 기술을 개발하였다. 즉,고순도 숙신산 정제공정개발을 위한 저에너지 전처리 반응추출기술과 고도 정제공정의 결정화 공정을 결합한 복합정제공정개발 및 다양한 조업인자에 따른 반응추출, 반응증류, 결정화기술에 따른 분리정제특성연구를 통해 최적의 숙신산 분리정제 공정개발 연구를 수행하고, 이에 따른 전체공정의 경제성평가를 수행하였다.

Abstract ▼

III. Contents and the range of the project
The ultimate purposes of this project are 1) to develop a recombinant strain capable of overproducing succinic acid using the genome information of M. succiniciproducens 2) to optimize the process by applying several control method and system 3) to devel

III. Contents and the range of the project
The ultimate purposes of this project are 1) to develop a recombinant strain capable of overproducing succinic acid using the genome information of M. succiniciproducens 2) to optimize the process by applying several control method and system 3) to develop an efficient separation and purification processes. In order to reach this purposes, we have accomplished several goals as follows.
In the development of the recombinant strains, first, we developed a variety of effective and robust metabolic engineering tools required for the gene deletion and amplification of M. succiniciproducens. Simultaneously, we have constructed the metabolic network based on the genomic information to elucidate the metabolic characteristics of M.succiniciproducens at genome-scale. We also developed and constructed the DNA chip and proteomic map of M. succiniciproducens to gain better insight into the cellular physiology at the systems level. We invented a new method to formulate a chemically defined medium for this organism using its genomic information for the first time. We then performed fermentations under various different conditions, and applied several fermentation techniques to increase cellular succinic acid production and growth. By integrating the aforementioned data, we have tried to gain deeper understanding of the metabolic characteristics of M.succiniciproducens, and to develop an in silico methodo ogy for rational design of metabolic engineering experiments. Finally we developed a new in silico technique that predicts the cell growth and succinic acid production in response to different environmental and genetic perturbations. We continue to optimize the M. succiniciproducens strain using the aforementioned techniques developed in this project, and develop environmentally friendly and cost effective downstream process.
In the aspect of optimized process control, we apply several control system such as feedback, feedforward, batch control, and several control method such as analog control system, on/off control system, DDC and DCS to enhance the productivity of the fermentation process. We also establish a basis for the scale-up process.
In the development of separation and purification, we combine reactive extraction, vacuum evaporation, and crystalization methods to develop a highly efficient purification process.

목차 Contents

• 제 출 문 ... 2
• 보고서 초록 ... 3
• 요 약 문 ... 4
• SUMMARY ... 9
• CONTENTS ... 13
• 목 차 ... 14
• 제 1 장 연구개발과제의 개요 ... 15
• 제 1 절. 연구개발의 목적 ... 15
• 제 2 절. 연구개발의 필요성 ... 16
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황 ... 20
• 제 1 절. 국내 기술개발 현황 ... 20
• 제 2 절. 국외 기술개발 현황 ... 21
• 제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 26
• 제 1 절. 대사공학에 필요한 기반 기술 확립 ... 26
• 제 2 절 맨하이미아 전사체 분석을 위한 DNA microarray ... 63
• 제 3 절. 맨하이미아의 단백질체 분석기술 개발 및 응용 ... 106
• 제 4 절. 맨하이미아의 대사회로 구축 및 응용 ... 125
• 제 5 절. 발효기법을 통한 숙신산 생산능 향상 ... 143
• 제 6 절. 숙신산 과생산 재조합 맨하이미아 균주 개발 ... 180
• 제 7 절. 대장균을 이용한 숙신산 생산 ... 232
• 제 8 절. 전사조절 인자 비교 분석 ... 247
• 제 9 절. A rcA B 2개-인자 신호전달계 ... 259
• 제 10 절. QseBC 2개-인자 신호전달계 ... 276
• 제 11 절. 숙신산 생산 공정의 제어 기술 개발 ... 292
• 제 12 절 Lab-scale 에서의 숙신산 생산 공정 ... 303
• 제 13 절. Bench-scale 에서의 숙신산 생산 공정 ... 325
• 제 14 절. 효율적인 숙신산 개발을 위한 복합공정 개발연구 ... 330
• 제 15 절. 반응추출 분리기술에 대한 평형데이터 연구 ... 332
• 제 16 절. 반응추출 분리기술에 대한 반응속도론 연구 ... 336
• 제 17 절. 결정화기술에 대한 연구 및 흡착제 개발 연구 ... 343
• 제 18 절. 기타 ... 351
• 제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 366
• 제 5 장 연구개발결과의 활용계획 ... 381
• 제 6 장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 385
• 제 1 절. 대학 및 연구소 ... 385
• 제 2 절. 상업화를 위한 노력 ... 387
• 제 3 절 숙신산 생산공정 개발 연구전망 ... 390
• 제 4 절 숙신산 분리정제기술 동향 ... 391
• 제 7 장 참고문헌 ... 393
• 연구결과 공개제한 요청사유서(해당시) ... 402