초록 ▼

Ⅲ. 연구개발의 내용 및 범위
본 연구의 최종목표는 맨하이미아 게놈정보를 활용한 숙신산 생산 통합생물공정 원천기술개발에 있다. 본 연구진은 이를 달성하기 위해 총 네 분야의 세부과제를 설정하여, 우수한 숙신산 과생산 재조합 균주 개발, 다양한 분자생물학적 도구의 개발, 생산 공정 최적화, 그리고 고효율 복합분리 정제 기술에 대한 연구를 수행하였다.
제 1세부 연구과제에서는, 먼저 맨하이미아 균주의 특성분석을 위해 다양한 X-ome 분석도구를 개발하고 검증하였다. 이러한 기술을 활용하여 숙신산 생산에 최적화된 균주개량을 위

Ⅲ. 연구개발의 내용 및 범위
본 연구의 최종목표는 맨하이미아 게놈정보를 활용한 숙신산 생산 통합생물공정 원천기술개발에 있다. 본 연구진은 이를 달성하기 위해 총 네 분야의 세부과제를 설정하여, 우수한 숙신산 과생산 재조합 균주 개발, 다양한 분자생물학적 도구의 개발, 생산 공정 최적화, 그리고 고효율 복합분리 정제 기술에 대한 연구를 수행하였다.
제 1세부 연구과제에서는, 먼저 맨하이미아 균주의 특성분석을 위해 다양한 X-ome 분석도구를 개발하고 검증하였다. 이러한 기술을 활용하여 숙신산 생산에 최적화된 균주개량을 위한 target 유전자들을 발굴하였고, 이들을 다시 생산균주에 대사공학적으로 적용하는 시스템 대사공학적 접근방법을 활용하였다. 또한 다양한 탄소원, 질소원 등, 배양환경에 대한 최적화를 동시에 수행하였다. 특히 탄소원에 대해서는 in silico 모사 기법을 활용하고 상기 개발된 분자생물학적 기반기술을 활용하여 최적 탄소원과 그를 활용하기 위한 대사회로의 구성을 동정하였다. 또한 각 균주의 특성에 따른 배양공정의 개발을 통해 한 단계 진보된 생물공정개발의 원천기술을 제시하였으며, 합성생물학적 개념을 도입하여 맨하이미아 균이 합성하지 못하는 필수아미노산 및 비타민에 대한 합성 대사경로를 도입하였고, 조절기작을 포함하는 새로운 개념의 가상 세포 모델을 확립하여 보다 정확한 모사가 가능하도록 하였다.
제 2세부 연구과제에서는, 숙신산 생산 균주 맨하이미아의 유전체 정보를 바탕으로 세포농도, 호기/혐기조건, 질소원 및 외부 스트레스에 따른 다양한 대사조절 신호전달계의 작용기전을 조사하였다. 또한 파쇄돌연변이 균주 특성, 과발현에 의한 조절 타겟 발굴 및 특정 내성 형질 발현 여부 등을 조사하였으며, 균주 개발에 도움이 되는 유용 돌연변이 유도를 위한 양성자 빔조사, 무작위 유전체 단편 과발현/파쇄 라이브러리 활용 등을 시도하였다. 아울러 특이적으로 맨하이미아에 복수로 존재하는 베타갈락토시다아제 유전자의 기능과 해당 단백질의 생화학적 특성을 조사하였으며 해당 유전자를 표지 유전자로 활용하여 각종 프로모터의 발현 양상을 조사할 수 있는 시스템을 구축하였다.
제 3세부 연구과제에서는, 균주의 고농도 배양을 위한 배지조건 및 배양 환경, 공정을 최적화 및 설계하고, 숙신산 생산 수율 향상을 위한 배지 조건, 배양 환경을 확립하는 동시에 각각에 대한 기술을 확보하였다. 또한 다양한 숙신산 생산 저해 요소를 규명하고 그 영향을 최소화하였으며, 다양한 생산 공정을 설계하고 기반 기술을 확립함과 동시에 스케일 업에 대해 연구하였다.
마지막으로, 제 4세부 연구과제에서는 생물학적 숙신산 생산을 위한 고순도 숙신산 정제 및 생산기술에 대한 기반 및 원천기술을 개발하고자 하였다. 숙신산 분리기술의 평형 및 속도론적 기초연구결과를 토대로 다양한 숙신산 분리 및 정제 공정을 완성 및 수립하였다. 즉, 특정 유기산만을 선택적으로 분리 및 정제하는 기술을 개발하여 고순도 숙신산 정제기술을 확립하고, 다양한 분리 정제 기술 공정에 대한 도입 및 응용을 위해 조업 인자에 따른 숙신산 회수 효율에 대한 연구를 진행 하였다 또 감압증류를 통한 직접결정화, 반응추출을 이용한 연속 추출공정, 물분해 전기투석법 등 저에너지 청정 복합분리정제 기술에 대해서 연구하였다.

Abstract ▼

Ⅲ. Contents and the range of the project
The ultimate purpose of this project is to develop an integrated biological process technologies for succinic acid production based on the bacterium M. succiniciproducens. In order to reach this purpose, we have achieved following research goals through co

Ⅲ. Contents and the range of the project
The ultimate purpose of this project is to develop an integrated biological process technologies for succinic acid production based on the bacterium M. succiniciproducens. In order to reach this purpose, we have achieved following research goals through collaboration of four research groups, including 1) developing a recombinant strain capable of overproducing succinic acid, 2) develop diverse molecular biological tools, 3) optimizing production process through process control methods, and 4) developing an efficient separation and purification processes.
For the first research goal that is to develope the succinic acid-overproducing strains, various X-ome analytical tools were developed in order to characterize M . succiniciproducens. These technologies laid the foundation for predicting target genes to engineer for subsequent application of systems metabolic engineering and succinic acid overproduction. Our project achievement also suggests the advanced level-biological processes appropriate for different strains with unique physiological characteristics. Carbon sources that can directly affect succinic acid production were thoroughly investigated and optimized by using in silico simulation and the developed molecular biological tools. This carbon-source optimization included the screening of diverse carbon sources and the systematic analysis of their effects on metabolic pathways. Furthermore, construction of novel in silico models that accompany regulation mechanism are capable of more precise simulation of the target organism.
For the second research goal, stress signal transductions of M. succiniciproducens, which are associated with cell density, aeration condition, nitrogen source and other external stresses, were thoroughly investigated. Also, knockout mutants' phenotypic features, gene regulation targets through gene amplification, and presence of resistance phenotype were investigated. Furthermore, genetic and biochemical aspects of beta-galatosidase that multiply exist in M. succiniciproducens were characterized, and used as a marker gene that measures the expression level of various promoters.
For the third research goal, medium composition, cultivation condition and bioprocesses were optimized for high cell density culture of strains, ultimately for high production yield of succinic acid. Also, various parameters that inhibit high succinic acid production yield were identified, and their effects were minimized. Lastly, various production processes were designed, and relevant technologies were developed for scale-up production system.
For the fourth research goal, original separation and purification processes for highly pure succinic acid were developed using the equilibrium- and rate-controlling-based separation technology. Also, low energy-consuming complex separation and purification techniques were developed using direct crystallization, continuous reactive extraction and water splitting electro dialysis methods

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 2
• 보고서 요약서 ... 3
• 요약문 ... 4
• SUMMARY ... 7
• CONTENTS ... 10
• 목차 ... 10
• 제1장 연구개발과제의 개요 ... 11
• 제1절 연구개발의 목적 ... 11
• 제2절 연구개발의 필요성 ... 11
• 제2장 국내외 기술개발 현황 ... 14
• 제1절 국내 기술개발 현황 ... 14
• 제2절 국외 기술개발 현황 ... 14
• 제3장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 16
• 제1절 맨하이미아의 omics 분석, 숙신산 생산 균주 개발 ... 16
• 제2절 숙신산 생산배지의 최적화 ... 20
• 제3절 고농도의 숙신산 생산을 위한 발효법 ... 21
• 제4절 기타 (경제성 평가, 안정성 평가) ... 22
• 제5절 맨하이미아 스트레스 신호전달 네트워크 규명 및 리모델링 ... 22
• 제6절 맨하이미아의 2 종의 β-galactosidase 특성 규명 ... 23
• 제7절 고농도 균주 생장을 위한 발효조건 최적화 연구 ... 23
• 제8절 다양한 요인에 의한 균주 생장 시 저해 현상 연구 ... 23
• 제9절 효율적인 숙신산 회수를 위한 복합공정 개발연구 ... 23
• 제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 26
• (1) 연구개발의 최종목표 ... 26
• (2) 연차별 연구개발 목표 및 내용 ... 26
• (3) 계획대비 달성도 ... 29
• (4) 위 연구목표(총연구기간)에서 중요도 순으로 5-6개 목표 추출 및 가중치 부여 ... 33
• 제5장 연구개발결과의 활용계획 ... 35
• 제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 36
• 제7장 참고문헌 ... 36