초록 ▼

(1) 연구개발의 목표
지구 온난화 및 세계 에너지 수요의 급속한 증가와 함께 화석에너지의 고갈에 대비하여 새로운 대체 에너지의 개발과 이용확대가 더욱 절실한 상황이다. 특히, 신ㆍ재생에너지 중 태양에너지를 식물체에 고정시켜 이를 에너지원으로 전환하는 지속가능한 바이오 에너지는 현재 세계 에너지 시장의 15%를 점유하고 있고 향후 2035 년경에는 전체 시장의 23%에 이를 것으로 전망되고 있다. 그 중 바이오 부탄올은 최근 가솔린과 유사한 정도의 높은 에너지 밀도를 가질 뿐만 아니라, 흡습성 및 휘발성이 낮아 바이오 디젤 및

(1) 연구개발의 목표
지구 온난화 및 세계 에너지 수요의 급속한 증가와 함께 화석에너지의 고갈에 대비하여 새로운 대체 에너지의 개발과 이용확대가 더욱 절실한 상황이다. 특히, 신ㆍ재생에너지 중 태양에너지를 식물체에 고정시켜 이를 에너지원으로 전환하는 지속가능한 바이오 에너지는 현재 세계 에너지 시장의 15%를 점유하고 있고 향후 2035 년경에는 전체 시장의 23%에 이를 것으로 전망되고 있다. 그 중 바이오 부탄올은 최근 가솔린과 유사한 정도의 높은 에너지 밀도를 가질 뿐만 아니라, 흡습성 및 휘발성이 낮아 바이오 디젤 및 바이오 에탄올을 능가하는 새로운 바이오 연료로 급부상 중이다. 그러나 최근까지 부탄올의 생물학적 생산은 생산성이 낮은 Clostridium 의 ABE (Acetone-Butanol-Ethanol) fermentation 에 의존하고 있어 경제적인 생산에 한계가 있다.
따라서 본 연구팀은 부탄올의 경제적인 대량생산을 위한 고효율 생산 균주를 개발하여 가솔린 및 유용 화합물의 전구물질을 경제성있게 상업적으로 대체할 수 있는 부탄올을 공급하고자 한다.
(2) 연구 내용
본 연구진은 고효율 생산 균주(E. coli와 Clostridium)를 개발하여 차세대 연료로 각광받고 있는 부탄올을 대량생산하고자 한다. 이를 위한 최적화된 바이오 부탄올 생산 균주 구축을 위해 미생물의 유전자 발현 시스템을 조절하여 바이오 부탄올 생산을 위한 세포 내 대사회로를 재설계하고, 새로운 DNA scaffold 시스템을 개발하여 바이오 부탄올 생합성 관련 효소작용의 최적화 및 바이오 부탄올 생산 대사회로의 최적화를 통해 고효율 바이오 부탄올 생산 균주를 구축하여 바이오 부탄올을 산업적으로 대량 생산하고자 한다.
① 효과적인 바이오 부탄올 생산을 위한 대장균 및 Clostridium 내 대사회로 재설계
- 바이오 부탄올 생산 유전자의 효율적 발현시스템 구축을 위해 바이오 부탄올 생산 관련 유전자들을 operon으로 구축
- 바이오 부탄올 생산 관련 유전자들의 발현 순서 최적화.
- 인공회로제어 시스템을 이용하여 바이오 부탄올 생산 대사회로를 재설계하여 기존의 한계를 뛰어넘는 바이오 부탄올 생산회로 구축.
② DNA scaffold system을 이용한 바이오 부탄올 생산 대사회로 최적화
- 바이오 부탄올 생합성에 관련된 유전자에 DNA scaffold 기술을 도입하여 대사회로 상에 필요한 각각의 효소간의 반응을 최적화하고 중간대사산물의 diffusion에 의한 반응 속도저하의 최소화 및 생산효율을 증가시키고 독성 중간대사산물의 축적을 막아 바이오 부탄올의 생산을 최적화.
③ 바이오 부탄올의 대량생산
- 바이오 부탄올 생산 균주에서 효과적인 바이오 부탄올의 대량생산을 위한 생산공정의 최적화
설정한 달성 목표 (2011)
ZFP 를 이용한 DNA scaffold system 구축 및 DNA scaffold system 을 통한 고효율 부탄올 생산균주 구축
▫ 바이오 부탄올 생합성에 관련된 유전자에 DNA scaffold 기술을 도입
▫ 대사회로 상에 필요한 각각의 효소간의 반응 최적화
바이오 부탄올 생합성 대사회로 최적화
▫ 바이오 부탄올 생산과 관련된 유전자들을 operon 으로 구축 및 발현순서 최적화
▫ 인공회로제어 시스템을 이용하여 바이오 부탄올 생산 대사회로를 재설계
기체탈리 (Gas-stripping) 시스템 구축
최소 1 개월 이상 degeneration 없는 연속발효 가능한 시스템 구축
현재 달성 현황
DNA scaffold system 을 통한 고효율 부탄올 생산균주 (E. coli 및 Clostridium) 구축
▫ Candida boidinii 유래의 formate dehydrogenase (Fdh-1) 유전자 발현을 통한 NADH/NAD+의 균형적인 조절
부탄올 내성 증가
▫ 세포벽 구조 및 기능을 재설계하여 E. coli의 부탄올 내성 증가
- UFAs (fabD, fabB, fabF) 의 합성과 관련된 유전자들의 co-expression을 통한 Cisvaccenic acid의 증가
- E. coli의 fabB와 fabF 을 L. lactis유래의 fabB, fabF으로 치환
▫ Chaperon DnaJ의 과발현을 통한 1-butanol에 대한 내성 증가 바이오 부탄올 생합성 대사회로 최적화
▫ Clostridium 유래의 1-butanol 합성유전자 (thiL, hbd, crt, ccr, aad)의 E. coli 내 도입 및 발현
▫ thiL 유전자를 E. coli 내의 atoB 유전자로의 치환을 통한 1-butanol 생산증가
기체탈리 시스템 제작 및 1 개월 degeneration 없는 연속발효 가능한 발효 시스템 구축
Gas-stripping 시스템을 이용한 발효시스템 구축
1 개월 이상 degeneration 없는 연속발효 시스템 구축

Abstract ▼

(1) Research Objectives
Concerns about the shortage of available fossil fuels in future, coupled with environmental problems resulting from their production and use, have spurred increased efforts to synthesize biofuels from renewable resources. Among biofuels, butanol has recently received a spe

(1) Research Objectives
Concerns about the shortage of available fossil fuels in future, coupled with environmental problems resulting from their production and use, have spurred increased efforts to synthesize biofuels from renewable resources. Among biofuels, butanol has recently received a special attention because of its great advantages over other biofuels such as ethanol. Butanol has higher energy density and lower hygroscopicity than ethanol. In addition, it is less corrosive and is easier to blend with gasoline or diesel fuels. Typically, butanol is produced by Clostridium acetobutylicum in a mixed-product fermentation, which limits the economical mass production of butanol because of its poor productivity. Moreover, the cellular and metabolic reactions in biological systems of a living organism are orchestrated as complex networks of individual reactions which seem like precisely designed and ordered for the survival of the living organism. However, the actual reaction depends on the concentration of substrates, simple-diffusion of metabolites and enzymes causes the inefficiency of metabolic reactions by lowering the local concentration around the enzymes.
Furthermore, release of intermediates with toxicity to the host cell by simple-diffusion also inhibits the activity of many cellular functions.
Herein we will engineer a novel butanol synthesis pathway into Escherichia coli that has a fast growth rate, allowing for a flexible and economical process design for the large-scale economical production of butanol. Moreover, host strains (E. coli and C. acetobutylicum) with a high production yield will be constructed by reprogramming the 6 whole gene expression profiles of the strains using novel artificial transcription factors and DNA scaffold systems. A DNA scaffold system can promote the proximity of metabolic enzymes and increase the local concentration of intermediates turn out to be the most promising approach.
(2) Contents
For the mass production of the next-generation biofuel, bio-butanol, a synthetic genomics approach will be explored to genetically modify host microorganisms (E. coli and C. acetobutylicum) to become more efficient bio-butanol synthesizers. To produce butanol in E. coli, a recombinant butanol production pathway will be introduced and expressed in E. coli. To further improve butanol production, host strains (E. coli and C. acetobutylicum) with a high production yield will be constructed by reprogramming the whole gene expression profiles of the strains using novel artificial transcription factors.
Furthermore, optimization of butanol synthetic pathway using the DNA scaffold system which can promote the proximity of metabolic enzymes and increase the local concentration of intermediates. Taken together, our strategy can lead to the economical mass production of bio-butanol for commercial uses.
1. Construction of the custom-designed microorganisms, in which cellular metabolites and energy sources will be optimized, directing toward the efficient production of biobutanol
2. Optimization of butanol synthetic pathway using the DNA scaffold system
- Promote the proximity of metabolic enzymes and increase the local concentration of intermediates.
- Reduce accumulation of intermediates with toxicity which inhibits the activity of many cellular functions of the host cell.
3. Optimization of culture and fermentation conditions for the mass production of biobutanol.

목차 Contents

• 표지 ... 1
• EEWS Research 2011 Final Report ... 2
• Summary (English) ... 5
• 국문 요약문 ... 7
• 1. 연구목적 ... 10
• (1) EEWS 관점에서 주제의 중요성 ... 10
• (2) Academic Creativity 및 예상 Impact ... 10
• (3) 산업화 기여 가능성 ... 10
• 2. 연구목표 ... 11
• 3. 연구방법 ... 12
• 가. 연구 방법론, 방법론의 우위성 및 한계 ... 12
• 나. 경쟁적 방법론과의 대비 ... 22
• 4. 연구결과 및 고찰 ... 23
• (1) 연구 결과 ... 23
• 5. 연구결과물 발표실적 ... 34
• (1) 학회발표 ... 34
• (2) 논문 ... 35
• (3) 특허 ... 35
• (4) 기타 ... 35
• 6. 참고문헌 ... 36
• 끝페이지 ... 38