보고서 정보
주관연구기관 |
서울대학교 Seoul National University |
연구책임자 |
서진호
|
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
|
발행년월 | 2016-06 |
과제시작연도 |
2015 |
주관부처 |
미래창조과학부 Ministry of Science, ICT and Future Planning |
등록번호 |
TRKO201700011183 |
과제고유번호 |
1711022889 |
사업명 |
중견연구자지원 |
DB 구축일자 |
2017-10-12
|
키워드 |
섬유소바이오매스.3-히드록시프로피온산.재조합 대장균.xylose/포도당 동시이용.대사공학.보효소 공학.유가식 배양.글로벌 최적화.미생물 공장화 기술.Cellulosic biomass.3-Hydroxypropionic acid.Recombinant Escherichia coli.Simultaneous utilization of xylose and glucose.Metabolic engineering.Cofactor engineering.Fed-batch fermentation.Global optimization.Microbial factory technology.
|
DOI |
https://doi.org/10.23000/TRKO201700011183 |
초록
▼
□ 연구의 목적 및 내용
섬유소 바이오매스는 오탄당인 xylose와 육탄당인 포도당을 다량 함유하고 있어 고부가가치 바이오소재를 생산하기 위한 경제적인 탄소원임. Platform 바이오화학소재인 3-히드록시프로피온산(3-hydroxypropionic acid: 3-HP)은 3개의 탄소를 보유하고 있는 유기산으로 다양한 친환경 플라스틱의 합성에 이용됨. 섬유소 바이오매스를 통합적으로 이용하여 3-HP 고농도 생산용 재조합 대장균을 개발하기 위해서 (1) 섬유소 바이오매스 유래의 xylose와 포도당을 동시에 활용할 수 있는 대사
□ 연구의 목적 및 내용
섬유소 바이오매스는 오탄당인 xylose와 육탄당인 포도당을 다량 함유하고 있어 고부가가치 바이오소재를 생산하기 위한 경제적인 탄소원임. Platform 바이오화학소재인 3-히드록시프로피온산(3-hydroxypropionic acid: 3-HP)은 3개의 탄소를 보유하고 있는 유기산으로 다양한 친환경 플라스틱의 합성에 이용됨. 섬유소 바이오매스를 통합적으로 이용하여 3-HP 고농도 생산용 재조합 대장균을 개발하기 위해서 (1) 섬유소 바이오매스 유래의 xylose와 포도당을 동시에 활용할 수 있는 대사경로를 재설계하고, (2) Metabolomics기반 flux analysis와 promoter engineering을 통해서 3-HP의 생산능력이 강화된 재조합 대장균을 구축하며, (3) 글로벌최적화기술을 이용하여 바이오매스 당화액에서 3-HP의 고생산성 발효공정을 개발하고자 함.
□ 연구결과
▷ Saccharomyces cerevisiae 유래의 GPD1, GPP2 유전자를 도입하여 세포 내 glycerol 합성 경로를 구축하였고, glycerol의 산화경로에 관여하는 효소를 암호화하는 유전자인 glpK를 파쇄함으로써 60 g/L의 xylose로부터 16.8 g/L의 glycerol을 합성함.
▷ Pseudomonas aeruginosa 유래의 고활성 ALDH 유전자를 도입하여 E. coli 유래 ALDH 대비 3-HP의 최종 농도(57.4 g/L), 생산성(1.4 g/L·h), 수율(0.9 mole3-HP/moleglycerol)면에서 각각 30%, 10% , 27% 향상됨.
▷ 포도당과 xylose의 혼합당 조건에서 xylose 소모속도가 ptsG 유전자 파쇄를 통해 3.7배(0.14 g/L·h), 돌연변이 프로모터를 이용한 xylR 발현을 통해 5.3배(0.20 g/L·h) 향상됨.
▷ GC-MS를 통해 파악한 속도결정단계의 해소를 위해, GPD1과 gpsA의 벡터 상에서 발현 강도를 조절한 균주를 구축함. 최종적으로 glycerol 축적량(18.4 g/L)은 22% 감소, 최종 3-HP 농도(37.6 g/L)는 33% 증가, 3-HP 생산수율(0.17 g3-HP/gsugars)은 31% 증가됨.
▷ 진화공학적으로 설계된 acetic acid 내성형 균주를 통하여 2%와 4% acetic acid가 포함된 당화 모사액 조성하에서 최대 균체량은 19%와 29% 증가, xylose 소모속도는 53%와 100% 향상, acetic acid 소모속도는 61%와 79% 향상된 재조합 대장균을 구축함.
□ 연구결과의 활용계획
▷ 바이오매스를 이용한 바이오화학소재의 생산기술은 석유를 기반으로 한 화학 산업의 패러다임을 21세기 바이오사회의 목표에 부합되도록 전환시킬 수 있는 핵심기술임.
▷ 환경친화적 기술로 미생물 기반의 3-HP 경제적 대량 생산 기술은 큰 시장 잠재성을 갖는다고 할 수 있음.
▷ 유용 미생물의 시스템 수준의 분석을 통해 다양한 신규 유전자들 및 단백질들의 서열을 확보할 수 있으며 이를 이용하여 고부가가치의 산물을 생산할 수 있는 원천기술을 개발할 수 있음.
▷ 미생물 숙주세포를 재설계할 수 있는 기반기술의 개발을 통해서, 3-HP 이외에 succinic acid, 젖산, 2,3-butanediol, xylitol 등의 바이오화학소재와 기능성 생물소재, 정밀화학소재의 생산 공정 개발에 활용될 수 있음.
( 출처 : 요약문 5p )
Abstract
▼
□ Purpose&contents
Hydrolysis of cellulosic biomass results in a mixture of monosaccharides including xylose and glucose. Economic production of bio-based chemicals such as 3-hydroxy propionic acid (3-HP) requires total utilization of biomass as a carbon source.
3-HP, a value-added platfor
□ Purpose&contents
Hydrolysis of cellulosic biomass results in a mixture of monosaccharides including xylose and glucose. Economic production of bio-based chemicals such as 3-hydroxy propionic acid (3-HP) requires total utilization of biomass as a carbon source.
3-HP, a value-added platform chemical, is a three-carbon organic acid and can be utilized for making eco-friendly plastics. This project aims at development of engineered Escherichia coli systems for efficient production of 3-HP from cellulosic biomass. For this purpose, we will (1) Redesign the metabolic pathways for production of 3-HP from xylose via synthesis of glycerol, a core intermediate of 3-HP (2) Construct a robust E. coli strain with high capability of 3-HP production based on metabolomics and promoter engineering (3) Develop an optimized fermentation process for economic production of 3-HP from the hydrolysate of cellulosic biomass.
□ Result
▷ By introduction of the GPD1 and GPP2 genes from Saccharomyces cerevisiae and disruption of the g/pK gene which were involved in the oxidation pathway of glycerol in E. coli, 16.8 g/L of glycerol was synthesized in engineered E. coli from 60 g/L xylose.
▷ By introduction of the ALDH gene derived from Pseudomonas aeruginosa, the final concentration (57.4 g/L), productivity (1.4 g/L·h) and yield (0.9 mole3-HP/moleglycerol) of 3-HP were increased by 30%, 10% and 27% compared to the corresponding values of control E. coli.
▷ Disruption of the ptsG gene improved xylose uptake rate by 3.7 times (0.14 g/L·h) and overexpression of the xylR gene by the mutant promoter enhanced xylose uptake rate (0.20 g/L·h) by 5.3 times under glucose and xylose condition.
▷ For elimination of the rate limiting step identified on the basis of GC-MS data, a strain with balanced expression of GPD1 and gpsA. Finally, optimization of a fed-batch fermentation using the constructed strain increased 3-HP concentration(37.6 g/L) by 33% and 3-HP yield (0.17 g3-HP/gsugar) by 31%.
▷ Through an evolutionary engineering method, a 3-HP producing E. coli strain with enhanced tolerance to acetate was selected. At high concentration of acetate up to 4 g/L, the selected strain showed an improved fermentation performances: 29% improvement in maximum dry cell weight, 100% in xylose uptake rate and 79% in acetate uptake rate.
□ Expected Contribution
▷ Production of bio-based chemicals from cellulosic biomass is a key technology that can allow the paradigm shift of the chemical industry from hydrocarbons to carbohydrates.
▷ In particular, biotechnological production of 3-HP using cellulosic biomass will be able to provide technical feasibility of 3-HP markets.
▷ By system-level analysis, various novel genes and proteins can be secured and used to produce high-value products.
▷ Microbial factory technology developed in this project will be applicable to industrial production of many bio-based chemicals including succinic acid, lactic acid, 2,3-butanediol and xylitol.
( 출처 : SUMMARY 6p )
목차 Contents
- 표지 ... 1목차 ... 3연구계획 요약문 ... 4연구결과 요약문 ... 5 한글요약문 ... 5 SUMMARY ... 6연구내용 및 결과 ... 7 1. 연구개발과제의 개요 ... 7 2. 국내외 기술개발 현황 ... 9 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 11 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 50 5. 연구결과의 활용계획 ... 54 6. 연구과정에서 수집한 해외 과학기술정보 ... 55 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 56 8. 참고문헌 ... 57 9. 연구성과 ... 58 10. 국가과학기술지식정보서비스에 등록한 연구시설‧장비 현황 ... 62 11. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 62 12. 기타사항 ... 62별첨1 ... 63별첨2 ... 64끝페이지 ... 67
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.