초록 ▼

본 연구팀은 과제수행 기간 (2013.11-2016.10)동안 세부적으로 다음과 같은 연구 성과들을 이루었다.

1) 기존 연구들과 차별화된 균주를 이용하여 2,3-부탄다이올 생산 가능성을 확인함.
· 기존의 대부분의 2,3-부탄다이올 생산연구에서는 Klebsiella 종의 균주가 많이 이용되었으나, 병원성의 균이라는 단점을 갖고 있는바, 본 연구에서는 상대적으로 연구가 진행되지 않았으며 안정성이 높은 Enterobacter aerogenes (E. aerogenes) 균주를 2,3-부탄다이올 생산 균주로 선정하여

본 연구팀은 과제수행 기간 (2013.11-2016.10)동안 세부적으로 다음과 같은 연구 성과들을 이루었다.

1) 기존 연구들과 차별화된 균주를 이용하여 2,3-부탄다이올 생산 가능성을 확인함.
· 기존의 대부분의 2,3-부탄다이올 생산연구에서는 Klebsiella 종의 균주가 많이 이용되었으나, 병원성의 균이라는 단점을 갖고 있는바, 본 연구에서는 상대적으로 연구가 진행되지 않았으며 안정성이 높은 Enterobacter aerogenes (E. aerogenes) 균주를 2,3-부탄다이올 생산 균주로 선정하여 연구를 수행함.

2) 바이오매스 유래의 물질들이 2,3-부탄다이올 생산에 미치는 영향을 규명함.
· 바이오매스 유래의 저해물질들이 바이오에탄올 생산에 미치는 영향평가는 많이 보고가 되었으나, 2,3-부탄 다이올 생산에 미치는 영향에 대한 연구는 실질적으로 많이 이루어지지 않은 상태임. 이에 본 연구에서는 바이오매스의 전처리 과정에서 부산물로 발생하는 유기산계 물질, 퓨란계 물질 및 페놀계 물질들이 2,3-부탄 다이올 생산에 미치는 영향을 확인함.
· 페놀계 물질들(syringal aldehyde와 coumaric acid)은 적은 농도(1.5 g/L 이하)에서도 E. aerogenes의 생장과 2,3-부탄다이올 생산 효소의 활성에 극심한 저해 현상을 일으켜 2,3-부탄다이올의 생산이 이루어지지 않도록 하였으며, 그 다음으로는 퓨란계 물질(5-hydroxymethylfurfural과 furfural)이 4 g/L 이상의 농도에서 저해를 일으키는 것으로 확인됨. 유기산계 물질들의 경우에는 아세트산과 포름산의 경우 1-10 g/L의 범위에서는 별다른 저해현상을 일으키지 않았으나, 레불린산은 7 g/L 이상의 농도에서 부탄다이올 생산에 저해 현상을 일으킴.

3) 생산배지에 아세테이트 첨가를 통해서 2,3-부탄다이올의 생산량을 증가시킴.
· 저해인자 연구과정 중에 아세테이트 이온이 첨가된 배지에서 2,3-부탄다이올의 생산량과 생산 수율이 증가한다는 점에 착안하여, 최적의 아세테이트 공급원과 농도를 확인하기 위한 실험을 수행하였고, 아세테이트 이온이 2,3-부탄다이올 생산 증가를 유발시키는 이유를 real time PCR을 이용하여 유전자 발현 수준에서 규명함.
· 최적의 아세테이트 공급원 및 그것의 농도는 각각 포타시움 아세테이트와 0.1 M인 것으로 나타났으며, 생산 배지에 이러한 조건의 아세테이트를 첨가하여 pH 조절 없이 플라스크에서 발효 실험을 수행한 결과, 2,3-부탄다이올의 생산량이 대조군대비 최대 약 4.7배 증가하는 것으로 나타났으며, 이러한 증가의 원인은 아세테이트가 2,3-부탄다이올 생산 관련 유전자들의 발현량을 증가시켰기 때문이란 것을 밝혀냄.

4) 유전자 조작을 통해 2,3-부탄다이올의 생산량을 증가시키는 균주를 개발함.
· 미생물을 이용한 2,3-부타다이올의 생산은 여러 가지 부산물(다양한 유기산 및 에탄올)을 동시에 생산하기에 유전자 조작을 통해 다른 부산물들의 생산 대사 경로를 차단함으로서 2,3-부탄다이올 생산량 증가를 유도함.
· 에탄올 생성 유전자를 제거한 균주는 원균주와 별다른 차이를 보이지 않았으나, 락테이트 생성 유전자를 제거한 균주는 pH 조절 없이 플라스크에서 발효 실험을 수행한 결과 원균주 대비 2,3-부탄다이올 생산량이 약 2.5배 증가함.

종합적으로 본 연구를 통하여 부탄다이올 생산 균주 개발은 물론, 바이오매스 전처리에서 발생하는 부산물의 재활용, 다양한 바이오매스로의 적용과 생산물의 다양화와 관련한 연구를 동시 수행하였으며, 이를 바탕으로 SCI(E) 논문 6건 게재, 특허 출원 및 등록 각각 1건, 국제학술발표 6건, 국내학술발표 8건 및 수상 3건(연구책 임자 1건, 참여연구원 2건) 등의 우수한 연구성과를 도출하였다.
(출처 : Ⅰ. 연구결과 요약문 4P)

Abstract ▼

During research period (2013.11-2016.10), we achieved following results.

1) 2,3-butanediol production using differentiative strain compared to previous studies
· Previous studies for 2,3-butanediol production were mostly performed with Klebsiella sp. which are pathogenic strain. So, we sel

During research period (2013.11-2016.10), we achieved following results.

1) 2,3-butanediol production using differentiative strain compared to previous studies
· Previous studies for 2,3-butanediol production were mostly performed with Klebsiella sp. which are pathogenic strain. So, we selected a Enterobacter aerogenes ATCC 29007 with higher safety.

2) Evaluation of effects of compounds derived from biomass on 2,3-butanediol production
· Although many studies have evaluated the effects of lignocelluloses-derived inhibitors on microbial growth and production of bioproducts, those studies have mainly focused on bioethanol production. These circumstances motivated us to investigate the effects of compounds from lignocellulosic biomass (weak acids, furan derivatives and phenolics) on cell growth and 2,3-butanediol production by E. aerogenes ATCC 29007.
· Phenolic compounds (syringal aldehyde and coumaric acid) showed the most toxic effects on cell growth and 2,3-butanediol production with low concentration (below 1.5 g/L), followed by furan derivatives(furfural, 5-HMF) and levulinic acid. Severe inhibitory effects were not observed in the presence of less than 10 g/L of acetic acid and formic acid.

3) Stimulation of 2,3-butanediol production by acetate addition
· In our previous study, we found that acetate could increase production and yield of 2,3-butanediol. Therefore, optimal source of acetate and its concentration were determined and mechanism of improving 2,3-butanediol production by acetate addition was investigated in gene expression level using real time PCR.
· Optimal source of acetate and its concentration were potassium acetate and 0.1 M, respectively. In this condition, 2,3-butanediol production in flask cultivation was increased 4,7-fold with acetate compared to without acetate and these increases were caused by improved transcription of genes involved in 2,3-butanediol formation.

4) Strain development for 2,3-butanediol production
· 2,3-Butanediol in bacterial metabolism is produced from mixed-acid fermentation pathway. Besides 2,3-butanediol, a mixture of various organic acid and ethanol is produced from pyruvate as well during the fermentation. Therefore, increase of 2,3-butanediol production was induced by blocking the pathway for other metabolites.
· Even though significant increase was not observed with E. aerogenes △adh (deletion of gene for ethanol) compared to wild, E. aerogenes △ldh, which is missing gene for lactate, showed 2.5-fold increase of 2,3-butanediol.

In conclusion, our current study covers strain development, technology for increase of 2,3-butanediol production and 2,3-butanediol production from biomass. Also, we make following results of research through this study. Research results: 6 SCI(E) papers, 1 patent application, 1 patent registration, 13 poster presentations, 1 oral presentation, 3 awards.
(출처 : Ⅰ. Summary 5P)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 목차 ... 3
• Ⅰ. 연구결과 요약문 ... 4
• Ⅰ. Summary ... 5
• Ⅱ. 연구내용 및 결과 ... 6
• 1. 연구과제의 개요 ... 6
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 6
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 7
• 4. 목표 달성도 및 관련 분야에의 기여도 ... 23
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 26
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 27
• Ⅲ. 연구성과 ... 28
• 끝페이지 ... 33