초록 ▼

1. 연구 목표
○ 비광합성 해양·극한 미생물의 탄소고정 및 대사과정 규명 및 활용 기술 개발
- 다양한 해양·극한 환경으로부터 비광합성 미생물·유전자원을 확보하고 다양한 오믹스 분석을 통해 탄소대사 과정 이해
- 보유한 탄소대사경로를 기반으로 게놈 편집(genome editing), 대사경로 재설계 등을 통한 유용물질 생산 균주 제작 및 성능평가
- C1가스/해양바이오매스 기질을 이용한 미생물 고농도 배양기술 개발

2. 연구 결과
(1) 비광합성 해양·극한 미생물·유전자원 확보 및 분석

1. 연구 목표
○ 비광합성 해양·극한 미생물의 탄소고정 및 대사과정 규명 및 활용 기술 개발
- 다양한 해양·극한 환경으로부터 비광합성 미생물·유전자원을 확보하고 다양한 오믹스 분석을 통해 탄소대사 과정 이해
- 보유한 탄소대사경로를 기반으로 게놈 편집(genome editing), 대사경로 재설계 등을 통한 유용물질 생산 균주 제작 및 성능평가
- C1가스/해양바이오매스 기질을 이용한 미생물 고농도 배양기술 개발

2. 연구 결과
(1) 비광합성 해양·극한 미생물·유전자원 확보 및 분석
- 대양 및 연안환경으로부터 24종 41주의 신규 미생물자원 확보
- 확보 균주 중 6균주의 CO, CO₂ 대사능 비교를 통해 집중 연구 대상으로 Moorella thermoacetica와 Acetobacterium sp. HAWD4 선정
- 비광합성 자가영양미생물 표준균조 4종 확보
- Moorella thermoacetica CLWD1를 보고된 12주의 Moorella thermoacetica와 비교유전체 분석을 수행함으로써 2,3-BDO 대사경로 관련 유전자와 활성이 있음을 확인
- 2단공정을 고려하여 유기산 이용에 특화된 Alcanivorax gematiniphagus의 유전체 정보를 분석하여 바이오플라스틱 (Polyhydroxybutyrate) 생산경로를 확인함

(2) 해양·극한 미생물 탄소대사 재설계 및 성능평가
- Hydrogenobacter thermophilus TK-6, Thermosulfidibacter takaii ABI70S6 유래 rTCA 대사경로 클로닝; Isocitrate dehydrogenase 유전자 도입 NA1 돌연변이 균주 제작
- Carboxydothermus hydrogenofomans 유래 WLP 대사경로 클로닝
- Acetogen에 활용 가능한 벡터 확보, 검증을 통하여 pCB102, pAMβ1, pIP404 등이 유용함을 확인
- 당화효소군 및 알콜대사 관련 유전자 도입 재조합 균주 3주 제작
- 단백질 전자전달 기술을 이용하여 세계최초로 일산화탄소를 포름산으로 전환하는 합성 효소, 일산화탄소:포름산 산화환원효소 (carbon monoxide:formate oxidoreductase, CFOR) 개발

(3) 해양·극한 미생물 생물반응기 배양기술
- 일산화탄소:포름산 산화환원효소 (carbon monoxide:formate oxidoreductase, CFOR)를 도입한 재조합 균주를 이용하여 CO 가스로부터 400 mmol/L/day의 포름산 생산성 달성
- 하동 발전으로부터 전달받은 개미산, 개미산염이 6시간 이내에 90% 수준으로 수소로 전환됨을 확인

3. 활용 계획
- 당초 계획과 달리 2+3년의 2단계 계획 중 1단계에서 종료됨에 따라 후속과제에서 확보된 균주, 구축 시설, 기술 등을 활용하여 지속적으로 자가영양미생물 확보 및 특성 분석, 대사경로 편집기술과 대량배양기술의 고도화를 통해 C1가스 전환기술 고도화를 목표로 연구개발을 수행

(출처 : 초록 4p)

Abstract ▼

IV Results
1. Acquisition and analysis of novel marine and extreme microbial resources
○ Acquisition of novel microorganisms
- Acquired 4a strains affiliated with 24 species from coastal and open oceans
- Two strains, Moorella thermoacetica and Acetobacterium sp. HAWD4 were selected for

IV Results
1. Acquisition and analysis of novel marine and extreme microbial resources
○ Acquisition of novel microorganisms
- Acquired 4a strains affiliated with 24 species from coastal and open oceans
- Two strains, Moorella thermoacetica and Acetobacterium sp. HAWD4 were selected for further study based on metabolism of CO and CO₂ gases
- Acquiring type strains such as Moorella thermoacetica DSM 521, Hydrogenobacter thermophilus TK-6, Carboxydothermus hydrogenofomans Z-2901, Aquifex pyrophilus DSM 6858, and Thermosulfidibacter takaii ABI70S6 from culture collection or isolaters as genetic resources

○ Characterization of acquired microorganisms
- Novel 2,3-BDO producing process was mined from Moorella thermoacetica CLWD1 via comparative genomic analysis of 13 genome sequenced Moorella thermoacetica strains
- The novel pathway is two enzyme pathway(ALS/BDH) rather than well known 3 step process
- Biosynthetic pathway of polyhydroxybutyrate was confirmed from Alcanivorax gematiniphagus, that can transform short chain organic acids to high molecular weight lipids compounds

2. Development of strains that has reconstructed carbon metabolism pathway and verification of the strains
○ Development of strains get carbon fixing ability
- Cloning of rTCA cycle gene set from Hydrogenobacter thermophilus TK-6 ; Construct mutant NA1 strain that incorporated Isocitrate dehydrogenase gene
- Wood-Ljingdahl pathway of Carboxydothermus hydrogenofomans was colned
- Preparation of vector plasmid for cloning full rTCA cycle gene cluster from hyperthermophilic and chemolithotrophic strain Thermosulfidibacter takaii ABI70S6
- Various vector systems for acetogen manipulation were investigated and pCB102, pAMβ1, and pIP404 were setlected for future application
- Construct 3 recombinant strains that acquired genes concerned in saccharification and alcohol metabolism process

○ Development of recombinant strains that acquired newly rearranged C1 gas metabolic process
- Design and construction of carbon monoxide:formate oxidoreductase (CFOR) fusion protein, purify proteins, and confirm its activity
- Construct total 12 recombinant strains acquired fusion protein genes
- Investigated the process of CO⇒formate
- Novel artificially constructed carbon monoxide:formate oxidoreductase (CFOR) was developed via understanding and application of electron transport mechanism at first in the World

3. Mass culture techniques of marine and extreme microorganisms using Bioreactor
- Recombinant Thermococcus onnurineus BCF12 strain that acquired carbon monoxide:formate oxidoreductase (CFOR) was cultivated at bioreactor under various conditions and finally reached 400 mmol/L/day productivity of CO via transformation of formate
- Approx. 90% of formate or formic acid salt from Hadong Power plant was tranfromed to hydrogen within 6 hours of cultivation

(출처 : SUMMARY 13p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 3
• 보고서 초록 ... 4
• 요 약 문 ... 6
• SUMMARY & KEYWORDS ... 11
• C O N T E N T S ... 16
• 목차 ... 18
• 제1장 연구개발 과제의 개요 ... 20
• 제1절 연구의 목적 및 필요성 ... 20
• 1. 연구개발의 배경 ... 20
• 2. 연구사업의 필요성 ... 25
• 제2절 연구의 내용 및 범위 ... 30
• 1. 연구개발의 최종목표 ... 30
• 2. 연구개발 목표 및 내용 ... 30
• 제2장 국내외 기술개발 현황 ... 33
• 1. 광합성생물의 탄소전환 기술 ... 33
• 2. 비광합성 미생물의 탄소 전환 ... 34
• 3. 국외 현황 ... 36
• 4. 국내 현황 ... 38
• 5. 국내의 탄소자원화(CCU) 기술개발 동향 ... 39
• 제3장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 43
• 제1절 비광합성 해양·극한 미생물·유전자원 확보 및 분석 ... 43
• 1. 신규 해양미생물자원 확보 ... 43
• 2. 기 보고 미생물 확보 ... 47
• 3. 확보 미생물의 특성 분석 ... 48
• 제2절 해양‧극한 미생물 탄소대사 제설계 및 성능평가 ... 57
• 1. C1가스 이용 해양·극한 미생물의 탄소대사 재설계 균주 개발 ... 57
• 2. 비광합성 미생물 개량을 위한 유전자원 확보 ... 86
• 3. 당화효소군 및 알코올 생산 재조합 균주 개발 ... 87
• 4. 탄소 고정화 획득 해양·극한 미생물 균주 개발 ... 90
• 제3절 해양·극한 미생물 생물 반응기 배양기술 ... 95
• 1. C1가스 이용 유기산 전환균주의 생물반응기 배양조건 확립 ... 95
• 2. 개미산활용 미생물 프로세스 개발 및 최적화 ... 100
• 제4장 연구개발목표 달성도 및 대외 기여도 ... 103
• 제1절 연구개발 목표달성도 ... 103
• 제2절 대외 기여도 ... 105
• 1. 기술적 측면 ... 105
• 2. 경제·사회적 측면 ... 107
• 제5장 연구개발결과의 활용계획 ... 108
• 1. 향후 연구 방향 ... 108
• 2. 성과 활용 계획 ... 109
• 제6장 참고문헌 ... 110
• 끝페이지 ... 119