초록 ▼

□ 연구의 목적 및 내용
본 연구의 목적은 기존의 세포공장의 유전체를 종합적으로 분석하는 합성생물학 기술을 이용, 구조 조정하여 기능성과 생산성이 극대화된 지능형 세포공장을 만들고, 이를 다양한 바이오소재 및 의약품을 경제적이며 효율적으로 생산 공급하여 새로운 바이오산업에 기여하는데 있음. 최근 다양한 -omics 연구를 통해 밝혀진 수 많은 유전체 정보에도 불구하고 기존 생명공학 기술을 이용한 균주의 개량은 생명체 내 유전자, 단백질 및 대사체 간의 기능 및 상호관계의 복잡성과 생명현상의 불가측성으로 인해 한계에 도달했음.

□ 연구의 목적 및 내용
본 연구의 목적은 기존의 세포공장의 유전체를 종합적으로 분석하는 합성생물학 기술을 이용, 구조 조정하여 기능성과 생산성이 극대화된 지능형 세포공장을 만들고, 이를 다양한 바이오소재 및 의약품을 경제적이며 효율적으로 생산 공급하여 새로운 바이오산업에 기여하는데 있음. 최근 다양한 -omics 연구를 통해 밝혀진 수 많은 유전체 정보에도 불구하고 기존 생명공학 기술을 이용한 균주의 개량은 생명체 내 유전자, 단백질 및 대사체 간의 기능 및 상호관계의 복잡성과 생명현상의 불가측성으로 인해 한계에 도달했음. 따라서 기존의 생명체가 가진 유전체를 재해석 및 재설계를 통해 최적화된 유전체와 안정적인 유전자 및 단백질 기능 조절 네트워크를 가지는 새로운 최소유전체의 합성이 필요함. 본 연구에서는 플랫폼 인공세포(chassis)로 이용 가능한 최적의 지능형 바이오시스템을 구축하기 위해 불필요한 대장균 유전자 약 30%를 제거한 최적의 최소유전체를 구축하고, 이를 이용하여 기존의 다양한 바이오소재 생산성을 2배 이상 증대시켰음. 자연계의 생명체 내에서 일어나는 생리화학반응은 우리가 흔히 예상하는 단계적 대사경로를 따라 일어나는 연쇄적인 반응이 아니라, 세포 내에 존재하는 효소와 기질간의 확산과 random-collision에 의해 발생하는 현상임. 따라서 구축한 최소 유전체 내의 이러한 문제를 극복하기 위한 가장 효과적인 방법은 여러 개의 단백질 효소를 하나의 scaffold로 묶어 각각의 반응과 반응 사이에 발생하는 중간대사산물의 local concentration을 증가시키고, 인접하게 위치한 효소들에 의해 효율적인 반응이 일어나도록 유도하는(enforced proximity) 새로운 DNA scaffold 기술을 개발하고 이를 이용하여 지능형 바이오시스템 생체 대사회로의 모듈화 및 최적화에 적용함. 동시에 바이오소재 생산에 관여하는 효소들의 생산성 증대를 위해 발현 효소의 활성과 안정성을 증대시키는 중첩 two-cistron 및 RNA loop scaffold를 이용하여 최소 유전체 세포공장의 효능을 극대화시켰음. 구축된 지능형 최소유전체와 새로운 합성 생물학 기법을 다양하게 이용하여 고부가의 다양한 바이오메디칼 활성소재를 산업화가 가능한 수준으로 생산성을 증대시켰음. 특히 합성생물 기법을 이용하여 인체 인지능력과 신체기능 향상용 고기능성 바이오소재인 특정 진세노사이드를 2g/L 수준으로 생산하였으며, 천연물 내 극미량 존재하는 특수 기능성 성분을 50배 이상 증가시킨 천연물 기반 특수 기능성 소재를 개발하고 임상실험을 수행 중이며 이를 제품화하여 사업화를 추진하고자 함.
또한, 고효율의 진세노사이드 생산을 위하여 기술적 한계 중 생산균주의 세포막 용적률 한계를 극복하고자, 특정 소기관 (퍼록시좀)의 크기와 개수를 인위적으로 증가시키는 요소 기술을 개발하고, 이를 효모 균주에 적용시켜 상업화 수준의 생산성을 갖는 진세노사이드 전구체 생산용 세포소기관 증대 효모 제작을 목표로 하고 있음.

□ 연구개발성과
최소 유전체(대장균 유전체 약 30% 축소)를 구축하고 바이오화학물, DNA/RNA, 펩타이드, 단백질 등의 생산성을 2배 이상 향상시킴.
균주 최적화 및 생산공정 최적화를 통한 진세노사이드 대량생산(2g/L 생산, 총 진세노사이드)
인지기능 및 간기능 향상용 특수 기능성 소재 진세노사이드를 개발하고 인체 적용 시험 수행 중
진세노사이드 전구체 과생산 효모 균주 개발
진세노사이드 전구체 과생산 대량생산 공정 확립

□ 연구개발성과의 활용계획(기대효과)
본 연구에서 개발한 최소유전체 합성 및 DNA/RNA scaffold 기술은 기존에 사용되는 생물공학의 균주개량 기술의 한계를 뛰어넘는 새로운 반응속도 및 효율을 극대화시킬 수 있어 다양한 유용물질의 생산성 증가 및 생산단가를 절감시키며, 또한 생물공정에서 발생되는 부산물의 생성이 최소화되어 고순도 바이오 소재를 경제적으로 대량 생산이 가능함. 이를 통해 생물 화학품 및 의약품 생산 등 다양한 분야에 이용이 가능하여 기존의 생물공학의 패러다임을 뛰어넘는 혁신적인 새로운 산업적 기반을 구축할 수 있음.
또한 인체기능 향상(인지기능 개선, 지방간 제어) 소재를 개발하고 임상실험을 통해 효능을 검증 후 시장 진출 예정임.
본 연구결과물인 진세노사이드 전구체 및 유도체 생산 재조합 효모는 진세노사이드의 생물적 과량 생산에 적용되어 생산성을 증대시키는 생물공정으로 산업적 대체 효과가 매우 크다.
또한, 재구축된 진세노사이드 전구체 및 유도체 생산 미생물균주를 플랫폼균주로 활용하여 다양한 당쇄 구조를 갖는 진세노사이드계열의 물질을 생산하는 재조합 균주의 개발에 다양하게 응용될 수 있다.

(출처 : 요약문 4p)

Abstract ▼

□ Purpose & Contents
The aim of our research is to construct a most efficient and economical intelligent cell factory for the mass production of a variety of valuable biological materials. The cellular and metabolic reactions in biological systems of a living organism are orchestrated as complex

□ Purpose & Contents
The aim of our research is to construct a most efficient and economical intelligent cell factory for the mass production of a variety of valuable biological materials. 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 reactions for a specific product are mediated by so many different biological reactions with extreme complexity and unpredictability. To overcome the problems of the complexity and unpredictability, the development of a genome with a reduced number of parts, called an artificial minimal genome or the minimal-gene-set, composed of the smallest set of genes, but sufficient enough to maintain healthy self-replicable life, was proposed and constructed. The artificial minimal genome with about 30 % reduction of E. coli genome is the most efficient host with overcoming several drawbacks such as genomic and plasmid stability caused by insertion sequences (ISs), presence of endotoxins and virulence factors, or lack of the post-translational modification. To further improve the minimal genome, novel artificial genetic circuits such as a DNA scaffold system and an RNA loop combined with an overlapped two cistron system were introduced for controlling enzymatic fluxes and their enzymatic activities. Our minimal genome with higher cellular repertoires of building blocks and less energy use serve fascinating platforms for the efficient mass production of valuable biomaterials, such as biochemicals, peptides and protein drugs (up to over 2 folds). We have also isolated a diverse set of minor ginsenosides and identified their pharmacological activities, such as antitumor, anti-aging, blood vessel formation, anti-inflammatory, and hepatoprotective activities. To obtain the minor ginsenosides a large scale, a microbial platform through the metabolic engineering of Saccharomyces cerevisiae has been developed for the efficient mass production of the minor ginsenosides, producing up to 2 g/L while reducing the production cost over 10 folds as compared to the extraction from natural plant. With the specific minor ginsenoside-enriched products, human clinical trials are undergoing for the improvement of human cognitive function and fatty liver disease.
The purpose of this study is to redesign and reconstruct biosynthetic pathways for ginsenosides which have mitochondria-booting activity in yeast through construction of plasmid-free and specific organelle targeting systems and commercialize anti-aging, anti-diabetic functional food using mitochondria activating ginsenosides.

□ Results
Development of a minimal genome strain for the efficient mass production of biochemicals and therapeutic proteins(over 2-fold increase).
Engineering the intelligent minimal microbial strain for the economical mass production of ginsenosides on a pilot plant scale(up to 2g/L total ginsenosides).
Human clinical trials with minor ginsenosides undergoing for the improvement of human cognitive function and fatty liver disease.
Construction of ginsenosides intermediates over-producing yeast and process.

□ Expected Contribution
Our minimal genomes with higher cellular repertoires of building blocks and less energy cost provide fascinating platforms for the efficient and economical mass production of valuable biomaterials, such as chemicals, DNA/RNA vaccines, peptides and protein drugs.
Supplying high-valued functional materials such as specific minor ginsenosides to people in the aging society for the improvement of human physiological function after human clinical trials and providing an opportunity for bioeconomy with new biomaterials.
Ginsenosides intermediate-producing microorganisms can be used as an alternative process for a existing Korean ginseng-dependent extraction process.

(source : SUMMARY 6p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 보고서 요약서 ... 3
• 요약문 ... 4
• SUMMARY ... 6
• Table of contents ... 7
• 목차 ... 8
• 제1장. 연구개발과제의 개요 ... 10
• 1. 연구개발 목적 ... 10
• 2. 연구개발의 필요성 ... 10
• 3. 연구개발 범위 ... 11
• 제2장. 연구수행내용 및 성과 ... 12
• 1. 효모내 진세노사이드 대사회로 구축 및 진세노사이드 생합성 전구체 대사회로 모듈 고도화 ... 12
• 2. 진세노사이드 생합성 유전자 및 PTS1 퓨전 유전자 모듈의 발현에 따른 중간 대사체 변화 비교 분석 ... 13
• 3. PTS1 유전자의 적용에 따른 인위적 표적화 확인 ... 15
• 4. 세포 소기관의 개체 수 증가와 PTS1에 의한 targeting 확인 ... 16
• 5. 세포 소기관의 개체 수 증가에 따른 진세노사이드 대사회로 효소들의 발현과 표적화 ... 17
• 6. 세포 소기관 대사 조절을 통한 세포 소기관 개체 수 및 크기 조절 ... 18
• 7. 세포 소기관 대사 조절을 통한 진세노사이드 중간 대사체 수율 증가 ... 19
• 8. 세포소기관 조절 효모의 성장 속도 회복 인자 확인 및 검증 ... 20
• 9. 세포 소기관 대사 조절을 통한 진세노사이드 최종 전구체 생산 변화 ... 24
• 10. 추가 세포 소기관 조절 기술의 접목에 따른 진세노사이드 전구체 생산량 변화 ... 27
• 11. 세포소기관 조절 기술이 접목된 진세노사이드 전구체 생산 효모 제작 ... 27
• 12. 세포소기관 조절 효모의 발효능 분석 및 안정성 확인 ... 30
• 13. 세포소기관 조절 효모의 시스템 수준 발현 분석 ... 37
• 14. Compound K(CK) 생산 발효 조건 확립 (사업단 추가요청) ... 50
• 15. Ginsenoside F1 생산 효모 MS-C7의 검증 ... 54
• 제3장. 목표 달성도 및 관련 분야 기여도 ... 62
• 1. 목표 ... 62
• 2. 목표 달성여부 ... 62
• 3. 관련분야 기여도 ... 64
• 4. 목표 미달성 시 원인(사유) 및 차후대책(후속연구의 필요성 등) ... 64
• 제4장. 연구개발성과의 활용 계획 등 ... 65
• 1. 당해 연도 활용계획 ... 65
• 2. 활용방법 ... 65
• 3. 차년도 이후 활용계획 ... 65
• 제5장. 연구개발성과의 보안등급 ... 66
• 제6장. 국가과학기술종합정보시스템에 등록한 연구시설·장비 현황 ... 66
• 제7장. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전 조치 이행 실적 ... 66
• 1. 기술적 위험 요소 분석 ... 66
• 2. 안전 관리 대책 ... 66
• 제8장. 연구개발과제의 대표 연구 실적 ... 69
• 제9장. 기타 사항 ... 73
• 제10장. 참고문헌 ... 73
• 끝페이지 ... 74