KR101123070B1 - High energy charged cell and use thereof - Google Patents

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Abstract

모세포에 비해 증가된 세포내 ATP 농도를 갖는, 재조합 방법 또는 돌연변이에 의해 생성된 세포 및 그의 용도에 관한 것이다.The present invention relates to cells produced by recombinant methods or mutations and uses thereof having increased intracellular ATP concentrations relative to parent cells.

포스포에놀피루베이트 카르복시키나아제(PCK), 과발현, 프로모터 교환, 세포. Phosphoenolpyruvate carboxykinase (PCK), overexpression, promoter exchange, cells.

Description

세포내 에너지 농도가 높은 세포 및 그의 용도{High energy charged cell and use thereof}Cells with high intracellular energy concentrations and uses thereof

본 발명은 모세포에 비해 증가된 세포내 ATP 농도를 갖는, 재조합 방법 또는 돌연변이에 의해 생성된 세포 및 그의 용도에 관한 것이다.The present invention relates to cells produced by recombinant methods or mutations and uses thereof having increased intracellular ATP concentrations relative to parent cells.

미생물이 단백질, 약물, 정밀 화학물질, 입체-특이적 화학물질 등과 같은 유용한 생체 물질을 생산하는 세포 공장(cell factory)으로 이용되고 있다. 기존의 발효공학 기술에 유전공학 기술 및 생물공학 기술을 접목하여, 유용한 목적 물질을 효율적으로 생산할 수 있도록 박테리아, 효모, 진균 또는 동식물 세포의 대사 경로를 변형시키거나 특정 유전자의 과발현 또는 억제 또는 제거를 통해 미생물을 개량하는 방법이 널리 연구되고 이용되고 있다. Microbes are being used as cell factories to produce useful biomaterials such as proteins, drugs, fine chemicals, stereospecific chemicals, and the like. By combining genetic and biological engineering techniques with existing fermentation engineering techniques, it is possible to modify the metabolic pathways of bacteria, yeasts, fungi or flora and fauna cells, or to overexpress or inhibit or eliminate specific genes to efficiently produce useful target substances. Methods for improving microorganisms have been widely studied and used.

생체 내에서 단백질, 핵산 등과 같은 물질을 생합성하기 위해서는 에너지가 요구된다. 생체 내에서 사용되는 에너지의 대부분은 NADH, NADPH 및 ATP의 형태로 보존되어 이용된다. 특히, ATP는 대사과정에서 생성된 화학적 에너지를 생물체의 다양한 활동에 전달하는 에너지 운반자이다. ATP는 광합성, 발효 및 호흡 과정을 통해 생성되고 생합성, 운동, 신호전달 및 세포 분열과 같은 생체 내의 활동에서 소비된다. 이와 같이, ATP는 성장, 리보솜 RNA 합성 및 세포 대사 경로와 같은 다수의 세포내 과정을 조절하기 때문에, 세포내 ATP 농도는 세포의 생리적 활성을 위해 가장 중요한 인자중 하나이다. 따라서, 미생물이 유용한 물질을 생산하기 위한 효율적인 공장으로 이용되기 위해서도 충분한 에너지의 생성 및 유지가 요구된다. Energy is required to biosynthesize substances such as proteins, nucleic acids and the like in vivo. Most of the energy used in vivo is preserved and used in the form of NADH, NADPH and ATP. In particular, ATP is an energy carrier that transfers the chemical energy produced during metabolism to the various activities of organisms. ATP is produced through photosynthesis, fermentation and respiration processes and is consumed in in vivo activities such as biosynthesis, exercise, signaling and cell division. As such, since ATP regulates many intracellular processes such as growth, ribosomal RNA synthesis, and cellular metabolic pathways, intracellular ATP concentration is one of the most important factors for the physiological activity of cells. Thus, the production and maintenance of sufficient energy is required for microorganisms to be used as efficient plants for producing useful materials.

미생물을 이용한 유용한 목적 물질의 생산을 위해 주로 특정 목적 물질의 생성에 관여된 효소를 코딩하는 유전자의 발현을 증가시키거나 또는 불필요한 유전자를 제거하는 것과 같은 목적 물질 특이적 접근방법이 주로 이용되었다. 예를 들면, L-아미노산을 고수율로 생산할 수 있는 대장균을 포함한 다수의 유용한 균주들이 개발되었다. 그러나, 상기와 같이 개발된 각 균주는 특정 목적 물질의 생산에만 이용될 수 있으며, 목적 물질의 종류에 관계 없이, 목적 물질의 고수율 생산을 위해 세포 공장으로 범용적으로 이용될 수 있는 세포는 아직 개발되지 않았다. 이에, 본 발명자들은 세포의 ATP 생산 수율 및 세포내 ATP 수준을 증가시키기 위한 연구를 수행하여, 당신생(gluconegenesis)에 관여하는 포스포에놀피루베이트 카르복시키나아제(phosphoenolpyruvate carboxykinase)의 과발현이나, 해당 과정에서의 발현이 세포내 ATP 생성 및 수준을 증가시킨다는 것을 발견하여 본 발명을 완성하였다. For the production of useful target substances using microorganisms, target substance specific approaches have been mainly employed, such as increasing the expression of genes encoding enzymes involved in the production of specific target substances or removing unnecessary genes. For example, a number of useful strains have been developed, including Escherichia coli, which can produce high yields of L-amino acids. However, each strain developed as described above can be used only for the production of a specific target material, and cells that can be used universally as a cell plant for high yield production of the target material, regardless of the type of the target material, are still Not developed. Therefore, the present inventors conducted studies to increase the ATP production yield and intracellular ATP level of cells, and overexpression of phosphoenolpyruvate carboxykinase involved in gluconegenesis, or the corresponding process. The present invention was completed by finding that expression in increases the intracellular ATP production and levels.

본 발명의 목적은 높은 세포내 ATP 생산 수율 또는 농도를 갖는 세포를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide cells with high intracellular ATP production yields or concentrations.

본 발명의 또 다른 목적은 높은 세포내 ATP 생산 수율 또는 농도를 갖는 세포를 이용하여 목적 물질을 생산하는 방법을 제공하는 것이다.It is still another object of the present invention to provide a method for producing a target substance using cells having a high intracellular ATP production yield or concentration.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 포스포에놀피루베이트 카르복시키나아제(PCK)를 코딩하는 유전자의 발현 변화에 의해, 모세포에 비해 증가된 세포내 ATP 생산 수율 또는 농도를 갖는 세포를 이용하여 목적 물질을 생산하는 방법을 제공한다. In order to achieve the above object, the present invention uses a cell having an increased intracellular ATP production yield or concentration compared to the parental cell by the expression change of the gene encoding phosphoenolpyruvate carboxykinase (PCK) To provide a method for producing the target substance.

상기 방법은 모세포(parent cell)에 비해 증가된 세포내 ATP 농도를 갖는 세포를 목적 물질을 생산하기에 적합한 조건에서 배양하는 단계, 및 The method comprises culturing cells having an increased intracellular ATP concentration relative to the parent cell under conditions suitable for producing a target substance, and

상기 배양물로부터 상기 목적 물질을 회수하는 단계를 포함할 수 있다. It may include the step of recovering the target material from the culture.

포스포에놀피루베이트 카르복시키나아제(PCK)는 생체 내의 당신생(gluconeogenesis)에서 옥살로아세트산(OAA)으로부터 포스포에놀피루베이트(PEP)를 생성하는 반응을 촉매하는 효소이다. 상기 효소에 의해 촉매되는 반응은 가역적이므로, CO2가 존재하는 조건에서 PCK는 PEP로부터 OAA를 생성하는 반응을 촉매하면서 1 분자의 ATP를 생산한다. 따라서, 해당(glycolysis) 경로에서 동일한 반응을 촉매하는 포스포에놀피루베이트 카르복실라아제(phosphoenolpyruvate carboxylase, ppc)와 달리, PCK에 의한 반응이 증가되면 세포내 ATP 생산 및 농도가 높아질 수 있다. 세포 내에서 PCK를 코딩하는 유전자의 발현을 증가시키거나, 또는 PCK를 코딩하는 유전자가 해당 경로에서 발현될 수 있도록 조절 서열을 변화시키거나, 또는 PCK의 활성을 증가시키는 것에 의해 PCK에 의한 ATP 생성을 증가시킬 수 있다. Phosphoenolpyruvate carboxykinase (PCK) is an enzyme that catalyzes the reaction of phosphoenolpyruvate (PEP) from oxaloacetic acid (OAA) in gluconeogenesis in vivo. Since the reaction catalyzed by the enzyme is reversible, in the presence of CO 2 , PCK produces one molecule of ATP while catalyzing the reaction to produce OAA from PEP. Thus, unlike phosphoenolpyruvate carboxylase (ppc), which catalyzes the same reaction in the glycolysis pathway, increased reactions by PCK can increase intracellular ATP production and concentration. ATP production by PCK by increasing the expression of a gene encoding PCK in a cell, or by altering the regulatory sequence so that the gene encoding the PCK can be expressed in that pathway, or by increasing the activity of PCK Can be increased.

본 발명의 일 구체예에 따른 목적 물질을 생산하는 방법은 모세포에 비해 증가된 세포내 ATP 농도를 갖는 세포를 목적 물질을 생산하기에 적합한 조건에서 배양하는 단계를 포함한다.The method for producing a target substance according to an embodiment of the present invention includes culturing cells having an increased intracellular ATP concentration compared to the parent cell under conditions suitable for producing the target substance.

상기 세포를 배양하는 단계는 당업계에 알려진 적합한 배지와 배양 조건 하에 수행될 수 있다. 목적 물질을 생산하기에 적합한 조건은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에 의해 목적 물질 및 세포에 따라 용이하게 결정될 수 있다. 예를 들면, 외부로부터 도입된 목적 물질을 코딩하는 유전자의 발현을 위해 유도(induction)가 필요한 경우, 상기 세포를 배양하는 단계는 유전자의 발현을 유도하는 단계를 더 포함할 수 있다. 배양은 회분식, 연속식 및 유가식 배양을 포함하나, 이에 한정되지 않는다. The step of culturing the cells can be carried out under suitable culture conditions with suitable media known in the art. Conditions suitable for producing the target substance can be easily determined according to the target substance and cells by those skilled in the art. For example, when induction is required for expression of a gene encoding a target substance introduced from the outside, culturing the cell may further include inducing expression of the gene. Cultures include, but are not limited to, batch, continuous and fed-batch cultures.

세포내 ATP 농도가 높은 세포는 아미노산 등의 생합성에 관련된 유전자의 발현 및 리보솜 농도를 증가시켜서 단백질 합성을 증가시킬 수 있으므로 외래 단백질을 생산하기에 적합할 수 있다. 또한, ATP는 세포내외로의 능동 물질 수송에 이용되므로, 세포내 ATP 농도가 높은 경우, 세포들이 ATP를 이용하여 활발하게 물질을 수송시킬 수 있으므로 목적하는 대사산물을 보다 높은 수율로 생성할 수 있다. 즉, 생성된 대사산물을 세포외부로 수송하고, 필요한 탄소원을 세포 내로 수송하여 피드백 조절을 배제하면서 목적물질의 생성을 위한 대사 경로를 활성화시킬 수 있다.Cells with high intracellular ATP concentrations may be suitable for producing foreign proteins because they may increase protein synthesis by increasing the expression of genes involved in biosynthesis such as amino acids and ribosomal concentrations. In addition, since ATP is used for active substance transport into and out of cells, when the concentration of intracellular ATP is high, cells can actively transport the substance using ATP, thereby producing a desired metabolite in higher yield. . That is, the generated metabolite may be transported to the outside of the cell, and the required carbon source may be transported into the cell to activate the metabolic pathway for generation of the target substance while excluding feedback regulation.

본 발명의 일 구체예에서, 상기 목적 물질은 단백질, 아미노산, 핵산, 항생제, 또는 대사산물일 수 있다. In one embodiment of the invention, the target material may be a protein, amino acid, nucleic acid, antibiotic, or metabolite.

본 발명의 일 구체예에서, 상기 모세포에 비해 증가된 세포내 ATP 농도를 갖는 세포에서 상기 포스포에놀피루베이트 카르복시키나아제(PCK)를 코딩하는 유전자의 발현은 모세포에 비해 과발현되거나 또는 해당 경로에서 발현되도록 조절되어 세포내 ATP 농도를 증가시키도록 변화된 것일 수 있다. In one embodiment of the present invention, the expression of the gene encoding the phosphoenolpyruvate carboxykinase (PCK) in the cell having an increased intracellular ATP concentration compared to the parent cell is overexpressed compared to the parent cell or in the corresponding pathway It may be altered to be expressed to adjust to increase the intracellular ATP concentration.

본 발명의 일 구체예에서, 상기 모세포에 비해 증가된 세포내 ATP 농도를 갖는 세포는 모세포에서 포스포에놀피루베이트 카르복시키나아제를 코딩하는 유전자의 카피 수를 증가시키거나 또는 상기 유전자의 발현 조절 서열 또는 코딩 서열을 변형시키는 것에 의해 제조될 수 있다. In one embodiment of the present invention, cells having an increased intracellular ATP concentration compared to the parent cells increase the number of copies of the gene encoding phosphoenolpyruvate carboxykinase in the parent cell or the expression control sequence of the gene. Or by modifying the coding sequence.

본 발명의 일 구체예에서, 포스포에놀피루베이트 카르복시키나아제를 코딩하는 유전자는 대장균을 포함한 세균, 효모, 식물세포 또는 동물세포로부터 유래될 수 있다. In one embodiment of the invention, the gene encoding phosphoenolpyruvate carboxykinase can be derived from bacteria, yeast, plant cells or animal cells, including E. coli.

본 발명의 일 구체예에서, 상기 모세포에 비해 증가된 세포내 ATP 농도를 갖는 세포에서 상기 포스포에놀피루베이트 카르복시키나아제를 코딩하는 유전자의 카피 수의 증가는 포스포에놀피루베이트 카르복시키나아제를 코딩하는 외래 유전자의 도입에 의해 이루어질 수 있다. In one embodiment of the present invention, an increase in the number of copies of the gene encoding the phosphoenolpyruvate carboxykinase in a cell having an increased intracellular ATP concentration compared to the parent cell results in a phosphoenolpyruvate carboxykinase. By the introduction of a foreign gene encoding.

상기 외래 유전자의 도입은 형질전환 또는 형질감염을 포함하나, 이에 한정 되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자아게 알려진 통상적인 방법에 의해 수행될 수 있다. Introduction of the foreign gene includes, but is not limited to, transformation or transfection, and may be performed by conventional methods known to those skilled in the art.

본 발명의 일 구체예에서, 상기 모세포에 비해 증가된 세포내 ATP 농도를 갖는 세포에서 상기 포스포에놀피루베이트 카르복시키나아제를 코딩하는 유전자의 발현 조절 서열의 변형은 프로모터 또는 인핸서의 교환에 의해 이루어질 수 있다. In one embodiment of the invention, the modification of the expression control sequence of the gene encoding the phosphoenolpyruvate carboxykinase in a cell having an increased intracellular ATP concentration compared to the parent cell is made by exchange of a promoter or enhancer Can be.

본 발명의 일 구체예에서, 상기 포스포에놀피루베이트 카르복시키나아제를 코딩하는 유전자를 과발현시키기 위해 교환되는 프로모터는 trc 프로모터, tac 프로모터, T7 프로모터, lac 프로모터 및 trp 프로모터로 구성된 군으로부터 선택될 수 있다. In one embodiment of the invention, the promoter exchanged for overexpressing the gene encoding the phosphoenolpyruvate carboxykinase can be selected from the group consisting of trc promoter, tac promoter, T7 promoter, lac promoter and trp promoter. have.

본 발명의 일 구체예에서, 상기 포스포에놀피루베이트 카르복시키나아제를 코딩하는 유전자(pck)의 프로모터가 해당과정에서 발현되는 포스포에놀피루베이트 카르복실라아제를 코딩하는 유전자(ppc)에 의해 교환된 것일 수 있다. 세포 내에서 pck 유전자의 프로모터가 해당 경로에서 발현되는 ppc 유전자의 프로모터로 교환된 경우, 상기 세포는 해당 경로에서 pck를 발현하여 PCK가 포스포에놀피루베이트를 옥살로아세테이트로 전환되는 반응을 통해 ATP를 생산할 수 있으므로, 모세포에 비해 증가된 세포내 ATP 농도를 갖는다. 즉, ppc 프로모터의 조절 하에 발현되는 pck 유전자를 갖는 세포는 외부로부터의 추가적인 pck 유전자의 도입 없이 게놈 상에 존재하는 pck 유전자의 조절 서열, 특히, 프로모터의 교환에 의해 자발적으로 해당 과정에서 pck 유전자를 발현하여 세포내 ATP 생산을 증가시킬 수 있다. In one embodiment of the present invention, the promoter of the gene (pck) encoding the phosphoenolpyruvate carboxykinase to the gene (ppc) encoding the phosphoenol pyruvate carboxylase is expressed in glycolysis It may be exchanged by. When the promoter of the pck gene is exchanged with the promoter of the ppc gene expressed in the pathway in the cell, the cell expresses pck in the pathway, through which PCK converts phosphoenolpyruvate to oxaloacetate. As ATP can be produced, it has an increased intracellular ATP concentration compared to parental cells. That is, a cell having a pck gene expressed under the control of the ppc promoter may spontaneously select a pck gene in the process by exchanging a regulatory sequence of the pck gene present on the genome, in particular, a promoter, without introducing an additional pck gene from outside. Expression to increase intracellular ATP production.

본 발명의 일 구체예에서, 상기 모세포에 비해 증가된 세포내 ATP 농도를 갖 는 세포는 돌연변이에 의해 포스포에놀피루베이트 카르복시키나아제를 코딩하는 유전자의 발현 또는 상기 효소의 활성이 모세포에 비해 증가된 것일 수 있다. In one embodiment of the present invention, a cell having an increased intracellular ATP concentration compared to the parent cell is increased by expression of a gene encoding phosphoenolpyruvate carboxykinase or activity of the enzyme compared to the parent cell by mutation. It may have been.

본 발명의 일 구체예에서, 상기 세포는 박테리아, 효모, 진균, 식물 세포 및 동물 세포로 구성된 군으로부터 선택될 수 있다. In one embodiment of the invention, the cells may be selected from the group consisting of bacteria, yeast, fungi, plant cells and animal cells.

본 발명의 일 구체예에서, 상기 모세포에 비해 증가된 세포내 ATP 농도를 갖는 세포는 포스포에놀피루베이트 카르복시키나아제를 코딩하는 유전자를 포함하는 재조합 벡터에 의해 형질전환된 대장균일 수 있다. 상기 대장균에서 상기 포스포에놀피루베이트 카르복시키나아제를 코딩하는 유전자는 trc 프로모터에 작동가능하게 연결된 것일 수 있다. In one embodiment of the present invention, the cell having an increased intracellular ATP concentration compared to the parent cell may be E. coli transformed by a recombinant vector comprising a gene encoding a phosphoenolpyruvate carboxykinase. The gene encoding the phosphoenolpyruvate carboxykinase in the E. coli may be operably linked to a trc promoter.

본 발명에 따른 목적 물질을 생산하는 방법은 모세포에 비해 증가된 세포내 ATP 농도를 갖는 세포에 목적 물질을 코딩하는 유전자를 외부로부터 도입하거나 또는 상기 세포의 대사 경로를 상기 목적 물질을 생산하도록 유전적으로 변형시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 모세포에 비해 증가된 세포내 ATP 농도를 갖는 세포가 목적 물질을 생산하기에 적합하도록 외부로부터 필요한 유전자를 도입하거나 또는 세포 내의 게놈 상의 유전자의 발현이 목적 물질의 생산에 적합할 수 있도록 상기 세포를 유전적으로 변형시킬 수 있다. The method for producing a target substance according to the present invention is to introduce a gene encoding the target substance from the outside into a cell having an increased intracellular ATP concentration compared to the parent cell, or to genetically modulate the metabolic pathway of the cell to produce the target substance. It may further comprise the step of modifying. Cells with increased intracellular ATP concentrations compared to the parental cells may be introduced with the necessary genes from outside to be suitable for producing the target substance, or the cells may be expressed so that expression of the gene on the genome in the cell may be suitable for production of the target substance. It can be transformed entirely.

본 발명의 일 구체예에서, 상기 목적 물질은 단백질일 수 있고, 상기 세포에 상기 단백질을 코딩하는 유전자를 도입하여 발현시키는 것에 의해 목적 물질이 생산될 수 있다. 상기 세포에 목적 물질을 코딩하는 유전자를 외부로부터 도입하는 것은 형질전환 또는 형질감염을 포함하나 이에 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에게 알려진 통상적인 방법에 의해 수행될 수 있다. In one embodiment of the present invention, the target substance may be a protein, and the target substance may be produced by introducing and expressing a gene encoding the protein in the cell. Introduction of a gene encoding a target substance into the cell from the outside may include, but is not limited to, transformation or transfection, and may be performed by conventional methods known to those skilled in the art.

본 발명의 일 구체예에서, 상기 목적 물질은 숙신산과 같은 대사산물일 수 있고, 상기 세포의 대사 경로에서 숙신산의 생성에 관여하는 단계의 효소를 코딩하는 유전자의 발현 또는 그 활성을 증가, 억제 또는 제거하는 것에 숙신산을 고수율로 생성할 수 있도록 유전적으로 변형될 수 있다. In one embodiment of the present invention, the target substance may be a metabolite such as succinic acid, and increases, inhibits or increases the expression or activity of a gene encoding the enzyme of the step involved in the production of succinic acid in the metabolic pathway of the cell. The removal can be genetically modified to produce high yields of succinic acid.

본 발명의 일 구체예에서, 상기 목적 물질은 아미노산일 수 있고, 상기 세포는 해당 아미노산의 생합성 경로에 관여하는 효소를 코딩하는 유전자의 발현 또는 그 활성을 증가, 억제 또는 제거하는 것에 의해 해당 아미노산을 고수율로 생성할 수 있도록 유전적으로 변형될 수 있다.In one embodiment of the invention, the target substance may be an amino acid, and the cell increases the amino acid by increasing, inhibiting or eliminating the expression or activity of a gene encoding an enzyme involved in the biosynthetic pathway of the amino acid. It can be genetically modified to produce in high yields.

본 명세서에서, "모세포(parent cell)"는 돌연변이 또는 재조합 방법과 같은 분자생물학 기법에 의해 변형되어 포스포에놀피루베이트 카르복시키나아제(PCK)를 코딩하는 유전자의 발현이 모세포에 비해 증가되거나 또는 상기 유전자가 해당 경로에서 발현되도록 변화되어, 세포내 ATP 생성 수율 또는 농도가 증가되기 전의 박테리아, 효모, 진균, 식물 세포 또는 동물 세포를 의미한다.As used herein, a "parent cell" is modified by molecular biology techniques such as mutation or recombination methods such that the expression of a gene encoding phosphoenolpyruvate carboxykinase (PCK) is increased relative to the parent cell or is By bacteria, yeast, fungi, plant cells or animal cells before the gene is altered to be expressed in that pathway, thereby increasing the yield or concentration of intracellular ATP production.

본 명세서에서, "포스포에놀피루베이트 카르복시키나아제(PCK)를 코딩하는 유전자의 발현 변화"은 모세포 대비 포스포에놀피루베이트 카르복시키나아제를 코딩하는 유전자가 외부로부터 도입되거나 또는 발현 조절 서열의 변형에 의해 과발현되거나 또는 상기 유전자가 해당 경로에서 발현되도록 그 조절이 변형되거나, 또는 생성된 PCK의 활성이 증가되도록 변형되는 것을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. As used herein, "change in expression of a gene encoding phosphoenolpyruvate carboxykinase (PCK)" means that a gene encoding phosphoenolpyruvate carboxykinase relative to a parent cell is introduced from outside or a modification of an expression control sequence. It is to be understood to include those that are overexpressed by or altered to modulate such genes to be expressed in that pathway or to increase the activity of the resulting PCK.

본 명세서에서 사용된 "에너지 세포"는 세포내 에너지 수준, 특히, ATP 농도가 높은 세포를 의미한다. As used herein, "energy cell" refers to a cell having a high intracellular energy level, especially ATP concentration.

본 명세서에서, "세포"는 박테리아, 효모, 진균, 동물세포 또는 식물세포를 포함하는 것으로 이해되어야 한다. As used herein, a "cell" should be understood to include bacteria, yeasts, fungi, animal cells or plant cells.

본 명세서에서, "목적 물질"은 본 발명의 일 구체예에 따른 세포를 배양하는 단계를 포함하는 방법에 의해 생산되는 물질을 의미하며, 단백질, L-아미노산, 핵산, 항생제, 비타민, 생리활성 물질, 대사산물을 포함하나, 이에 한정되지 않는다.As used herein, "target material" means a material produced by a method comprising the step of culturing a cell according to one embodiment of the invention, a protein, L-amino acid, nucleic acid, antibiotic, vitamin, bioactive material Metabolites, including but not limited to.

본 명세서에서, "목적 물질을 생산하도록 유전적으로 변형시키는"은 세포에 목적 물질의 생합성을 위해 필요한 유전자를 외부로부터 도입시키거나 또는 세포의 게놈 상에 존재하는 목적 물질의 생성에 관여하는 유전자의 발현을 증가시키거나 또는 목적 물질의 생성을 방해하거나 또는 목적 물질의 분해에 관여하는 유전자의 발현을 억제 또는 제거하여 세포를 목적 물질을 생산하기에 유리한 상태로 변형시키는 것을 의미한다. As used herein, "genetically modified to produce a target substance" refers to the introduction of a gene necessary for biosynthesis of a target substance into a cell from outside or expression of a gene involved in the generation of a target substance present on the genome of a cell. It is meant that the cells are transformed into an advantageous state for producing the target substance by increasing the or inhibiting or eliminating the expression of a gene that interferes with the production of the target substance or is involved in the degradation of the target substance.

본 발명에 따른 목적 물질을 생산하는 방법은 세포의 배양액으로부터 목적 물질을 회수하는 단계를 포함한다. 배양물로부터 목적 물질을 회수하는 단계는 당업계에 알려진 통상적인 방법에 의해 수행될 수 있다. 목적 물질의 분리를 위해 원심분리, 여과, 크로마토그래피, 결정화 등의 방법이 이용될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. The method for producing a target substance according to the present invention includes the step of recovering the target substance from the culture of the cells. Recovering the desired material from the culture can be carried out by conventional methods known in the art. Centrifugation, filtration, chromatography, crystallization, and the like may be used to separate the target substance, but is not limited thereto.

또한, 본 발명은 포스포에놀피루베이트 카르복시키나아제(PCK)를 코딩하는 유전자의 발현 변화에 의해, 모세포에 비해 증가된 세포내 ATP 생산 수율 또는 농 도를 갖는 세포를 제공한다. The present invention also provides cells with increased intracellular ATP production yield or concentration compared to parental cells, by expression change of the gene encoding phosphoenolpyruvate carboxykinase (PCK).

본 발명의 일 구체예에서, 상기 포스포에놀피루베이트 카르복시키나아제를 코딩하는 유전자의 발현 변화는 상기 세포 내에서 포스포에놀피루베이트 카르복시키나아제를 코딩하는 유전자의 카피 수를 증가시키거나 또는 상기 유전자의 발현 조절 서열을 변형시키는 것에 의해 이루어진 것된 것일 수 있다.In one embodiment of the invention, the expression change of the gene encoding the phosphoenolpyruvate carboxykinase increases the number of copies of the gene encoding the phosphoenolpyruvate carboxykinase in the cell or It may be made by modifying the expression control sequence of the gene.

본 발명의 일 구체예에서, 상기 포스포에놀피루베이트 카르복시키나아제를 코딩하는 유전자의 프로모터가 포스포에놀피루베이트 카르복실라아제를 코딩하는 유전자의 프로모터로 교환된 것일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the promoter of the gene encoding the phosphoenolpyruvate carboxykinase may be exchanged with the promoter of the gene encoding the phosphoenolpyruvate carboxylase.

본 발명의 일 구체예에 따른 세포는 높은 세포내 ATP 농도를 가지므로, 목적 물질을 생산하기 위한 세포 공장으로 유용하게 이용될 수 있다. Since the cell according to one embodiment of the present invention has a high intracellular ATP concentration, it can be usefully used as a cell factory for producing a target substance.

본 발명의 일 구체예에서, 상기 모세포에 비해 증가된 세포내 ATP 농도를 갖는 세포는 목적 물질을 코딩하는 외래 유전자가 도입되거나 또는 목적 물질의 생산을 위해 대사 경로가 유전적으로 변형된 것 세포일 수 있다. In one embodiment of the present invention, a cell having an increased intracellular ATP concentration compared to the parent cell may be a cell into which a foreign gene encoding a target substance is introduced or a metabolic pathway is genetically modified for production of the target substance. have.

본 발명의 일 구체예에서, 상기 목적 물질은 단백질일 수 있고, 상기 세포에 상기 단백질을 코딩하는 유전자를 도입하여 발현시키는 것에 의해 목적 물질이 생산될 수 있다. 상기 세포에 목적 물질을 코딩하는 유전자를 외부로부터 도입하는 것은 형질전환 또는 형질감염을 포함하나 이에 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에게 알려진 통상적인 방법에 의해 수행될 수 있다. In one embodiment of the present invention, the target substance may be a protein, and the target substance may be produced by introducing and expressing a gene encoding the protein in the cell. Introduction of a gene encoding a target substance into the cell from the outside may include, but is not limited to, transformation or transfection, and may be performed by conventional methods known to those skilled in the art.

본 발명의 일 구체예에서, 상기 목적 물질은 숙신산과 같은 대사산물일 수 있고, 상기 세포의 대사 경로에서 숙신산의 생성에 관여하는 단계의 효소를 코딩하 는 유전자의 발현 또는 그 활성을 증가, 억제 또는 제거하는 것에 상기 세포가 숙신산을 고수율로 생성할 수 있도록 유전적으로 변형될 수 있다. In one embodiment of the present invention, the target substance may be a metabolite such as succinic acid, and increases or inhibits the expression or activity of the gene encoding the enzyme of the step involved in the production of succinic acid in the metabolic pathway of the cell. Or upon removal the cells can be genetically modified to produce high yields of succinic acid.

본 발명의 일 구체예에서, 상기 세포는 박테리아, 효모, 진균, 식물 세포 또는 동물 세포일 수 있다. In one embodiment of the invention, the cells may be bacteria, yeast, fungi, plant cells or animal cells.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 보다 상세하게 설명한다. 하기의 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다. Hereinafter, an Example demonstrates this invention in more detail. The following examples are intended to illustrate the invention in more detail and should not be construed as limiting the scope of the invention.

본 발명에 따른 모세포에 비해 증가된 세포내 ATP 농도를 갖는 세포 및 이를 이용한 목적 물질의 생산방법을 이용하면, 높은 세포내 ATP 농도가 유전자 발현, 생합성, 물질 수송 등을 증진시키므로 단백질, 대사산물 등을 포함한 유용한 목적 물질을 효율적으로 생산할 수 있다. Cells having an increased intracellular ATP concentration compared to the parent cell according to the present invention, and using the production method of the target substance using the same, high intracellular ATP concentration enhances gene expression, biosynthesis, substance transport, etc. It can efficiently produce useful target materials, including.

실시예 1. PCK 과발현 균주의 제조Example 1 Preparation of PCK Overexpressing Strains

본 실시예에서는 대장균의 포스포에놀피루베이트 카르복시키나아제를 코딩하는 유전자를 과발현하는 균주를 제조하였다. In this example, a strain overexpressing a gene encoding E. coli phosphoenolpyruvate carboxykinase was prepared.

(1) pEcPCK의 제조(1) Preparation of pEcPCK

대장균의 PCK를 코딩하는 유전자(pck)를 갖는 플라스미드를 제조하였다. 대장균 W3110(Korena Collection of Type Culture, KCTC 2223)의 게놈 DNA를 주형으로 하고 각각 EcoRI 및 PstI 인식부위를 갖는 서열번호 1 및 2의 프라이머를 이용 하여 PCR을 수행하여(95℃에서 40초간의 변성, 68.5℃에서 40초간의 어닐링, 및 72℃에서 40초간의 신장으로 구성된 사이클을 30회 반복 수행함) pck를 증폭시켰다. pck 유전자에 해당하는 1.6 kb PCR 산물을 pGEM-T easy vector(Promega, Madison, WI, U.S.A.)(PCR cloning vector, ApR)에 클로닝하였다. 그 후, 수득된 pck 유전자를 pTrc99A 발현 벡터(AP Biotech, Uppsala, Sweden)의 EcoRI-PstI 부위에 서브클로닝시켜, pEcPCK를 수득하였다. A plasmid having a gene encoding the PCK of Escherichia coli (pck) was prepared. PCR was performed using genomic DNA of Escherichia coli W3110 (Korena Collection of Type Culture, KCTC 2223) as a template and primers of SEQ ID NOs: 1 and 2 having EcoRI and PstI recognition sites, respectively (denatured for 40 seconds at 95 ° C, Pck was amplified with 30 cycles consisting of annealing for 40 seconds at 68.5 ° C., and elongation for 40 seconds at 72 ° C.). The 1.6 kb PCR product corresponding to the pck gene was cloned into pGEM-T easy vector (Promega, Madison, WI, USA) (PCR cloning vector, Ap R ). The pck gene obtained was then subcloned into the EcoRI-PstI site of the pTrc99A expression vector (AP Biotech, Uppsala, Sweden) to obtain pEcPCK.

(2) 대장균 W3110(DE3)/pEcPCK의 제조(2) Preparation of Escherichia Coli W3110 (DE3) / pEcPCK

DE3 Lysogenation 키트(Novagen, Madison, WI, USA)를 이용하여 제조사의 설명서에 따라 대장균 W3110(KCTC 2223)로부터, 대장균 W3110(DE3)을 제조하였다. 전기천공(Gene Pulser, Bio-Rad, Hercules, CA, U.S.A.)을 이용하여 상기 (1)에서 제조된 pEcPck를 대장균 W3110(DE3)에 형질전환시켜, pck를 과발현하도록 pck 유전자를 도입시킨 대장균 W3110(DE3)/pEcPCK를 제조하였다. 도 1은 대장균 W3110(DE3)와 대장균 W3110(DE3)/pEcPCK에서 포스포에놀피루베이트 카르복시키나아제(PCK)와 포스포에놀피루베이트 카르복실라아제(PPC)에 의해 촉매되는 반응을 도시한다. 야생형 대장균 W3110(DE3)의 경우, 해당과정에서는 PPC가 PEP를 OAA로 전환하는 반응에 관여하고, 당 신생과정에서는 PCK가 동일한 반응에 관여한다. 그러나, PCK를 과발현하도록 형질전환된 대장균 W3110(DE3)/pEcPCK에서는 해당과정에서 염색체 상의 PPC와 도입된 플라스미드 상에 존재하는 PCK가 모두 작용한다. E. coli W3110 (DE3) was prepared from E. coli W3110 (KCTC 2223) using the DE3 Lysogenation kit (Novagen, Madison, Wis., USA) according to the manufacturer's instructions. Escherichia coli W3110 (E3) which transformed pEcPck prepared in (1) to E. coli W3110 (DE3) using electroporation (Gene Pulser, Bio-Rad, Hercules, CA, USA) to introduce pck gene to overexpress pck ( DE3) / pEcPCK was prepared. 1 shows the reaction catalyzed by phosphoenolpyruvate carboxykinase (PCK) and phosphoenolpyruvate carboxylase (PPC) in E. coli W3110 (DE3) and E. coli W3110 (DE3) / pEcPCK. . In wild-type Escherichia coli W3110 (DE3), PPC is involved in the conversion of PEP to OAA in glycolysis, and PCK is involved in the same reaction. However, in Escherichia coli W3110 (DE3) / pEcPCK transformed to overexpress PCK, both PPC on the chromosome and PCK present on the introduced plasmid work in the course of glycolysis.

(3) 대장균 BL21(DE3)/pEcPCK의 제조(3) Preparation of Escherichia coli BL21 (DE3) / pEcPCK

세포생리연구용도인 야생형 대장균 W3110 이외에 재조합단백질 합성에 주로 사용되는 대장균주 BL21(DE3) (E. coli B dcm ompT hsdS(rB -mB -) gal )에 상기 (1)에서 제조된 pEcPck를 전기천공에 의해 형질전환시켜, pck를 과발현하도록 pck 유전자를 도입시킨 대장균 BL21(DE3)/pEcPCK를 제조하였다.The pEcPck prepared in the above (1) to () E. coli gal dcm ompT hsdS B (r B - - m B) cell physiology research purposes in addition to the wild type E. coli W3110 E. coli strain BL21 is used mainly (DE3) for recombinant protein synthesis E. coli BL21 (DE3) / pEcPCK was prepared by transformation by electroporation and introducing the pck gene to overexpress pck.

실시예 2. PCK 과발현 균주의 생리적 특성Example 2 Physiological Characteristics of PCK Overexpressing Strains

실시예 1에서 제조된 PCK 과발현 대장균 W3110(DE3)/pEcPCK의 생리적 특성을 파악하기 위해 모균주(대장균 W3110(DE)) 대비 바이오매스, 세포내 ATP 농도 및 리보솜 농도를 측정하였다. In order to determine the physiological characteristics of PCK overexpressing Escherichia coli W3110 (DE3) / pEcPCK prepared in Example 1, biomass, intracellular ATP concentration and ribosome concentration were measured relative to the parent strain (E. coli W3110 (DE)).

(1) 바이오매스(1) biomass

배양은 6 mL의 배지(포도당 9g, NaHCO3 10g, IPTG 1 mM, 항생제(암피실린 및 카나마이신) 50 ㎍/ml 및 미네랄/L)를 포함하는 50-mL 테스트 튜브에서 37℃, 250 rpm의 조건 하에 24시간 동안 수행하였다. 600 nm에서 측정된 OD(optical density)로부터 환산된 바이오매스의 양은 대장균 W3110(DE)와 대장균 W3110(DE3)/pEcPCK에 대해 각각 0.42±0.02 (g-cell/L)와 0.16±0.01 (g-cell/L)였다. The culture was carried out at 37 ° C., 250 rpm in a 50-mL test tube containing 6 mL of medium (9 g glucose, 10 g NaHCO3, IPTG 1 mM, 50 μg / ml antibiotics (ampicillin and kanamycin) and minerals / L). It was carried out for hours. The amount of biomass converted from optical density (OD) measured at 600 nm was 0.42 ± 0.02 (g-cell / L) and 0.16 ± 0.01 (g-) for E. coli W3110 (DE) and E. coli W3110 (DE3) / pEcPCK, respectively. cell / L).

(2) 세포내 ATP 농도(2) intracellular ATP concentration

상기 (1)과 동일한 조건에서 배양하고, 세포 성장이 활발한 초기 지수기, 즉 600nm에서의 OD가 약 0.3에 도달했을 때, 세포들을 채취하여 세포내 ATP 농도를 측정하였다. 세포내 ATP 농도는 ATP determination kit(FL-AA; Sigma Chemical, St. Louis, MO) 및 루미노미터(luminometer)(20/20n Luminometer System, Turner Biosystems, Sunnyvale, CA)와 ATP 표준을 이용하여 측정하였다. 세포내 ATP의 양은 대장균 W3110(DE)와 대장균 W3110(DE3)/pEcPCK에 대해 각각 0.58±0.02 및 1.45 ± 0.03(nmol/g-cell)이었다. PCK를 과발현하는 대장균 W3110(DE3)/pEcPCK에 대조군에 비해 약 3배 정도 높은 세포내 ATP 농도를 가졌다. Cultured under the same conditions as in (1) above, when the initial exponential phase of cell growth was active, that is, when the OD at 600 nm reached about 0.3, cells were harvested to measure intracellular ATP concentration. Intracellular ATP concentrations were measured using ATP determination kit (FL-AA; Sigma Chemical, St. Louis, MO) and luminometer (20 / 20n Luminometer System, Turner Biosystems, Sunnyvale, CA) and ATP standards. It was. The amount of intracellular ATP was 0.58 ± 0.02 and 1.45 ± 0.03 (nmol / g-cell) for E. coli W3110 (DE) and E. coli W3110 (DE3) / pEcPCK, respectively. Escherichia coli W3110 (DE3) / pEcPCK overexpressing PCK had an intracellular ATP concentration about three times higher than the control group.

(3) 리보솜 농도(3) ribosomal concentration

PCK를 과발현하는 미생물이 단백질 합성을 위해 필요한 리보솜의 농도 증가를 갖는지를 확인하기 위해 세포내 리보솜 농도를 측정하였다. Intracellular ribosomal concentrations were measured to determine if the microorganisms overexpressing PCK had the increased concentration of ribosomes required for protein synthesis.

상기 (1)과 동일한 조건에서 배양된 활발하게 성장하는 세포들(OD

Figure 112009054131816-pat00001
0.5)을 채취하고, 15 ml의 완충액 A(50 mM Tris-HCl, 10 mM MgCl2, 100 mM NH4Cl, 6 mM 2-머캅토에탄올, 0.5 mM EDTA, pH 7.6)에 현탁시켰다. 상기 세포들을 얼음 상에서 1초 간격으로 3분 동안 30 W로 설정된 초음파 처리기에 의해 파쇄시켰다. 10 ㎕의 DNase I(Sigma, St. Louis, MO, U.S.A.)을 첨가한 후, 상층액을 얻기 위해 용해물을 4℃, 15,000 rpm에서 15분간 원심분리하였다. 상기 상층액에 0.5M NH4Cl 용액의 첨가 후에, 초원심분리(4℃, 100,000 g, 5시간)에 의해 리보솜을 회수하였다. 상층 액을 버린 후에, 펠렛을 완충액 B(50 mM Tris-HCl, 6 mM MgCl2, 100 mM NH4Cl, 6 mM 2-머캅토에탄올, 0.5 mM EDTA, pH 7.6)에 용해시켰다. 12.5% 폴리아크릴아미드 겔에서 전기영동에 의해 단백질을 분리시키고 니트로셀룰로오스 막으로 옮겼다. L4-리보솜에 대한 제1 항체(한국 외국어대학교 환경학과 이규호 교수로부터 공여됨) 및 제2 항체(항-랫트 IgG AP-conjugated, Sigma)를 순차적으로 상기 니트로셀룰로오스 막에 결합시켰다. AP 완충액(100 mM Tris-HCl, 100 mM NaCl, 5 mM MgCl2, pH 9.5)을 이용하여 리보솜을 확인하였다. 이미지 분석기(GelDoc1000/2000, Bio-Rad Lab, Inc., Hercules, CA. U.S.A)에 의한 강도의 분석을 통해 추정된 리보솜의 농도(임의 단위)는 대장균 W3110(DE)와 대장균 W3110(DE3)/pEcPCK에 대해 각각 342.5 및 605.9였다. 대장균 W3110(DE3)/pEcPCK는 대조군인 대장균 W3110(DE)에 비해 약 1.8배 더 높은 리보솜 농도를 보였고, 이는 높은 세포내 ATP 농도를 갖는 세포들이 보다 많은 단백질 합성 기구를 갖는다는 것을 보여준다. Actively growing cells cultured under the same conditions as in (1) (OD)
Figure 112009054131816-pat00001
0.5) was collected and suspended in 15 ml of Buffer A (50 mM Tris-HCl, 10 mM MgCl 2 , 100 mM NH 4 Cl, 6 mM 2-mercaptoethanol, 0.5 mM EDTA, pH 7.6). The cells were disrupted by sonication set at 30 W for 3 minutes at 1 second intervals on ice. After addition of 10 μl of DNase I (Sigma, St. Louis, Mo., USA), the lysates were centrifuged at 4 ° C., 15,000 rpm for 15 minutes to obtain supernatant. After addition of 0.5M NH 4 Cl solution to the supernatant, ribosomes were recovered by ultracentrifugation (4 ° C., 100,000 g, 5 hours). After the supernatant was discarded, the pellet was dissolved in buffer B (50 mM Tris-HCl, 6 mM MgCl 2 , 100 mM NH 4 Cl, 6 mM 2-mercaptoethanol, 0.5 mM EDTA, pH 7.6). Proteins were separated by electrophoresis on 12.5% polyacrylamide gels and transferred to nitrocellulose membranes. A first antibody against L4-ribosome (donated by Professor Kyu-ho Lee, Department of Environmental Studies, Hankuk University of Foreign Studies) and a second antibody (anti-rat IgG AP-conjugated, Sigma) were sequentially bound to the nitrocellulose membrane. Ribosomes were identified using AP buffer (100 mM Tris-HCl, 100 mM NaCl, 5 mM MgCl 2 , pH 9.5). Ribosomal concentrations (arbitrary units) estimated by intensity analysis by an image analyzer (GelDoc1000 / 2000, Bio-Rad Lab, Inc., Hercules, CA.USA) are E. coli W3110 (DE) and E. coli W3110 (DE3) / 342.5 and 605.9 for pEcPCK, respectively. E. coli W3110 (DE3) / pEcPCK showed about 1.8 times higher ribosome concentrations than control E. coli W3110 (DE), indicating that cells with high intracellular ATP concentrations had more protein synthesis machinery.

상기 결과는 PCK를 과발현하는 대장균 W3110(DE3)/pEcPCK는 대조군에 비해 세포내 ATP 농도 및 리보솜 농도가 각각 약 3배 및 2배 높았으나, 세포성장속도는 대조군에 비해 느리다는 것을 보여주었다. 세포내 ATP 농도가 높기 때문에, 해당과정의 억제에 의해 세포 성장이 제한되고 성장을 위한 에너지가 생합성 등을 위해 이용될 수 있는 것으로 사료된다. The results showed that E. coli W3110 (DE3) / pEcPCK overexpressing PCK was about 3 times and 2 times higher in intracellular ATP and ribosomal concentrations than the control, but the cell growth rate was slower than the control. Because of the high intracellular ATP concentration, it is thought that cell growth is restricted by the inhibition of glycolysis and that energy for growth can be used for biosynthesis.

실시예 3. PCK 과발현 균주에 의한 외래 단백질의 제조Example 3. Preparation of Foreign Protein by PCK Overexpressing Strains

3-1. 외래 단백질 eGFP의 제조3-1. Preparation of Foreign Protein eGFP

(1) eGFP 발현 벡터의 제작(1) Construction of eGFP Expression Vector

대장균 W3110(Korena Collection of Type Culture, KCTC 2223)의 게놈 DNA를 주형으로 하고 각각 EcoRI 및 XhoI 인식부위를 갖는 서열번호 3 및 4의 프라이머를 이용하여 PCR을 수행하여(95℃에서 1분간의 변성, 68℃에서 1분간의 어닐링, 및 72℃에서 1분간의 신장으로 구성된 사이클을 25회 반복 수행함) eGFP를 증폭시켰다. eGFP 유전자에 해당하는 PCR 산물을 pGEM-T easy vector(Promega, Madison, WI, U.S.A.)에 클로닝하고, DNA 서열결정에 의해 확인하였다(솔젠트, 대전, 한국). 그 후, 수득된 eGFP 유전자를 pET41a(Novagen)의 XhoI-EcoRI 부위에 서브클로닝시켜, pEGFP(eGFP expression vector based on pET41a, pT7, KmR)를 수득하였다. PCR was performed using genomic DNA of E. coli W3110 (Korena Collection of Type Culture, KCTC 2223) as a template and primers of SEQ ID NOs: 3 and 4 having EcoRI and XhoI recognition sites, respectively (denatured at 95 ° C for 1 minute, 25 cycles consisting of 1 minute anneal at 68 ° C. and 1 minute elongation at 72 ° C. were performed) eGFP was amplified. PCR products corresponding to the eGFP gene were cloned into pGEM-T easy vector (Promega, Madison, Wis., USA) and confirmed by DNA sequencing (solgent, Daejeon, Korea). Thereafter, the obtained eGFP gene was subcloned into the XhoI-EcoRI site of pET41a (Novagen) to obtain pEGFP (eGFP expression vector based on pET41a, p T7 , Km R ).

(2) 형질전환 및 발현 (2) transformation and expression

실시예 1에서 제조된 PCK 과발현 균주인 대장균 W3110(DE3)/pEcPCK에 상기 (1)에서 제조된 pEGFP를 전기천공에 의해 형질전환시켰다. 형질전환된 세포 W3110(DE3)/pEGFP/pEcPCK와 대조구 세포 W3110(DE3)/pEcPCK를 IPTG(isopropyl-β-D-thiogalactopyranoside) 및 항생제를 포함하는 포도당-최소 배지(리터당, 포도당 (9 g/L), NaHCO3 (10 g), IPTG (1 mM), 항생제(암피실린 및 카나마이신, 각각 25 ㎍/mL, 대조군의 경우, 카나마이신 50 ㎍/mL), 및 미네랄) 및 LB-포도당 배지(리터당, 펩톤 (5g), 트립톤 (10g), NaCl (10 g), 포도당 (9 g/L), NaHCO3 (10 g), IPTG (1 mM), 및 항생제(암피실린 및 카나마이신, 각각 25 ㎍/mL, 대조군의 경우, 카나마이신 50 ㎍/mL))에서 37℃, 250 rpm의 조건 하에 24시간 동안 배양하였다. eGFP의 발현량을 추정하기 위해, 배양액(700 마이크로리터)을 395 nm에서의 여기 및 509 nm에서의 방출 조건 하에 형광 분광분석기(RF-5301PC, Shimadzu, Kyoto, Japan)에 배치하였다. 위상차 현미경 및 형광 현미경(LSM 510, Carl Zeiss)을 이용하여 세포들을 관찰하였다. 도 2 및 도 3은 각각 포도당-최소 배지 및 LB-포도당 배지에서 배양된 대장균 W3110(DE3)/pEcPCK와 대장균 W3110(DE3)/pEGFP/pEcPCK의 관찰 결과를 보여준다. 발현량(volumetric expression)(형광 강도, RF)은 각각 367.1±0.02와 643.6±0.03이었고 비 발현량(specific expression, 형광 강도/g-cell)은 869.5 및 3984.6이었다. The pEGFP prepared in (1) was transformed into E. coli W3110 (DE3) / pEcPCK, which is a PCK overexpressing strain prepared in Example 1, by electroporation. Transformed cell W3110 (DE3) / pEGFP / pEcPCK and control cell W3110 (DE3) / pEcPCK were treated with glucose-minimum medium (liter, glucose (9 g / L) containing IPTG (isopropyl-β-D-thiogalactopyranoside) and antibiotics. ), NaHCO 3 (10 g), IPTG (1 mM), antibiotics (ampicillin and kanamycin, 25 μg / mL each, kanamycin 50 μg / mL for control, and minerals) and LB-glucose medium (per liter, peptone (5 g), tryptone (10 g), NaCl (10 g), glucose (9 g / L), NaHCO 3 (10 g), IPTG (1 mM), and antibiotics (ampicillin and kanamycin, 25 μg / mL, respectively, For the control group, kanamycin 50 μg / mL)) was incubated at 37 ° C. and 250 rpm for 24 hours. To estimate the expression level of eGFP, cultures (700 microliters) were placed in a fluorescence spectrometer (RF-5301PC, Shimadzu, Kyoto, Japan) under excitation at 395 nm and emission conditions at 509 nm. Cells were observed using a phase contrast microscope and a fluorescence microscope (LSM 510, Carl Zeiss). 2 and 3 show the results of E. coli W3110 (DE3) / pEcPCK and E. coli W3110 (DE3) / pEGFP / pEcPCK cultured in glucose-minimum medium and LB-glucose medium, respectively. The volumetric expression (fluorescence intensity, RF) was 367.1 ± 0.02 and 643.6 ± 0.03, respectively, and the specific expression (fluorescence intensity / g-cell) was 869.5 and 3984.6.

또한, 상기 실시예 1에서 제조된 PCK 과발현 대장균 BL21(DE)pECK에 상기 (1)에서 제조된 pEGFP를 전기천공에 의해 형질전환시켜 대장균 BL21(DE3)/pEGFP/pEcPCK를 제조하였다. 형질전환된 대장균 상기 (1)에서 제조된 pEGFP를 전기천공에 의해 형질전환시켰다. 형질전환된 대장균 BL21(DE3)/pEGFP/pEcPCK와 대조구 대장균 BL21(DE3)/pEcPCK를 IPTG 및 항생제를 포함하는 LB-포도당 배지(리터당, 펩톤 (5g), 트립톤 (10g), NaCl (10 g), 포도당 (9 g/L), NaHCO3 (10 g), IPTG (1 mM), 및 항생제(암피실린 및 카나마이신, 각각 25 ㎍/mL, 대조군의 경우, 카나마이신 50 ㎍/mL))에서 37℃, 250 rpm의 조건 하에 12시 간 동안 배양하였다. eGFP의 발현량은 상기 대장균 W3110(DE3)/pEGFP/pEcPCK의 경우와 동일한 방법으로 측정하였다. 포도당-LB 배지에서 대장균 BL21(DE3)/pEGFP와 BL21(DE3)/pEcPCK/pEGFP에서 발현량은 각각 463.3 및 873.3 였고, 비 발현량(RF/mg-세포)은 923.9±5.1 및 1440.8±104.9였다. 이 결과는 PCK와 eGFP를 동시발현한 BL21(DE3)균주는 대조구 대비 세포당 외부단백질 eGFP 발현량은 약 56%, 전체 외부단백질 eGFP 발현량은 약 89% 증가했다는 것을 보여준다. In addition, the pEGFP prepared in the above (1) was transformed into the PCK overexpressing Escherichia coli BL21 (DE) pECK prepared in Example 1 by electroporation to prepare Escherichia coli BL21 (DE3) / pEGFP / pEcPCK. Transformed Escherichia coli pEGFP prepared in (1) was transformed by electroporation. Transformed Escherichia coli BL21 (DE3) / pEGFP / pEcPCK and Control Escherichia coli BL21 (DE3) / pEcPCK were transformed into LB-glucose medium containing IPTG and antibiotics (per liter, peptone (5 g), tryptone (10 g), NaCl (10 g). ), Glucose (9 g / L), NaHCO 3 (10 g), IPTG (1 mM), and antibiotics (ampicillin and kanamycin, 25 μg / mL, respectively, kanamycin 50 μg / mL for control) at 37 ° C. Incubated for 12 hours under conditions of 250 rpm. The expression level of eGFP was measured in the same manner as in the case of E. coli W3110 (DE3) / pEGFP / pEcPCK. The expression levels of E. coli BL21 (DE3) / pEGFP and BL21 (DE3) / pEcPCK / pEGFP in glucose-LB medium were 463.3 and 873.3, respectively, and the specific expression (RF / mg-cell) was 923.9 ± 5.1 and 1440.8 ± 104.9. . These results showed that the BL21 (DE3) strain, which co-expressed PCK and eGFP, increased about 56% exoprotein eGFP expression and 89% overall exoprotein eGFP expression per cell.

3-2. 외래 단백질 베타-갈락토시다아제(LacZ)의 제조3-2. Preparation of Foreign Protein Beta-galactosidase (LacZ)

(1) lacZ 발현 벡터의 제조(1) Preparation of lacZ expression vector

대장균 W3110(Korena Collection of Type Culture, KCTC 2223)의 게놈 DNA를 주형으로 하고 각각 서열번호 5 및 6의 프라이머를 이용하여 PCR을 수행하여(95℃에서 40초간의 변성, 67.5℃에서 40초간의 어닐링, 및 72℃에서 1분간의 신장으로 구성된 사이클을 25회 반복 수행함) lacZ를 증폭시켰다. lacZ 유전자에 해당하는 PCR 산물을 pGEM-T easy vector(Promega, Madison, WI, U.S.A.)에 클로닝하고, DNA 서열결정에 의해 확인하였다(솔젠트, 대전, 한국). 그 후, 수득된 lacZ 유전자를 pET41a(Novagen)의 XhoI-EcoRI 부위에 서브클로닝시켜, pLacZ(LacZ expression vector based on pET41a, pT7, KmR)를 수득하였다.Using genomic DNA of E. coli W3110 (Korena Collection of Type Culture, KCTC 2223) as a template and PCR using primers of SEQ ID NOs: 5 and 6 (denatured at 95 ° C for 40 seconds, and annealed at 67.5 ° C for 40 seconds) And 25 cycles of 1 min elongation at 72 ° C.) lacZ was amplified. PCR products corresponding to the lacZ gene were cloned into pGEM-T easy vector (Promega, Madison, Wis., USA) and confirmed by DNA sequencing (solgent, Daejeon, Korea). Thereafter, the obtained lacZ gene was subcloned into the XhoI-EcoRI site of pET41a (Novagen) to obtain pLacZ (LacZ expression vector based on pET41a, p T7 , Km R ).

(2) 형질전환 및 발현(2) transformation and expression

실시예 1과 동일한 방법을 이용하여, 대장균 BL21(DE3)(F- ompT hsdS B (rB -mB - gal dcm (DE3)(Novagen Inc.)에 전기천공에 의해 pEcPCK를 형질전환시켜 pck를 과발현하는 균주인 대장균 BL21(DE3)/pEcPCK를 제조하였다. 상기 균주 및 대조군 대장균 BL21(DE3)에 각각 상기 (1)에서 제조된 pLacZ를 전기천공에 의해 형질전환시켰다. 형질전환된 세포 BL21(DE3)pEcPCK/pLacZ와 BL21(DE3)/pLacZ를 포도당-최소 배지(리터당, 포도당 (9 g/L), NaHCO3 (10 g), IPTG (1 mM), 항생제(암피실린 및 카나마이신, 각 25 ㎍/mL), 및 미네랄) 및 LB-포도당 배지(리터당, 펩톤 (5g), 트립톤 (10g), NaCl (10 g), 포도당(9 g/L), NaHCO3 (10 g), IPTG (1 mM), 및 항생제(암피실린 및 카나마이신, 각 25 ㎍/mL))에서 37℃, 250 rpm의 조건 하에 24시간 동안 배양하였다. 24시간의 혐기 배양 후에, 세포들을 회수하고 초음파 처리에 의해 파쇄시켰다. o-니트로페닐-β-D-갈락토시드(ONPG) (Miller, J. 1972. Experiments in Molecular Genetics, p. 352-355. Cold Spring Harbor Laboratory, NY.)를 기질로 이용하여 상기 파쇄물의 베타-갈락토시다아제 활성을 측정하였다. 세포 파쇄물에 ONPG를 첨가한 후 2분간 30℃에서 교반한 후 황색이 발색되면 Na2CO3 500㎕를 첨가하여 반응을 종료시키고 각각 OD420nm와 OD550nm에서 활성을 측정하였다. Carried out using the same method as in Example 1, E. coli BL21 (DE3) (F - the gal dcm (DE3) (by transforming the pEcPCK by electroporation in Novagen Inc.) pck - ompT hsdS B (r B - m B E. coli BL21 (DE3) / pEcPCK, which is an overexpressed strain, was prepared, and pLacZ prepared in (1) was transformed by electroporation into the strain and control Escherichia coli BL21 (DE3), respectively. ) pEcPCK / pLacZ and BL21 (DE3) / pLacZ were added to glucose-minimum medium (liter, glucose (9 g / L), NaHCO 3 (10 g), IPTG (1 mM), antibiotics (ampicillin and kanamycin, 25 μg / each). mL), and minerals) and LB-glucose medium (liter, peptone (5 g), tryptone (10 g), NaCl (10 g), glucose (9 g / L), NaHCO 3 (10 g), IPTG (1 mM) ), And antibiotics (ampicillin and kanamycin, 25 μg / mL each) for 24 hours under conditions of 250 ° C. at 37 ° C. After 24 hours of anaerobic culture, cells were harvested and disrupted by sonication. -neat Beta-galacto of the lysate using phenyl-β-D-galactoside (ONPG) (Miller, J. 1972. Experiments in Molecular Genetics, p. 352-355. Cold Spring Harbor Laboratory, NY.) As substrate. Let the dehydratase activity was measured. When the yellow color development was stirred for 2 minutes at 30 ℃ ONPG was added to the cell lysate to complete the reaction by the addition of Na 2 CO 3 500㎕ and measuring the activity in the OD 420nm and the OD 550nm respectively It was.

도 4는 본 발명의 일 구체예에 따른 세포(BL21(DE3)pEcPCK/pLacZ) 및 대조군 세포(BL21(DE3)/pLacZ)의 배양에 의해 생성된 외래 단백질, 베타 갈락토시다아제의 활성을 도시한다. BL21(DE3)pEcPCK/pLacZ의 베타-갈락토시다아제 활성이 BL21(DE3)/pLacZ에 비해 약 3배 정도 더 높았고, 이는 eGFP의 발현에서와 유사한 경향이었다. 즉, PCK의 과발현에 의해 높은 세포내 ATP 농도를 갖는 세포가 외래 단백질의 제조를 위해 유용하게 이용될 수 있다는 것을 보여준다. Figure 4 shows the activity of the foreign protein, beta galactosidase produced by the culture of cells (BL21 (DE3) pEcPCK / pLacZ) and control cells (BL21 (DE3) / pLacZ) according to an embodiment of the present invention do. The beta-galactosidase activity of BL21 (DE3) pEcPCK / pLacZ was about three times higher than BL21 (DE3) / pLacZ, which was similar to the expression of eGFP. That is, overexpression of PCK shows that cells with high intracellular ATP concentrations can be usefully used for the production of foreign proteins.

실시예 4. PCK 과발현 균주에 의한 대사산물의 제조Example 4 Preparation of Metabolites by PCK Overexpressing Strains

PCK를 과발현하는 균주에 의한 외래 단백질의 발현 및 이에 따른 대사산물의 생산을 수행하였다. Expression of foreign proteins by the strains overexpressing PCK and the subsequent production of metabolites were performed.

(1) ygjE 발현 벡터의 제조 (1) Preparation of ygjE Expression Vector

대장균의 숙시네이트 능동 수송체 YgjE (active transporter, export intracellular succinate outward)를 코딩하는 유전자 ygjE를 대장균 W3110(Korena Collection of Type Culture, KCTC 2223)의 게놈 DNA를 주형으로 하고 각각 서열번호 7 및 8의 프라이머를 이용하여 PCR을 수행하여(95℃에서 1분간의 변성, 63℃에서 1분간의 어닐링, 및 72℃에서 1분간의 신장으로 구성된 사이클을 30회 반복 수행함) 증폭시켰다. ygjE 유전자에 해당하는 PCR 산물을 pGEM-T easy vector(Promega, Madison, WI, U.S.A.)에 클로닝하고, DNA 서열결정에 의해 확인하였다(솔젠트, 대전, 한국). 그 후, 수득된 ygjE 유전자를 pET41a(Novagen)의 EcoRI-XhoI 부위에 서브클로닝시켜, pYgjE(YgjE expression vector based on pET41a, pT7, KmR)를 수득하였다.The genomic DNA of E. coli W3110 (Korena Collection of Type Culture, KCTC 2223) is based on the gene ygjE, which encodes the active transporter, export intracellular succinate outward (YgjE) of E. coli, and the primers of SEQ ID NOs: 7 and 8, respectively. PCR was performed using (a cycle of 1 minute denaturation at 95 ° C., 1 minute annealing at 63 ° C., and 1 minute elongation at 72 ° C.) was amplified. PCR products corresponding to the ygjE gene were cloned into pGEM-T easy vector (Promega, Madison, Wis., USA) and confirmed by DNA sequencing (solgent, Daejeon, Korea). Thereafter, the obtained ygjE gene was subcloned into the EcoRI-XhoI site of pET41a (Novagen) to obtain pYgjE (YgjE expression vector based on pET41a, p T7 , Km R ).

(2) 형질전환 및 발현 (2) transformation and expression

실시예 1과 동일한 방법을 이용하여, 대장균 BL21(DE3)(F- ompT hsdS B (rB -mB - gal dcm (DE3)(Novagen Inc.)에 전기천공에 의해 pEcPCK를 형질전환시켜 pck를 과발현하는 균주인 대장균 BL21(DE3)/pEcPCK를 제조하였다. 상기 균주 및 대조군 대장균 BL21(DE3)에 각각 상기 (1)에서 제조된 pYgjE를 전기천공에 의해 형질전환시켰다. YgjE는 막 결합 수송체(membrane-integrated transporter)이므로, 형질전환된 세포 BL21(DE3)/ygjE.pck와 BL21(DE3)/ygjE를 혐기 조건 하에 포도당 최소 배지(리터당, 포도당 (9 g/L), NaHCO3 (10 g), IPTG (50 uM), 항생제(암피실린 및 카나마이신, 각 25 ㎍/mL), 및 미네랄)에서 37℃, 250 rpm의 조건 하에 24시간 동안 배양하였다. 24시간의 혐기 배양 후에, YgjE의 활성은 세포내/외의 숙시네이트 농도를 측정하는 것에 의해 확인하였다. Carried out using the same method as in Example 1, E. coli BL21 (DE3) (F - the gal dcm (DE3) (by transforming the pEcPCK by electroporation in Novagen Inc.) pck - ompT hsdS B (r B - m B E. coli BL21 (DE3) / pEcPCK, which is an overexpressing strain, was prepared, and pYgjE prepared in (1) was transformed by electroporation into the strain and control Escherichia coli BL21 (DE3), respectively. As a membrane-integrated transporter, transformed cells BL21 (DE3) /ygjE.pck and BL21 (DE3) / ygjE were subjected to anaerobic conditions with minimal glucose (liter, glucose (9 g / L), NaHCO 3 (10 g)). , IPTG (50 μM), antibiotics (ampicillin and kanamycin, 25 μg / mL each, and minerals) were incubated for 24 hours at 37 ° C., 250 rpm.After 24 hours anaerobic culture, the activity of YgjE It confirmed by measuring the succinate concentration inside and outside.

도 5는 본 발명의 일 구체예에 따른 세포(BL21(DE3)/ygjE.pck) 및 대조군 세포(BL21(DE3)/ygjE)의 혐기 배양에 의해 생성된 숙시네이트의 양을 도시한다.5 shows the amount of succinate produced by anaerobic culture of cells (BL21 (DE3) /ygjE.pck) and control cells (BL21 (DE3) / ygjE) according to one embodiment of the invention.

혐기 조건에서의 배양 산물인 숙시네이트 생산량은 대조군 대장균 BL21(DE3)/ygjE보다 PCK를 과발현하는 대장균 BL21(DE3)/ygjE.pck에서 증가되었다. 이 결과는 외래 단백질 생산 및 대사산물의 생산을 위해 본 발명에 따른 높은 세포내 ATP 농도를 갖는 세포가 유용하게 이용될 수 있다는 것을 보여준다. Production of succinate, a culture product under anaerobic conditions, was increased in Escherichia coli BL21 (DE3) /ygjE.pck, which overexpresses PCK than control Escherichia coli BL21 (DE3) / ygjE. This result shows that cells with high intracellular ATP concentration according to the present invention can be usefully used for the production of foreign proteins and metabolites.

실시예 5. 자발적 PCK 발현 균주의 제조 및 이를 이용한 외래 단백질의 제조Example 5 Preparation of Spontaneous PCK Expression Strains and Preparation of Foreign Proteins Using the Same

(1) 자발적 PCK 발현 균주의 제조(1) Preparation of Spontaneous PCK Expression Strains

대장균의 게놈 내에서 당신생 조건에서 조절되는 pck 프로모터를 해당 (glycolysis)조건에서 조절되는 ppc 프로모터와 교환함으로서 해당조건에서 ppc 프로모터 조절에 의해서 pck가 발현되도록 함으로써 플라스미드 벡터의 도입에 의한 과발현 없이 자발적으로 더 높은 에너지 생산해 내는 세포를 제작하였다. In the genome of E. coli, the pck promoter regulated in the native condition is exchanged with the ppc promoter regulated in the glycolytic condition, thereby allowing pck to be expressed by the ppc promoter regulation in the relevant condition, thereby spontaneously without overexpression by the introduction of the plasmid vector. Cells were produced that produce higher energy.

먼저, 대장균 W3110의 게놈 DNA를 주형으로 하고 각각 서열번호 9와 10을 이용한 PCR(95℃에서 1분간의 변성, 67.5℃에서 1분간의 어닐링, 및 72℃에서 1분간의 신장으로 구성된 사이클을 25회 반복 수행함), 서열번호 11과 12를 이용한 PCR(95℃에서 1분간의 변성, 61.5℃에서 1분간의 어닐링, 및 72℃에서 1분간의 신장으로 구성된 사이클을 25회 반복 수행함) 및 서열번호 13과 14의 프라이머를 이용한 PCR(95℃에서 1분간의 변성, 69℃에서 1분간의 어닐링, 및 72℃에서 1분간의 신장으로 구성된 사이클을 25회 반복 수행함)을 수행하여 단편 I (pck upstream, 1.5 kb), 단편 II (ppc promoter region, 0.5 kb), 및 단편 III (pck structural region 1.6 kb)을 증폭하였다. 상기에서 수득된 단편 I, II 및 III의 증폭 산물을 T 벡터(T&A cloning vector, RBC Co., Taiwan)에 클로닝하여 DNA 서열결정을 통해 서열을 확인한 후, 각각 SmaI과 XbaI, XbaI과 PstI, 및 PstI과 HindIII로 처리한 후 순차적으로 pTrc99A 발현 벡터(AP Biotech, Uppsala, Sweden)에 클로닝하였다. 클로닝 후에 각 제한효소로 절단하여 DNA 크기를 재확인하였다. 상기 클로닝에 의해 수득된 pTrc99A-I-II-III를 주형으로 서열번호 15 및 16의 프라이머를 사용하여 전체 총 3.6 kb의 단편 I-II-III을 PCR을 통해(95℃에서 40초간의 변성, 67.5℃에서 40초간의 어닐링, 및 72℃에서 1분간의 신장으로 구성된 사이클을 25회 반복 수 행함) 증폭한 후 프로모터 교환(exchange)을 위하여 최종적으로 온도민감성(ts: temperature sensitive)인 자살벡터(suicide vector) pKOV (J. Bacteriology 171: 4617-4622 [1989]; Harvard Medical School, Department of Genetics, Prof. George M. Church 로부터 공여받음.)의 NotI 삽입부위에 서브클로닝 시켰다. 그 후 상기 벡터를 전기천공을 이용하여 대장균 W3110(DE3)에 형질전환시켰다. 형질전환 직후, LB 액체배지에 1시간 동안 30℃에서 배양한 후 42℃에서 클로람페니콜(50 ug/mL)을 포함한 LB 고체배지에서 세포들을 배양하여 생성된 콜로니들을 1차 교차(crossover)가 일어난 세포들로 선택하였다. 이 콜로니들을 다시 1 mL LB 액체배지에 접종하여 30℃에서 200 rpm으로 교반하면서 약 5시간 동안 배양하고, 즉시, 5% 수크로오스를 포함한 LB 고체배지와 5% 수크로오스 및 클로람페니콜(85 ug/mL)을 포함한 LB 고체배지에 도말 후 30℃에서 배양하여 클로람페니콜에 저항성이 없어진 균주를 선별하여 이중 교차(double crossover)가 일어난 세포들을 선별하였다. 도 6은 대장균 K12의 게놈 상에서 pck 유전자의 프로모터를 ppk 유전자의 프로모터로 교환하는 상동성 재조합을 개략적으로 보여준다. 선별된 균주의 게놈을 주형으로 하고, 서열번호 15와 16의 프라이머를 이용하여 PCR을 수행하여(95℃에서 40초간의 변성, 67.5℃에서 40초간의 어닐링, 및 72℃에서 1분간의 신장으로 구성된 사이클을 25회 반복 수행함) pck 유전자의 프로모터가 ppc 프로모터로 교환된 대장균을 확인하고 HEC01로 명명하였다. 도 7의 A는 본 실시예에서 제조된 pck의 프로모터가 ppc 프로모터로 교환된 자발적 에너지 세포 게놈의 모식도를 보여주며, 도 7의 B는 상기 세포에서 일어나는 생화학적 반응을 나타낸다. 최종적으로 실시예 2의 (2)에 기재된 방법을 이용하여 상기 세포를 배양하고 세포내 ATP 농도를 측정하였다. 포도당 최소배지에서 활발히 성장하는 HEC01 균주를 분리하여 세포내 ATP 농도를 측정한 결과 35.81±0.08 nmol/g-cell의 농도로 대조군인 W3110(DE3)의 24.73±1.26 nmol/g-cell보다 약 50% 이상 향상된 것을 확인하였다. 또한 이 농도는 IPTG유도에 의해 pck를 과발현한 W3110(DE3)/pEcPck 균주의 37.41±1.88 nmol/g-cell과 유사한 세포내 ATP 농도를 보이는 것으로 확인되었다. First, PCR was performed using the genomic DNA of Escherichia coli W3110 as a template and using SEQ ID NOs: 9 and 10, respectively. Repeated cycles), PCR using SEQ ID NOs: 11 and 12 (25 cycles consisting of 1 minute denaturation at 95 ° C., 1 minute annealing at 61.5 ° C., and 1 minute elongation at 72 ° C.) and SEQ ID NO: PCR was performed using primers 13 and 14 (25 cycles of 1 minute denaturation at 95 ° C., 1 minute annealing at 69 ° C., and 1 minute elongation at 72 ° C.) to fragment I (pck upstream). , 1.5 kb), fragment II (ppc promoter region, 0.5 kb), and fragment III (pck structural region 1.6 kb) were amplified. The amplification products of fragments I, II, and III obtained above were cloned into T vectors (T & A cloning vector, RBC Co., Taiwan) to confirm the sequence through DNA sequencing, and then SmaI and XbaI, XbaI and PstI, and After treatment with PstI and HindIII, they were sequentially cloned into pTrc99A expression vector (AP Biotech, Uppsala, Sweden). After cloning, digestion with each restriction enzyme confirmed the DNA size. PTrc99A-I-II-III obtained by the cloning using the primers of SEQ ID NOs: 15 and 16 as a template, a total of 3.6 kb of fragment I-II-III in total (denatured for 40 seconds at 95 ° C, 25 cycles consisting of annealing for 40 seconds at 67.5 ° C. and 1 minute elongation at 72 ° C. were amplified and finally a temperature-sensitive suicide vector (Ts) for promoter exchange. suicide vector) subcloned into the NotI insert of pKOV (J. Bacteriology 171: 4617-4622 [1989]; donated by Harvard Medical School, Department of Genetics, Prof. George M. Church). The vector was then transformed into E. coli W3110 (DE3) using electroporation. Immediately after transformation, cells were cultured at 30 ° C. in LB liquid medium for 1 hour and cultured in LB solid medium containing chloramphenicol (50 ug / mL) at 42 ° C. to generate first crossover of colonies. To choose. The colonies were inoculated again in 1 mL LB liquid medium and incubated for about 5 hours with stirring at 200 rpm at 30 ° C. Immediately, LB solid medium containing 5% sucrose and 5% sucrose and chloramphenicol (85 ug / mL) were added. After smearing in an LB solid medium containing the culture was selected at 30 ℃ strains that lost resistance to chloramphenicol to select the cells having a double crossover (double crossover). 6 schematically shows homologous recombination exchanging the promoter of the pck gene with the promoter of the ppk gene on the genome of E. coli K12. Using the genome of the selected strain as a template, PCR was performed using primers of SEQ ID NOs: 15 and 16 (denature for 40 seconds at 95 ° C, annealing for 40 seconds at 67.5 ° C, and extension for 1 minute at 72 ° C). 25 cycles of the constructed cycle were performed.) The E. coli strain whose promoter of pck gene was exchanged with the ppc promoter was identified and named as HEC01. FIG. 7A shows a schematic diagram of the spontaneous energy cell genome in which the promoter of pck prepared in this example was exchanged with the ppc promoter, and FIG. 7B shows the biochemical reaction occurring in the cells. Finally, the cells were cultured using the method described in (2) of Example 2 and the intracellular ATP concentration was measured. Intracellular ATP concentrations were determined by measuring HEC01 strains grown actively in glucose minimal media, and the concentration of 35.81 ± 0.08 nmol / g-cell was about 50% higher than the 24.73 ± 1.26 nmol / g-cell of W3110 (DE3). It was confirmed that the above improvement. In addition, this concentration was confirmed to show an intracellular ATP concentration similar to 37.41 ± 1.88 nmol / g-cell of the W3110 (DE3) / pEcPck strain overexpressed pck by IPTG induction.

(2) 형질전환 및 발현외래 단백질(eGFP)의 제조(2) Preparation of transformed and expressed foreign protein (eGFP)

상기 (1)에서 제조된 자발적 PCK 발현 에너지 세포인 HEC01와 대조군인 대장균 W3110(DE3)에 각각 상기 실시예 3-1에서 제조된 pEGFP를 전기천공에 의해 형질전환시켰다. 형질전환된 세포 HEC01/pEGFP와 W3110(DE3)/pEGFP를 IPTG(isopropyl-β-D-thiogalactopyranoside) 및 항생제를 포함하는 포도당-최소 배지(리터당, 포도당 (9 g/L), NaHCO3 (10 g), IPTG (1 mM), 항생제(암피실린 및 카나마이신, 각각 25 ㎍/mL, 대조군의 경우, 카나마이신 50 ㎍/mL), 및 미네랄) 및 LB-포도당 배지(리터당, 펩톤 (5g), 트립톤 (10g), NaCl (10 g), 포도당 (9 g/L), NaHCO3 (10 g), IPTG (1 mM), 및 항생제(암피실린 및 카나마이신, 각각 25 ㎍/mL, 대조군의 경우, 카나마이신 50 ㎍/mL))에서 37℃, 250 rpm의 조건 하에 12시간 동안 배양하였다. eGFP의 발현량을 추정하기 위해, 배양액(700 마이크로리터)을 395 nm에서의 여기 및 509 nm에서의 방출 조건 하에 형광 분광분석기(RF-5301PC, Shimadzu, Kyoto, Japan)에 배치하였다. 위상차 현미경 및 형광 현미경(LSM 510, Carl Zeiss)을 이용하여 세포들을 관찰하였다. 대장균 HEC01/pEGFP의 발현량(형광 강도)은 194.45±9.27로, 대조군인 대장균 W3110(DE3)/pEGFP의 100.4±9.35보다 약 2배 많은 양을 발현하였다. PEGFP prepared in Example 3-1 was transformed by HEC01, which is a spontaneous PCK expressing energy cell prepared in (1), and E. coli W3110 (DE3), which is a control group, respectively, by electroporation. Transformed cells HEC01 / pEGFP and W3110 (DE3) / pEGFP were converted to glucose-minimum medium (liter, glucose (9 g / L), NaHCO 3 (10 g) containing IPTG (isopropyl-β-D-thiogalactopyranoside) and antibiotics. ), IPTG (1 mM), antibiotics (ampicillin and kanamycin, 25 μg / mL each, kanamycin 50 μg / mL for control, and minerals) and LB-glucose medium (per liter, peptone (5 g), tryptone ( 10 g), NaCl (10 g), glucose (9 g / L), NaHCO 3 (10 g), IPTG (1 mM), and antibiotics (ampicillin and kanamycin, 25 μg / mL, respectively, 50 μg of kanamycin for control) / mL)) was incubated for 12 hours under conditions of 37 ℃, 250 rpm. To estimate the expression level of eGFP, cultures (700 microliters) were placed in a fluorescence spectrometer (RF-5301PC, Shimadzu, Kyoto, Japan) under excitation at 395 nm and emission conditions at 509 nm. Cells were observed using a phase contrast microscope and a fluorescence microscope (LSM 510, Carl Zeiss). The expression amount (fluorescence intensity) of E. coli HEC01 / pEGFP was 194.45 ± 9.27, which was about 2 times higher than that of 100.4 ± 9.35 of E. coli W3110 (DE3) / pEGFP.

도 1은 대장균에서 포스포에놀피루베이트 카르복시키나아제(PCK)와 포스포에놀피루베이트 카르복실라아제(PPC)에 의해 촉매되는 반응을 도시한다. 첨자로 표시된 p와 c는 각각 프로모터 기원 유전자 및 염색체 기원 유전자라는 것을 표시한다. 1 shows the reaction catalyzed by phosphoenolpyruvate carboxykinase (PCK) and phosphoenolpyruvate carboxylase (PPC) in E. coli. P and c in the subscripts indicate that the promoter and chromosomal genes, respectively.

도 2는 본 발명의 일 구체예에 따른 세포의 포도당-최소 배지(glucose-minimal media)에서의 배양에 의해 생성된 외래 단백질 eGFP(enhanced Green Fluorescent Protein)의 위상차 현미경 및 형광 현미경 하에서의 관찰 결과를 도시한다. Figure 2 shows the results of observation under phase contrast and fluorescence microscopy of foreign protein eGFP (enhanced Green Fluorescent Protein) produced by culturing cells in glucose-minimal media according to one embodiment of the invention. do.

도 3은 본 발명의 일 구체예에 따른 세포의 LB(Luria Bertani)-포도당 배지에서의 배양에 의해 생성된 외래 단백질 eGFP의 위상차 현미경 및 형광 현미경 하에서의 관찰 결과를 도시한다. 3 shows the results of observation under phase contrast and fluorescence microscopy of foreign protein eGFP produced by culturing cells in LB (Luria Bertani) -glucose medium in accordance with one embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 일 구체예에 따른 세포(BL21(DE3)pEcPCK/pLacZ) 및 대조군 세포(BL21(DE3)/pLacZ)의 배양에 의해 생성된 외래 단백질, 베타 갈락토시다아제의 활성을 도시한다. Figure 4 shows the activity of the foreign protein, beta galactosidase produced by the culture of cells (BL21 (DE3) pEcPCK / pLacZ) and control cells (BL21 (DE3) / pLacZ) according to an embodiment of the present invention do.

도 5는 본 발명의 일 구체예에 따른 세포(BL21(DE3)/ygjE.pck) 및 대조군 세포(BL21(DE3)/ygjE)의 혐기 배양에 의해 생성된 숙시네이트의 양을 도시한다. 5 shows the amount of succinate produced by anaerobic culture of cells (BL21 (DE3) /ygjE.pck) and control cells (BL21 (DE3) / ygjE) according to one embodiment of the invention.

도 6은 본 발명의 일 구체예에 따른 세포 (HECO1)을 제조하기 위해, 대장균 K12의 게놈 상에서 pck 유전자의 프로모터를 ppk 유전자의 프로모터로 교환하는 상동성 재조합을 개략적으로 보여준다.FIG. 6 schematically shows homologous recombination in which a promoter of the pck gene is exchanged for a promoter of the ppk gene on the genome of E. coli K12 to prepare a cell (HECO1) according to an embodiment of the present invention.

도 7에서 A는 본 발명의 일 구체예에 따른 자발적 pck 발현 세포인 대장균 HEC01과 대조군 세포인 대장균 W3110(DE3)의 게놈 구조를 나타내고, B는 대장균 HEC01에서 PCK 발현에 의해 해당 경로에서 일어나는 생화학적 반응을 나타낸다. 7 shows the genomic structure of E. coli HEC01, a spontaneous pck expressing cell, and E. coli W3110 (DE3), a control cell, according to an embodiment of the present invention, B is a biochemical that occurs in the pathway by PCK expression in E. coli HEC01. Indicates a reaction.

<110> Industry-Academic Cooperation Foundation of the Catholic University of Korea <120> High energy charged cell and use thereof <160> 16 <170> KopatentIn 1.71 <210> 1 <211> 32 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> forward primer for pck <400> 1 gaattcatgc gcgttaacaa tggtttgacc cc 32 <210> 2 <211> 30 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> backward primer for pck <400> 2 ctgcagttac agtttcggac cagccgctac 30 <210> 3 <211> 26 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> forward primer for eGFP <400> 3 gaattcatgg tgagcaaggg cgagga 26 <210> 4 <211> 27 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> reverse primer for eGFP <400> 4 ctcgagcttg tacagctcgt ccatgcc 27 <210> 5 <211> 26 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> forward primer for lacZ <400> 5 gaattcatgg tgagcaaggg cgagga 26 <210> 6 <211> 27 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> reverse primer for lacZ <400> 6 ctcgagcttg tacagctcgt ccatgcc 27 <210> 7 <211> 28 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> forward primer for ygjE <400> 7 gaattcatga aaccttccac tgaatggt 28 <210> 8 <211> 27 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> reverse primer for ygjE <400> 8 ctcagattaa agcaacacca cgggcat 27 <210> 9 <211> 31 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> forward primer for fragment I <400> 9 cccgggggct tcgtccccag ttttccatcc t 31 <210> 10 <211> 30 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> reverse primer for fragment I <400> 10 tctagatggc tggcgctagt gtttattgcc 30 <210> 11 <211> 29 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> forward primer for fragment II <400> 11 tctagaacct acagtgactc aaacgatgc 29 <210> 12 <211> 30 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> reverse primer for fragment II <400> 12 ctgcagatta ccccagacac cccatcttat 30 <210> 13 <211> 29 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> forward primer for fragment III <400> 13 ctgcagatgc gcgttaacaa tggtttgac 29 <210> 14 <211> 29 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> reverse primer for fragment III <400> 14 aagcttttac agtttcggac cagccgcta 29 <210> 15 <211> 32 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> forward primer for fragment I-II-III <400> 15 gcggccgcgg cttcgtcccc agttttccat cc 32 <210> 16 <211> 30 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> reverse primer for fragment I-II-III <400> 16 gcggccgctt acagtttcgg accagccgct 30 <110> Industry-Academic Cooperation Foundation of the Catholic University of Korea <120> High energy charged cell and use <160> 16 <170> KopatentIn 1.71 <210> 1 <211> 32 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> forward primer for pck <400> 1 gaattcatgc gcgttaacaa tggtttgacc cc 32 <210> 2 <211> 30 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> backward primer for pck <400> 2 ctgcagttac agtttcggac cagccgctac 30 <210> 3 <211> 26 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> forward primer for eGFP <400> 3 gaattcatgg tgagcaaggg cgagga 26 <210> 4 <211> 27 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> reverse primer for eGFP <400> 4 ctcgagcttg tacagctcgt ccatgcc 27 <210> 5 <211> 26 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> forward primer for lacZ <400> 5 gaattcatgg tgagcaaggg cgagga 26 <210> 6 <211> 27 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> reverse primer for lacZ <400> 6 ctcgagcttg tacagctcgt ccatgcc 27 <210> 7 <211> 28 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> forward primer for ygjE <400> 7 gaattcatga aaccttccac tgaatggt 28 <210> 8 <211> 27 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> reverse primer for ygjE <400> 8 ctcagattaa agcaacacca cgggcat 27 <210> 9 <211> 31 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> forward primer for fragment I <400> 9 cccgggggct tcgtccccag ttttccatcc t 31 <210> 10 <211> 30 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> reverse primer for fragment I <400> 10 tctagatggc tggcgctagt gtttattgcc 30 <210> 11 <211> 29 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> forward primer for fragment II <400> 11 tctagaacct acagtgactc aaacgatgc 29 <210> 12 <211> 30 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> reverse primer for fragment II <400> 12 ctgcagatta ccccagacac cccatcttat 30 <210> 13 <211> 29 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> forward primer for fragment III <400> 13 ctgcagatgc gcgttaacaa tggtttgac 29 <210> 14 <211> 29 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> reverse primer for fragment III <400> 14 aagcttttac agtttcggac cagccgcta 29 <210> 15 <211> 32 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> forward primer for fragment I-II-III <400> 15 gcggccgcgg cttcgtcccc agttttccat cc 32 <210> 16 <211> 30 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> reverse primer for fragment I-II-III <400> 16 gcggccgctt acagtttcgg accagccgct 30  

Claims (17)

모세포(parent cell)에 비해 증가된 세포내 ATP 농도를 갖는 세포에 목적 물질을 코딩하는 유전자를 외부로부터 도입하는 단계, Introducing a gene encoding a target substance from the outside into a cell having an increased intracellular ATP concentration compared to a parent cell, 상기 세포를 상기 목적 물질을 생산하기에 적합한 조건에서 배양하는 단계, 및 Culturing the cells under conditions suitable for producing the target material, and 상기 배양물로부터 상기 목적 물질을 회수하는 단계를 포함하고, Recovering the target material from the culture; 상기 모세포에 비해 증가된 세포내 ATP 농도를 갖는 세포는 포스포에놀피루베이트 카르복시키나아제를 코딩하는 유전자의 프로모터를 포스포에놀피루베이트 카르복실라아제를 코딩하는 유전자의 프로모터로 교환하는 것에 의해 모세포 대비 포스포에놀피루베이트 카르복시키나아제(PCK)를 코딩하는 유전자의 발현이 세포내 ATP 농도를 증가시키도록 변화된 대장균인 것인, 모세포에 비해 증가된 세포내 ATP 농도를 갖는 세포를 이용하여 목적 물질을 생산하는 방법. Cells with increased intracellular ATP concentration compared to the parental cells are exchanged for the promoter of the gene encoding phosphoenolpyruvate carboxykinase by the promoter of the gene encoding phosphoenolpyruvate carboxylase. The expression of a gene encoding phosphoenolpyruvate carboxykinase (PCK) relative to the parental cell is E. coli, which is changed to increase intracellular ATP concentration. How to produce a substance. 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 목적 물질은 단백질, 아미노산, 핵산, 항생제, 또는 대사산물인 것인 방법.The method of claim 1, wherein the target substance is a protein, amino acid, nucleic acid, antibiotic, or metabolite. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 포스포에놀피루베이트 카르복시키나아제(PCK)를 코딩하는 유전자의 발현 변화에 의해, 모세포에 비해 증가된 세포내 ATP 농도를 갖는 세포로서, 상기 유전자의 발현 변화는 상기 포스포에놀피루베이트 카르복시키나아제를 코딩하는 유전자의 프로모터가 포스포에놀피루베이트 카르복실라아제를 코딩하는 유전자의 프로모터로 교환되는 것에 의해 유발된 것이며, 대장균인 것인 세포. As a cell having an increased intracellular ATP concentration compared to the parental cell by a change in the expression of a gene encoding phosphoenolpyruvate carboxykinase (PCK), the expression change of the gene is the phosphoenolpyruvate carboxykinase A cell which is caused by being exchanged with a promoter of a gene encoding a phosphoenolpyruvate carboxylase and is Escherichia coli. 삭제delete 삭제delete 제12항에 있어서, 상기 세포는 목적 물질을 코딩하는 외래 유전자가 도입된 것인 세포.The cell according to claim 12, wherein the cell has introduced a foreign gene encoding a target substance. 제15항에 있어서, 상기 목적 물질은 단백질, 아미노산, 핵산, 항생제, 또는 대사산물인 것인 세포.The cell of claim 15, wherein the target substance is a protein, amino acid, nucleic acid, antibiotic, or metabolite. 삭제delete
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Journal of Microbiology and Biotechnology, 2006, Vol. 16, No. 9, pages 1448-1452

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