KR101170497B1 - Method for Preparing Ethanol or Organic Acid Using Recombinant Prokaryote Overexpressed fabA Gene - Google Patents
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Abstract
본 발명은 에탄올 내성균주를 이용한 에탄올 또는 유기산의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 β-하이드록시데카노일 티오 에스테르 디하이드라아제 유전자(β-hydroxydecanoyl thio ester dehydrase gene: fabA)가 과발현된 재조합 원핵미생물을 이용하는 것을 특징으로 하는 에탄올 또는 유기산의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing ethanol or organic acid using an ethanol resistant strain, and more specifically, a recombinant prokaryotic nucleus overexpressed with β-hydroxydecanoyl thio ester dehydrase gene ( fabA). It relates to a method for producing ethanol or organic acid, characterized in that the use of microorganisms.
본 발명에 따르면, 에탄올 및 유기산 발효시에 미생물에 의하여 생산되는 에탄올이 배지 내에 고농도로 축적되어도, 균주성장이 저해되지 않아 고농도의 에탄올 및 유기산을 제조할 수 있다.According to the present invention, even if ethanol produced by the microorganism during the fermentation of ethanol and organic acid accumulates at a high concentration in the medium, strain growth is not inhibited and high concentration of ethanol and organic acid can be produced.
에탄올 내성, fabA, 발효, 에탄올 생산, 유기산 생산 Ethanol resistant, fabA, fermentation, ethanol production, organic acid production
Description
본 발명은 에탄올 내성균주를 이용한 에탄올 또는 유기산의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 β-하이드록시데카노일 티오 에스테르 디하이드라아제 유전자(β-hydroxydecanoyl thio ester dehydrase gene: fabA)가 과발현된 재조합 원핵미생물을 이용하는 것을 특징으로 하는 에탄올 또는 유기산의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing ethanol or organic acid using an ethanol resistant strain, and more specifically, a recombinant prokaryotic nucleus overexpressed with β-hydroxydecanoyl thio ester dehydrase gene ( fabA). It relates to a method for producing ethanol or organic acid, characterized in that the use of microorganisms.
미생물의 대사 발효공정을 통한 유기산 및 알코올류의 생산은 일반화된 기술이며, 발효과정에서 생산되는 유기산 및 알코올류는 미생물 발효 및 생육에 있어 저해 물질로 작용한다. 일반적으로 미생물의 에탄올 내성은 세포막의 지방산 조성과 밀접한 관련이 있는 것으로 밝혀져 있으며, 배지 내 에탄올 농도가 증가할 때 세포막의 포화지방산 (C16:0)의 함량은 감소하면서 불포화지방산 (C16:1, C18:1)의 함량이 증가한다 (J. Bacteriol. 125:670, 1976; Pharmacol. Biochem. Behav. 13 Suppl 1:191-195, 1980, ; Appl. Environ. Microbiol. 2003, 69:1499-1503).Production of organic acids and alcohols through metabolic fermentation process of microorganisms is a generalized technology, and organic acids and alcohols produced during fermentation act as inhibitors in microbial fermentation and growth. In general, the ethanol resistance of microorganisms has been found to be closely related to the fatty acid composition of the cell membrane, and when the ethanol concentration in the medium increases, the saturated fatty acid (C16: 0) content of the cell membrane decreases and the unsaturated fatty acid (C16: 1, C18) decreases. (1) increases ( J. Bacteriol. 125: 670, 1976; Pharmacol. Biochem. Behav. 13 Suppl 1: 191-195, 1980,; Appl. Environ. Microbiol. 2003, 69: 1499-1503) .
대표적인 에탄올 생산 균주이며, 진핵세포인 효모(Saccharomyces cerevisiae)의 경우, 불포화지방산 생성 유전자를 과발현시키거나, 배지 중에 불포화지방산을 첨가하여, 인위적으로 불포화지방산의 함량을 증가시켰을 때, 에탄올에 대한 내성이 향상되는 것으로 나타났다 (Appl. Environ. Microbiol. 69:1499-1503, 2003; Appl. Environ. Microbiol. 1996, 62:4309, 1996). Saccharomyces cerevisiae , a representative ethanol-producing strain, is resistant to ethanol when the unsaturated fatty acid generating gene is overexpressed or the fatty acid is added to the medium artificially to increase the amount of unsaturated fatty acid. It has been shown to improve ( Appl. Environ. Microbiol . 69: 1499-1503, 2003; Appl. Environ. Microbiol . 1996, 62: 4309, 1996).
원핵생물의 경우, 5% 정도 농도의 에탄올에서도 생육이 급격히 저하되어 동일 농도 및 더 높은 알코올 농도에서 내성을 가질 수 있는 재조합 균주를 만들 필요성이 있다.For prokaryotes there is a need to produce recombinant strains that are rapidly degraded even at about 5% ethanol to be resistant at the same and higher alcohol concentrations.
β-하이드록시데카노일 티오 에스테르 디하이드라아제(베타-하이드록시아실-에이시피 탈수효소; β-hydroxyldecanoyl thio ester dehydrase, fabA)는 세포내 지방산 합성중의 베타-하이드록실-에이시피를 트랜스-2-불포화아실-에이시피로 전환하는능력과 더불어 트랜스-2-불포화아실-에이시피를 시스-3-데세노일-에이시피로 전환시킬수 있는 두 가지 기능을 지니고 있어, 불포화지방산의 생성을 위해 필수적인 효소로 알려져 있다. 흥미롭게도 FabA 효소를 단독으로 과발현하는 경우에는 세포막의 포화지방산 함량을 증가시키는 보고되어 있다 (Biochemistry. 22:5897, 1983).β-Hydroxydecanoyl thio ester dehydrase (beta-hydroxyldecanoyl thio ester dehydrase, fabA) is a trans-beta-hydroxyl-Acid during intracellular fatty acid synthesis. In addition to its ability to convert 2-unsaturated acyl-ACEs, it has the ability to convert trans-2-unsaturated acyl-ACEs into cis-3-decenoyl-ACEs, an enzyme essential for the production of unsaturated fatty acids. Known as Interestingly, overexpression of the FabA enzyme alone has been reported to increase the saturated fatty acid content of the cell membrane ( Biochemistry . 22: 5897, 1983).
한편, 바실러스 서브틸리스 유래의 델타 5-불포화효소 (Δ5 desaturase, des)는 세포막에 존재하는 포화지방산들에 이중결합을 도입하는 기능을 지닌 것으 로 알려져 있으며, 대장균에서 des 유전자를 과발현하는 경우에 세포막에 불포화지방산인 5-시스-팔미토레익산 (16:1 Δ5)와 에페드레닉산 (efedrenic acid, 18:2 Δ5 Δ11)의 함량을 증가하는 것으로 보고되어 졌다(J. Bacteriol., 180:2194, 1998).On the other hand, delta 5-unsaturase (Δs) derived from Bacillus subtilis (Δ5 desaturase, des) is known to have a function of introducing a double bond to the saturated fatty acids present in the cell membrane, and in the case of overexpressing the des gene in E. coli It has been reported to increase the contents of unsaturated fatty acids 5-cis-palmitoreic acid (16: 1 Δ5) and epedrenic acid (18: 2 Δ5 Δ11) in cell membranes ( J. Bacteriol ., 180: 2194). , 1998).
본 발명자들은 미생물 균주가 알코올류에 노출 되었을 때 생체 방어기작으로 세포막의불포화지방산 비율이 높아짐에 착안하여, 이들 세포막에 인위적으로 포화지방산과 불포화지방산의 비율을 변형하여 줌으로써 에탄올에 대한 내성을 획득할 수 있을 것이라는 가정하에 연구를 진행하였다.The present inventors pay attention to the fact that when the microbial strain is exposed to alcohols, the ratio of unsaturated fatty acids in the cell membrane is increased by the biological defense mechanism, thereby artificially modifying the ratio of saturated fatty acids and unsaturated fatty acids in these cell membranes to obtain resistance to ethanol. The study was conducted under the assumption that it could be.
이에, 본 발명자들은 에탄올 내성이 높은 원핵미생물을 개발하고자 예의 노력한 결과, β-하이드록시데카노일 티오 에스테르 디하이드라아제 유전자를 과발현시킨 재조합 대장균이 고농도의 에탄올에 대하여 내성을 가지는 것을 확인하고 본 발명을 완성하게 되었다.Accordingly, the present inventors have made intensive efforts to develop prokaryotic microorganisms having high ethanol resistance. As a result, the present inventors confirmed that the recombinant E. coli overexpressing the β-hydroxydecanoyl thio ester dehydrase gene is resistant to high concentrations of ethanol and the present invention. To complete.
본 발명의 목적은 고농도의 에탄올 함유 배지에서도 성장할 수 있는 에탄올 내성 원핵미생물을 이용한 에탄올 또는 유기산의 제조방법을 제공하는데 있다.An object of the present invention is to provide a method for producing ethanol or organic acid using ethanol-resistant prokaryotic microorganisms that can grow in a high concentration of ethanol-containing medium.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 β-하이드록시데카노일 티오 에스테르 디하이드라아제 유전자 (β-hydroxydecanoyl thio ester dehydrase gene: fabA)가 과발현된 원핵미생물을 배양하는 단계; 및 상기 배양액으로부터 에탄올을 수득하는 단계를 포함하는 에탄올 또는 유기산의 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention comprises the steps of culturing a prokaryote microorganism overexpressing the β-hydroxydecanoyl thio ester dehydrase gene ( fabA) ; And it provides a method for producing ethanol or organic acid comprising the step of obtaining ethanol from the culture.
또한, 본 발명은 β-하이드록시데카노일 티오 에스테르 디하이드라아제 유전자 (β-hydroxydecanoyl thio ester dehydrase gene: fabA)가 과발현된 원핵미생물을 배양하는 단계; 및 상기 배양액으로부터 유기산을 수득하는 단계를 포함하는 유기산의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of culturing a prokaryote microorganism overexpressing the β-hydroxydecanoyl thio ester dehydrase gene ( fabA) ; And it provides a method for producing an organic acid comprising the step of obtaining an organic acid from the culture.
본 발명에 따르면, 에탄올 및 유기산 발효시에 미생물에 의하여 생산되는 에탄올이 배지 내에 고농도로 축적되어도, 균주성장이 저해되지 않아 고농도의 에탄올 및 유기산을 제조할 수 있다.According to the present invention, even if ethanol produced by the microorganism during the fermentation of ethanol and organic acid accumulates at a high concentration in the medium, strain growth is not inhibited and high concentration of ethanol and organic acid can be produced.
일관점에서, 다른 관점에서, 본 발명은 β-하이드록시데카노일 티오 에스테르 디하이드라아제 유전자 (β-hydroxydecanoyl thio ester dehydrase gene: fabA)가 과발현된 원핵미생물을 배양하는 단계; 및 상기 배양액으로부터 에탄올 또는 유기산을 회수하는 단계를 포함하는 에탄올 또는 유기산의 제조방법에 관한 것이다.From a consistent point of view, in another aspect, the present invention provides a method of culturing a prokaryotic microorganism in which the β-hydroxydecanoyl thio ester dehydrase gene ( fabA) is overexpressed; And it relates to a method for producing ethanol or organic acid comprising the step of recovering ethanol or organic acid from the culture.
본 발명에서, β-하이드록시데카노일 티오 에스테르 디하이드라아제 유전자 (β-hydroxydecanoyl thio ester dehydrase gene: fabA)가 과별현된 원핵미생물은 β-하이드록시데카노일 티오 에스테르 디하이드라아제 유전자 (β-hydroxydecanoyl thio ester dehydrase gene: fabA)가 삽입된 벡터로 형질전환되거나, β-하이드록시데카노일 티오 에스테르 디하이드라아제 유전자 (β-hydroxydecanoyl thio ester dehydrase gene: fabA)가 염색체에 삽입되어 있는 재조합 원핵미생물을 사용할 수 있다.In the present invention, prokaryotic microorganisms overexpressed the β-hydroxydecanoyl thio ester dehydrase gene ( fabA ) are β-hydroxydecanoyl thio ester dehydrase gene (β -hydroxydecanoyl thio ester dehydrase gene: fabA) is or transformed with the inserted vector, β- hydroxy decanoyl thioester di Hydra dehydratase gene (β-hydroxydecanoyl dehydrase gene thio ester: fabA) is inserted in a recombinant prokaryotic chromosome Microorganisms can be used.
대표적인 에탄올 생산 균주이며, 진핵세포인 효모 (Saccharomyces cerevisiae)의 경우, 불포화지방산 생성 유전자를 과발현시키거나, 배지 중에 불포화지방산을 첨가하여, 인위적으로 불포화지방산의 함량을 증가시켰을 때, 에탄올에 대한 내성이 향상되는 것으로 나타났다(Appl. Environ. Microbiol. 69:1499-1503, 2003; Appl. Environ. Microbiol. 1996, 62:4309, 1996). Saccharomyces cerevisiae , a representative ethanol-producing strain, is resistant to ethanol when an unsaturated fatty acid gene is overexpressed or an unsaturated fatty acid is added to the medium to artificially increase the amount of unsaturated fatty acid. It has been shown to improve ( Appl. Environ. Microbiol . 69: 1499-1503, 2003; Appl. Environ. Microbiol . 1996, 62: 4309, 1996).
본 발명의 일실시예에서는, 원핵미생물에서도 상기와 같은 효과가 나타나는지 알아보기 위해, Bacillus subtilis 유래의 desaturase (C16:0의 Δ5 위치를 desaturation 하여 C16:1를 생성) (J. Bacteriol., 180:2194, 1998) 유전자를 과발 현하여 불포화지방산의 함량은 증가하고 포화지방산의 함량은 감소한 재조합 대장균을 제조하여 에탄올 내성을 분석한 결과, 효모에서와는 반대로, 대조구에 비해 에탄올에 대한 내성이 감소하는 것으로 나타났다.In one embodiment of the present invention, desaturase derived from Bacillus subtilis (degenerates C16: 1 by desaturating the Δ5 position of C16: 0) in J. Bacteriol., 180: 2194, 1998) Recombinant Escherichia coli was prepared by overexpressing the gene to increase the content of unsaturated fatty acid and decreased the content of saturated fatty acid. As a result, the ethanol resistance was decreased as compared to the control. .
본 발명의 일양태에서, 대장균에서 β-하이드록시데카노일 티오 에스테르 디하이드라아제 (β-hydroxydecanoyl thio ester dehydrase) (FabA) 유전자를 과발현시켜, 포화지방산의 함량이 증가하고 불포화지방산의 함량이 감소한 재조합 대장균 (E. coli/pBR-fabA)을 제조하고, 에탄올 내성을 조사한 결과, 흥미롭게도 대조구에 비해 에탄올에 대한 내성이 향상되는 것이 확인되었다. 따라서, 본 발명에 있어서, 원핵미생물은 대장균인 것을 특징으로 할 수 있다.In one embodiment of the present invention, E. coli overexpresses the β-hydroxydecanoyl thio ester dehydrase (FabA) gene to increase the content of saturated fatty acids and decrease the content of unsaturated fatty acids. Recombinant Escherichia coli ( E. coli / pBR-fabA) was prepared and examined for ethanol resistance, interestingly it was confirmed that the resistance to ethanol is improved compared to the control. Therefore, in the present invention, the prokaryotic microorganism may be characterized as E. coli.
한편, desaturase 유전자와 fabA 유전자를 동시에 과발현시킨 재조합 균주(E. coli/pBR-des-fabA)의 경우에는 서로의 영향이 상쇄되어 대조구와 유사한 지방산 조성과 에탄올 내성을 보이는 것으로 확인되었다.On the other hand, the recombinant strains ( E. coli / pBR-des-fabA) overexpressing the desaturase gene and fabA gene at the same time canceled each other's influence and showed similar fatty acid composition and ethanol resistance as the control.
본 발명에 있어서, 상기 변이체의 배양액으로부터의 에탄올 또는 유기산을 회수하는 방법은 통상적인 분리 기술, 예를 들어 증류, 전기투석, 투과증발, 크로마토그라피, 용매추출, 반응추출 등을 이용할 수 있으며, 통상적으로 순도가 높은 물질을 분리하기 위하여 이들을 조합하여 이용할 수 있다.In the present invention, the method for recovering ethanol or organic acid from the culture medium of the variant may use a conventional separation technique, for example, distillation, electrodialysis, pervaporation, chromatography, solvent extraction, reaction extraction, etc. In order to separate substances of high purity, these may be used in combination.
본 발명에 있어서, 상기 유전자는 플라스미드 벡터, 박테리오파지 벡터, 코스미드 벡터, YAC (Yeast Artificial Chromosome) 벡터를 포함한 다양한 벡터들에 도입될 수 있다. 본 발명의 목적상, 플라스미드 벡터를 이용하는게 바람직하다. In the present invention, the gene can be introduced into a variety of vectors, including plasmid vector, bacteriophage vector, cosmid vector, YAC (Yeast Artificial Chromosome) vector. For the purposes of the present invention, it is preferred to use plasmid vectors.
그러한 목적에 사용될 수 있는 전형적인 플라스미드 벡터는 (a) 숙주세포당 수백 개의 플라스미드 벡터를 포함하도록 복제가 효율적으로 이루어지도록 하는 복제 개시점, (b) 플라스미드 벡터로 형질전환된 숙주세포가 선발될 수 있도록 하는 항생제 내성 유전자 및 (c) 외래 DNA 절편이 삽입될 수 있는 제한효소 절단부위를 포함하는 구조를 지니고 있다. 적절한 제한효소 절단부위가 존재하지 않을지라도, 통상의 방법에 따른 합성 올리고뉴클레오타이드 어댑터 (oligonucleotide adaptor) 또는 링커 (linker)를 사용하면 벡터와 외래 DNA를 용이하게 라이게이션 (ligation)할 수 있다. Typical plasmid vectors that can be used for such purposes include (a) a replication initiation point that allows for efficient replication to include hundreds of plasmid vectors per host cell, and (b) host cells transformed with the plasmid vector. It has a structure comprising an antibiotic resistance gene and (c) a restriction enzyme cleavage site into which foreign DNA fragments can be inserted. Although no appropriate restriction enzyme cleavage site is present, the use of synthetic oligonucleotide adapters or linkers according to conventional methods facilitates ligation of the vector and foreign DNA.
본 발명에서 사용된 T-벡터를 포함한 다양한 벡터들은 여러개의 제한효소 절단부위를 모아놓은 멀티클로닝사이트 (MCS)를 포함하고 있는데 이들은 lacZ 유전자 내에 위치한다. MCS는 lacZ 유전자의 리딩 프레임 (reading frame)을 파괴하지 않으므로 적당한 숙주세포에서는 lacZ의 발현이 이루어져 생물학적 활성을 지닌 β-갈락코시다제 효소를 합성해낸다. 이 숙주세포를 무색 화학물질인 X-gal을 포함하는 배지에서 배양하면 이 효소에 의해서 X-gal이 분해되어 불용성의 청색물질을 만들게 된다. 그러므로 MCS에 외래 DNA의 삽입이 이루어지지 않은 플라스미드 벡터로 형질전환된 숙주세포 콜로니는 청색을 띈다. 반대로 MCS에 외래 DNA가 삽입되면 플라스미드 벡터의 lacZ 리딩 프레임이 깨지면서 β-갈락토시다제가 만들어지지 않고 그 결과 무색의 숙주세포 콜로니가 형성된다. 본 발명에 따른 DNA 칩의 제조방법에서, 상기 벡터는 슬라이드 상에 집적하기를 원하는 DNA가 벡터에 정상적으로 클로닝되었는지 여부를 확인시켜 주기 때문에 더욱더 유용하게 이용될 수 있다. Various vectors, including the T-vector used in the present invention, contain a multicloning site (MCS), which is a collection of several restriction enzyme cleavage sites, which are located in the lacZ gene. Since MCS does not destroy the reading frame of the lacZ gene, lacZ is expressed in a suitable host cell to synthesize β-galaccosidase enzyme having biological activity. When the host cell is cultured in a medium containing X-gal, a colorless chemical, the enzyme breaks down X-gal and creates an insoluble blue substance. Therefore, host cell colonies transformed with plasmid vectors without insertion of foreign DNA into MCS are blue. Conversely, when foreign DNA is inserted into the MCS, the lacZ reading frame of the plasmid vector is broken and β-galactosidase is not produced. As a result, colorless host cell colonies are formed. In the method of manufacturing a DNA chip according to the present invention, the vector can be used more usefully because it confirms whether the DNA desired to be integrated on the slide is normally cloned into the vector.
라이게이션 후에, 벡터는 적절한 숙주세포로 형질전환되어야 한다. 본 발명 에 따른 DNA 칩의 제조방법에 있어서, 선호되는 숙주세포는 원핵세포이다. 적합한 원핵 숙주세포는 E. coli균주 DH5a, E. coli균주 JM101, E. coli K12균주 294, E. coli균주 W3110, E. coli균주 X1776, E. coli XL-1Blue (Stratagene) 및 E. coli B 등을 포함한다. 그러나 FMB101, NM522, NM538 및 NM539와 같은 E. coli균주 및 다른 원핵생물의 종 (speices) 및 속 (genera)등이 또한 사용될 수 있다. 전술한 E. coli에 덧붙여, 아그로박테리움 A4와 같은 아그로박테리움 속 균주. 바실루스 섭틸리스 (Bacillus subtilis)와 같은 바실리 (bacilli), 살모넬라 타이피뮤리움(Salmonella typhimurium) 또는 세라티아 마르게센스 (Serratia marcescens)와 같은 또 다른 장내세균 및 다양한 슈도모나스 (Pseudomonas) 속 균주가 숙주세포로서 이용될 수 있다. After ligation, the vector should be transformed into the appropriate host cell. In the method for producing a DNA chip according to the present invention, the preferred host cell is a prokaryotic cell. Suitable prokaryotic host cells include E. coli strain DH5a, E. coli strain JM101, E. coli K12 strain 294, E. coli strain W3110, E. coli strain X1776, E. coli XL-1Blue (Stratagene) and E. coli B And the like. However, E. coli strains such as FMB101, NM522, NM538 and NM539 and other prokaryotic species and genera may also be used. In addition to the aforementioned E. coli , strains of the genus Agrobacterium, such as Agrobacterium A4. Bacillus subtilis (Bacillus subtilis) with the same Bashile (bacilli), S. typhimurium (Salmonella typhimurium) or Serratia dry sense another enteric bacteria, and various Pseudomonas (Pseudomonas) in the strain, such as (Serratia marcescens) as a host cell Can be used.
원핵세포의 형질전환은 Sambrook et al., supra의 1.82 섹션에 기술된 칼슘 클로라이드 방법을 사용해서 용이하게 달성될 수 있다. 선택적으로, 전기천공법(electroporation) (EMBO J., 1: 841,1982)이 또한 이러한 세포들을 형질전환하는데 사용될 수 있다. Prokaryotic transformation can be readily accomplished using the calcium chloride method described in section 1.82 of Sambrook et al., Supra. Optionally, electroporation ( EMBO J. , 1: 841,1982) can also be used to transform these cells.
본 발명에서 상기 유전자를 숙주세포의 염색체상에 삽입하는 방법으로는 통상적으로 알려진 유전자조작방법을 사용할 수 있으며, 일례로는 레트로바이러스 벡터, 아데노바이러스 벡터, 아데노-연관 바이러스 벡터, 헤르페스 심플렉스 바이러스 벡터, 폭스바이러스 벡터, 렌티바이러스 벡터 또는 비바이러스성 벡터를 이용하는 방법을 들 수 있다.As the method for inserting the gene on the chromosome of the host cell in the present invention can be used a commonly known genetic engineering method, for example retrovirus vector, adenovirus vector, adeno-associated virus vector, herpes simplex virus vector , Poxvirus vectors, lentiviral vectors or non-viral vectors.
본 발명에 따른 유전자의 과발현을 위하여 사용되는 벡터는 당업계에 공지된 발현 벡터가 사용될 수 있으며, pET 계열 벡터 (Novagen)를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 pET 계열 벡터를 사용하여 클로닝을 수행하면, 발현되는 단백질의 말단에 히스티딘기들이 결합되어 나오므로, 상기 단백질을 효과적으로 정제할 수 있다. 클로닝된 유전자로부터 발현된 단백질을 분리하기 위해서는 당업계에 공지된 일반적인 방법이 이용될 수 있으며, 구체적으로, Ni-NTA His-결합 레진 (Novagen)을 사용하는 크로마토그래피 방법을 이용하여 분리할 수 있다.As the vector used for overexpression of the gene according to the present invention, an expression vector known in the art may be used, and it is preferable to use a pET family vector (Novagen). When the cloning is performed using the pET family vector, histidine groups are bound to the ends of the expressed protein, and thus the protein can be effectively purified. In order to separate the expressed protein from the cloned gene, a general method known in the art may be used, and specifically, it may be separated using a chromatographic method using Ni-NTA His-binding resin (Novagen). .
본 발명에서 "발현 조절 서열 (expression control sequence)"이라는 표현은 특정한 숙주 생물에서 작동가능하게 연결된 코딩 서열의 발현에 필수적인 DNA 서열을 의미한다. 이러한 조절 서열은 전사를 실시하기 위한 프로모터, 그러한 전사를 조절하기 위한 임의의 오퍼레이터 서열, 적합한 mRNA 리보좀 결합 부위를 코딩하는 서열 및 전사 및 해독의 종결을 조절하는 서열을 포함한다. 예를 들면, 원핵생물에 적합한 조절 서열은 프로모터, 임의로 오퍼레이터 서열 및 리보좀 결합 부위를 포함한다. 진핵세포는 프로모터, 폴리아데닐화 시그날 및 인핸서가 이에 포함된다. 플라스미드에서 유전자의 발현 양에 가장 영향을 미치는 인자는 프로모터이다. 고 발현용의 프로모터로서 SRα프로모터와 사이토메가로바이러스 (cytomegalovirus) 유래 프로모터 등이 바람직하게 사용된다. 본 발명의 DNA 서열을 발현시키기 위하여, 매우 다양한 발현 조절 서열중 어느 것이라도 벡터에 사용될 수 있다. 유용한 발현 조절서열에는, 예를 들어, SV40 또는 아데노바이러스의 초기 및 후기 프로모터들, lac 시스템, trp 시스템, TAC 또는 TRC 시스템, T3 및 T7 프로모터들, 파지 람다의 주요 오퍼레이터 및 프로모터 영역, fd 코드 단백질의 조절 영역, 3-포스포 글리세레이트 키나제 또는 다른 글리콜분해 효소에 대한 프로모터, 상기 포스파타제의 프로모터들, 예를 들어, Pho5, 효모 알파-교배 시스템의 프로모터 및 원핵세포 또는 진핵 세포 또는 바이러스의 유전자 발현을 조절하는 것으로 알려진 기타 다른 서열 및 이들의 여러 조합이 포함된다. T7 프로모터는 대장균에서 본 발명의 단백질을 발현시키는데 유용하게 사용될 수 있다.The expression “expression control sequence” in the present invention means a DNA sequence essential for the expression of a coding sequence operably linked in a particular host organism. Such regulatory sequences include promoters for performing transcription, any operator sequence for regulating such transcription, sequences encoding suitable mRNA ribosomal binding sites, and sequences that control the termination of transcription and translation. For example, suitable control sequences for prokaryotes include promoters, optionally operator sequences, and ribosomal binding sites. Eukaryotic cells include promoters, polyadenylation signals, and enhancers. The factor that most influences the amount of gene expression in the plasmid is the promoter. As the promoter for high expression, an SRα promoter, a promoter derived from a cytomegalovirus, and the like are preferably used. To express the DNA sequences of the invention, any of a wide variety of expression control sequences can be used in the vector. Useful expression control sequences include, for example, early and late promoters of SV40 or adenovirus, lac system, trp system, TAC or TRC system, T3 and T7 promoters, major operator and promoter regions of phage lambda, fd code protein Regulatory region of, promoter for 3-phospho glycerate kinase or other glycolysis enzymes, promoters of the phosphatase such as Pho5, promoter of yeast alpha-crossing system and gene expression of prokaryotic or eukaryotic cells or viruses Other sequences known to modulate and various combinations thereof. The T7 promoter can be usefully used to express the proteins of the invention in E. coli.
핵산은 다른 핵산 서열과 기능적 관계로 배치될 때 "작동가능하게 연결 (operably linked)"된다. 이것은 적절한 분자 (예를 들면, 전사 활성화 단백질)은 조절 서열(들)에 결합될 때 유전자 발현을 가능하게 하는 방식으로 연결된 유전자 및 조절 서열(들)일 수 있다. 예를 들면, 전서열 (pre-sequence) 또는 분비 리더 (leader)에 대한 DNA는 폴리펩타이드의 분비에 참여하는 전단백질로서 발현되는 경우 폴리펩타이드에 대한 DNA에 작동가능하게 연결되고; 프로모터 또는 인핸서는 서열의 전사에 영향을 끼치는 경우 코딩서열에 작동가능하게 연결되거나; 또는 리보좀 결합 부위는 서열의 전사에 영향을 끼치는 경우 코딩 서열에 작동가능하게 연결되거나; 또는 리보좀 결합 부위는 번역을 용이하게 하도록 배치되는 경우 코딩 서열에 작동가능하게 연결된다. 일반적으로, "작동가능하게 연결된"은 연결된 DNA 서열이 접촉하고, 또한 분비 리더의 경우 접촉하고 리딩 프레임 내에 존재하는것을 의미한다. 그러나, 인핸서 (enhancer)는 접촉할 필요가 없다. 이들 서열의 연결은 편리한 제한 효소 부위에서 라이게이션 (연결)에 의해 수행된다. 그러한 부위가 존재하지 않는 경우, 통상의 방법에 따른 합성 올리고뉴클레오티드 어댑터 (oligonucleotide adaptor) 또는 링커 (linker)를 사용한다. Nucleic acids are "operably linked" when placed in a functional relationship with other nucleic acid sequences. This may be genes and regulatory sequence (s) linked in such a way as to allow gene expression when appropriate molecules (eg, transcriptional activating proteins) bind to regulatory sequence (s). For example, DNA for a pre-sequence or secretion leader is operably linked to DNA for a polypeptide when expressed as a shear protein that participates in the secretion of the polypeptide; A promoter or enhancer is operably linked to a coding sequence when it affects the transcription of the sequence; Or the ribosomal binding site is operably linked to a coding sequence when it affects the transcription of the sequence; Or the ribosomal binding site is operably linked to a coding sequence when positioned to facilitate translation. In general, "operably linked" means that the linked DNA sequence is in contact, and in the case of a secretory leader, is in contact and present within the reading frame. However, enhancers do not need to touch. Linking of these sequences is performed by ligation (linking) at convenient restriction enzyme sites. If such sites do not exist, synthetic oligonucleotide adapters or linkers according to conventional methods are used.
본원 명세서에 사용된 용어 "발현 벡터"는 통상 이종의 DNA의 단편이 삽입된 재조합 캐리어 (recombinant carrier)로서 일반적으로 이중 가닥의 DNA의 단편을 의미한다. 여기서, 이종 DNA는 숙주 세포에서 천연적으로 발견되지 않는 DNA인 이형 DNA를 의미한다. 발현 벡터는 일단 숙주 세포내에 있으면 숙주 염색체 DNA와 무관하게 복제할 수 있으며 벡터의 수 개의 카피 및 그의 삽입된 (이종) DNA가 생성될 수 있다.As used herein, the term “expression vector” generally refers to a fragment of DNA that is generally double stranded as a recombinant carrier into which fragments of heterologous DNA have been inserted. Here, heterologous DNA refers to heterologous DNA, which is DNA not naturally found in host cells. Once the expression vector is in the host cell, it can replicate independently of the host chromosomal DNA and several copies of the vector and its inserted (heterologous) DNA can be produced.
당업계에 주지된 바와 같이, 숙주세포에서 형질감염 유전자의 발현 수준을 높이기 위해서는, 해당 유전자가, 선택된 발현 숙주 내에서 기능을 발휘하는 전사 및 해독 발현 조절 서열에 작동가능하도록 연결되어야만 한다. 바람직하게는 발현 조절서열 및 해당 유전자는 세균 선택 마커 및 복제 개시점 (replication origin)을 같이 포함하고 있는 하나의 발현 벡터 내에 포함되게 된다. 숙주세포가 진핵세포인 경우에는, 발현 벡터는 진핵 발현 숙주 내에서 유용한 발현 마커를 더 포함하여야만 한다.As is well known in the art, to raise the expression level of a transfected gene in a host cell, the gene must be operably linked to transcriptional and translational expression control sequences that function in the selected expression host. Preferably, the expression control sequence and the gene of interest are included in one expression vector including the bacterial selection marker and the replication origin. If the host cell is a eukaryotic cell, the expression vector must further comprise an expression marker useful in the eukaryotic expression host.
이하에서 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. These examples are for further illustrating the present invention, and the scope of the present invention is not limited to these examples.
실시예 1: Example 1: fabAfabA 및 And desdes 유전자 과발현 균주의 제조 Preparation of Gene Overexpression Strains
β-하이드록시데카노일 티오 에스테르 디하이드라아제 유전자 (fabA)와 Δ5 desaturase 유전자 (des)를 수득하기 위하여, 각각 대장균 균주 및 바실러스 서브틸리스를 배양하여, 염색체 DNA를 수득하였다.In order to obtain β-hydroxydecanoyl thio ester dehydrase gene ( fabA ) and Δ5 desaturase gene ( des ), E. coli strains and Bacillus subtilis were respectively cultured to obtain chromosomal DNA.
대장균 균주(W3110)의 염색체 DNA를 주형으로 하여 PCR법으로 베타-하이드록시아실-에이시피탈수효소 유전자 (fabA)를 증폭하였다. The chromosomal DNA of E. coli strain (W3110) was used as a template to amplify the beta-hydroxyacyl- ACE dehydratase gene ( fabA ) by PCR.
fabA 유전자 단편 증폭용 프라이머fabA gene fragment amplification primers
서열번호 1 : 5- TCTAGA ATGGTAGATAAACGCG-3 (fabA-XbaI-F)SEQ ID NO: 5- TCTAGA ATG GTAGATAAACGCG-3 (fabA- XbaI -F)
서열번호 2 : 5-GGATCC GCTAGC TCAGGCATTCTTCCGC-3 (fabA-BamHI-NheI-R)SEQ ID NO: 2: 5- GGATCC GCTAGC TCA GGCATTCTTCCGC- 3 (fabA- BamHI - NheI -R)
바실러스 서브틸리스의 염색체 DNA를 주형으로 하여 Δ5 desaturase 유전자 (des)를 PCR 방법으로 증폭하였으며, 하기의 DNA 단편들을 프라이머 세트로 사용하였다.Using the chromosomal DNA of Bacillus subtilis as a template, the Δ5 desaturase gene ( des ) was amplified by PCR, and the following DNA fragments were used as primer sets.
des 유전자 단편 증폭용 프라이머primers for amplifying des gene fragments
서열번호 3 : 5-TCTAGA ATGACTGAACAAACCA-3 (des-XbaI-F)SEQ ID NO: 5- TCTAGA ATG ACTGAACAAACCA-3 (des- XbaI -F)
서열번호 4 : 5-GGATCCCTCGAGTCAGGCATTCTTCCGC-3 (des-BamHI-R)SEQ ID NO: 4: 5- GGATCC CTCGAG TCA GGCATTCTTCCGC- 3 (des- BamHI -R)
상기 증폭된 fabA 혹은 des 유전자 DNA 단편을 pGEM T Easy 벡터(Promega, 미국)를 이용하여 클로닝하여 염기서열을 확인하였다. fabA 혹은 des 유전자의 과발현을 유도하기 위하여, 하기 프라이머를 사용하여, 각 유전자의 상류에 강력한 프로모터인 lacZ 프로모터 (PlacZ)을 삽입하였다 (도 1).The amplified fabA or des gene DNA fragments were cloned using pGEM T Easy vector (Promega, USA) to confirm the nucleotide sequence. To induce overexpression of the fabA or des genes, the following primers were used to insert the lacZ promoter (PlacZ), a potent promoter upstream of each gene (FIG. 1).
fabA 유전자 상류 lacZ 프로모터 증폭용 프라이머Primer for amplifying the lacZ promoter upstream of the fabA gene
서열번호 5 : 5-AGATCTGTTAACGCGCAACGCAAT-3 (PlacZ-fabA-F)SEQ ID NO: 5- AGATCT GTTAACGCGCAACGCAAT-3 (PlacZ-fabA-F)
서열번호 6 : 5-GGATCC TCTAGAGCTGTTTCCTGTGT-3 (PlacZ-fabA-BamHI-XbaI-R)SEQ ID NO: 6: 5- GGATCC TCTAGA GCTGTTTCCTGTGT-3 (PlacZ-fabA- BamHI - XbaI -R)
des 유전자 상류 lacZ 프로모터 증폭용 프라이머Primer for amplifying lacZ promoter upstream of des gene
서열번호 7 : 5-GCTAGCGCGCAACGCAAT-3 (PlacZ-des-NheI-F)SEQ ID NO: 5- GCTAGC GCGCAACGCAAT-3 (PlacZ-des- NheI -F)
서열번호 8 : 5-GGATCC TCTAGAGCTGTTTCCTGTGT-3 (PlacZ-des-BamHI-XbaI-R)SEQ ID NO: 8: 5- GGATCC TCTAGA GCTGTTTCCTGTGT-3 (PlacZ-des- BamHI - XbaI -R)
lacZ 프로모터에 연결된 fabA 혹은 des 유전자들을 pBR322 벡터로 재클로닝하여 각각 pBR-fabA 및 pBR-des 플라스미드를 제작하였으며, 동시에 fabA와 des 유전자를 동시에 발현하기 위한 pBR-fabA-des 플라스미드를 제작하였다. 상기 pBR-fabA, pBR-des 및 pBR-fabA-des 플라스미드를 각각 열충격방법으로 E. coli DH5α에 도입하여 재조합 균주를 제조하였으며, 발현벡터인 pBR322를 도입하여 대조군 균주를 제작하였다. The pBR-fabA and pBR-des plasmids were prepared by recloning the fabA or des genes linked to the lacZ promoter with pBR322 vectors, respectively, and at the same time, the pBR-fabA-des plasmid was prepared to express the fabA and des genes simultaneously. The pBR-fabA, pBR-des and pBR-fabA-des plasmids were introduced into E. coli DH5α by thermal shock, respectively, to prepare a recombinant strain, and a control strain was prepared by introducing an expression vector pBR322.
실시예 2 : 재조합 균주의 에탄올에 대한 저항성 분석Example 2 Analysis of Resistance of Ethanol to Recombinant Strains
실시예 1에서 제작된 β-하이드록시데카노일 티오 에스테르 디하이드라아제 유전자 (fabA)와 Δ5 desaturase 유전자 (des)로 형질전환된 재조합 균주의 에탄올 내성을 분석하기 위하여, 상기 재조합 균주들을 10 μg/ml 테트라사이클린, 0.5 mM IPTG 및 각각 0%, 1%, 2%, 3% 농도의 에탄올이 첨가된 LB 배지에 배양하면서 세포 증식능을 확인하였다. 배양 조건은 배양볼륨, 50 ml/250 ml, 배양온도 37℃, 현탁속도 120 rpm이었다. 600 nm에서 흡광도 2.0까지 자란 전배양 균주 1 ml을 접종하여 3 시간 간격으로 균체의 증식을 조사하였다.In order to analyze the ethanol resistance of the recombinant strain transformed with the β-hydroxydecanoyl thio ester dehydrase gene ( fabA ) and the Δ5 desaturase gene ( des ) prepared in Example 1, the recombinant strains were 10 μg / Cell proliferation was confirmed by culturing in LB medium containing ml tetracycline, 0.5 mM IPTG and ethanol at concentrations of 0%, 1%, 2% and 3%, respectively. Culture conditions were culture volume, 50 ml / 250 ml, the culture temperature 37 ℃, suspension speed 120 rpm. Inoculation of 1 ml of the preculture strain grown at 600 nm to absorbance 2.0 to investigate the growth of the cells at 3 hour intervals.
그 결과, 도 2에 나타낸 바와 같이, 2% 에탄올 농도에서 대조구의 세포 증식은 급격히 감소한 반면, fabA 유전자가 과발현된 재조합 균주 (pBR-fabA)는 에탄올 내성을 보이며 지속적인 균체 증식을 나타내었다. 한편, des 유전자가 과발현된 재조합 균주 (pBR-des)는 에탄올에 대한 감수성이 대조구보다 더욱 민감한 것으로 나타났다. fabA와 des 유전자가 동시에 과발현된 재조합 균주 (pBR-fabA-des)는 대조구와 유사한 에탄올 내성을 보이는 것으로 나타났다. 3% 에탄올 농도에서는 재조합 균주 모두의 세포 증식이 심각하게 저해되었으나, 에탄올 내성 양상은 그대로 유지되는 것으로 나타났다.As a result, as shown in FIG. 2, the cell proliferation of the control at 2% ethanol concentration was sharply reduced, whereas the recombinant strain (pBR-fabA) overexpressing the fabA gene showed ethanol resistance and showed continuous cell growth. Meanwhile, the recombinant strain (pBR-des) overexpressed the des gene was more sensitive to ethanol than the control. Recombinant strain (pBR-fabA-des) overexpressing both fabA and des genes showed similar ethanol resistance as control. At 3% ethanol concentration, the cell proliferation of all the recombinant strains was severely inhibited, but the ethanol resistance pattern was maintained as it is.
실시예 3 : 재조합 균주들의 세포막 지방산 조성 분석Example 3 Analysis of Cellular Fatty Acid Composition of Recombinant Strains
실시예 1에서 제작한 재조합 균주들의 세포막 지방산 조성의 변화를 분석하였다. 각 재조합 균주의 배양액을 4℃에서 10,000 rpm으로 원심분리하여 균체를 회수하고, 1 M 솔비톨 20 ml로 세척한 후 진공회전기로 건조하였다. 다음으로, 황산과 메탄올을 4:96으로 혼합한 용액을 첨가하여 90℃에서 1 시간 동안 반응하여 메틸화시킨 후 핵산으로 지방산을 추출하였다. 추출된 지방산은 GC Agilent Technologies 6890N (HP-5 컬럼)으로 분석하였다.Changes in the cell membrane fatty acid composition of the recombinant strains prepared in Example 1 were analyzed. The culture medium of each recombinant strain was centrifuged at 10,000 rpm at 4 ℃ to recover the cells, washed with 20 ml of 1 M sorbitol and dried with a vacuum rotor. Next, a solution obtained by mixing sulfuric acid and methanol at 4:96 was added thereto, reacted at 90 ° C. for 1 hour to methylate, and the fatty acid was extracted with nucleic acid. The extracted fatty acids were analyzed by GC Agilent Technologies 6890N (HP-5 column).
표 1에 나타난 바와 같이, fabA 유전자가 과발현된 재조합 대장균 (pBR-fabA)에서는 대조구(pBR322)와 비교해 포화지방산(SFA)의 함량은 높은 반면, 불포화지방산(UFA)의 함량은 낮은 것으로 확인되었으며, 반대로 des 유전자가 과발현된 재조합 대장균은 반대의 결과를 보이는 것으로 나타났다. 한편 fabA와 des 유전자의 동시에 과발현된 경우에는 지방산 조성에 대한 각 유전자의 영향이 상쇄되는 것으로 나타났다.As shown in Table 1, the recombinant Escherichia coli (pBR-fabA) overexpressed the fabA gene was found to have a higher content of saturated fatty acid (SFA) and lower content of unsaturated fatty acid (UFA) compared to the control (pBR322). In contrast, recombinant E. coli overexpressing the des gene showed the opposite result. On the other hand, overexpression of the fabA and des genes simultaneously counteracted the effect of each gene on fatty acid composition.
도 1은 본 발명에 따른 fabA 유전자 및 des 유전자를 함유하는 재조합벡터의 제조과정을 나타낸 것이다.Figure 1 shows the manufacturing process of a recombinant vector containing the fabA gene and the des gene according to the present invention.
도 2는 본 발명에 따른 재조합 균주의 배지 내 에탄올 농도별 성장곡선을 나타낸 것이다.Figure 2 shows the growth curve of the ethanol concentration in the medium of the recombinant strain according to the present invention.
<110> Korea Research Institute of Bioscience and Biotechnology <120> Method for Preparing Ethanol or Organic Acid Using Recombinant Prokaryote Overexpressed fabA Gene <130> P09-B023 <160> 8 <170> KopatentIn 1.71 <210> 1 <211> 22 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 1 tctagaatgg tagataaacg cg 22 <210> 2 <211> 28 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 2 ggatccgcta gctcaggcat tcttccgc 28 <210> 3 <211> 22 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 3 tctagaatga ctgaacaaac ca 22 <210> 4 <211> 28 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 4 ggatccctcg agtcaggcat tcttccgc 28 <210> 5 <211> 24 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 5 agatctgtta acgcgcaacg caat 24 <210> 6 <211> 26 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 6 ggatcctcta gagctgtttc ctgtgt 26 <210> 7 <211> 18 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 7 gctagcgcgc aacgcaat 18 <210> 8 <211> 26 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 8 ggatcctcta gagctgtttc ctgtgt 26 <110> Korea Research Institute of Bioscience and Biotechnology <120> Method for Preparing Ethanol or Organic Acid Using Recombinant Prokaryote Overexpressed fabA Gene <130> P09-B023 <160> 8 <170> Kopatentin 1.71 <210> 1 <211> 22 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 1 tctagaatgg tagataaacg cg 22 <210> 2 <211> 28 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 2 ggatccgcta gctcaggcat tcttccgc 28 <210> 3 <211> 22 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 3 tctagaatga ctgaacaaac ca 22 <210> 4 <211> 28 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 4 ggatccctcg agtcaggcat tcttccgc 28 <210> 5 <211> 24 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 5 agatctgtta acgcgcaacg caat 24 <210> 6 <211> 26 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 6 ggatcctcta gagctgtttc ctgtgt 26 <210> 7 <211> 18 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 7 gctagcgcgc aacgcaat 18 <210> 8 <211> 26 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 8 ggatcctcta gagctgtttc ctgtgt 26
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JOURNAL OF BACTERIOLOGY. 1997, Vol. 179, No. 17, pp. 5326-5332.* |
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