KR101241346B1 - Osmosis―Resistant Yeast Strains and Uses Thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 돌연변이(mutation)된 SPT15 유전자를 포함하는 삼투(osmosis)-저항성 형질변형 효모 균주 및 이의 용도에 관한 것이다. 본 발명의 효모 균주는 고농도 글루코오스, 바람직하게는 30-40% 글루코오스 또는 수크로오스 하에서 성장할 수 있는 효모 균주이며, 고농도 에탄올, 바람직하게는 12.5-15% 에탄올에서 성장할 수 있는 효모 균주이다. 따라서, 고농도의 글루코오스 및 에탄올에 내성을 보이는 본 발명의 균주는 보다 효율적인 에탄올 생산에 유용하게 사용될 것이며 또한 바이오에탄올 생산공정시 발생하는 여러 스트레스에 저항성을 가진 고효율의 에탄올 생성능의 슈퍼균주로서 실용성을 가질 것이다.The present invention relates to osmosis-resistant transformed yeast strains comprising the mutated SPT15 gene and uses thereof. Yeast strains of the present invention are yeast strains that can grow under high glucose, preferably 30-40% glucose or sucrose, and yeast strains that can grow in high concentration ethanol, preferably 12.5-15% ethanol. Therefore, the strain of the present invention, which exhibits high concentrations of glucose and ethanol, will be useful for more efficient ethanol production and have practical utility as a super strain of high efficiency ethanol production ability that is resistant to various stresses generated in the bioethanol production process. will be.

Description

삼투―저항성 효모 균주 및 이의 용도{Osmosis―Resistant Yeast Strains and Uses Thereof}Osmosis-Resistant Yeast Strains and Uses Thereof}

본 발명은 삼투―저항성 효모 균주 및 이의 용도에 대한 것이다.
The present invention is directed to osmo-resistant yeast strains and uses thereof.

식물 또는 해초(seaweed) 바이오매스로부터의 바이오에탄올의 생산은 장기간의 유용성 및 화석 연료의 해로운 환경적 측면에서 전세계적인 관심의 대상이 되고 있다(Jeffries, T., and P. Lindbladm, 2009; Ragauskas, A. J., et al., 2006; Rubin, E. M., 2008). 하지만, 바이오에탄올의 상대적으로 높은 생산 비용이 연관 산업에서의 투자를 방해하고 있다. 이에, 바이오매스 획득, 전처리, 발효 및 산물 회수의 비용을 저감시키기 위한 많은 노력이 있어 왔다(Xu, Q., A. Singh, and M. E. Himmel, 2009). 바이오에탄올 생산 과정 동안, 에탄올-생산 미생물은 초기 기질의 높은 농도, 증가된 에탄올 농도 및 독성 부산물의 축적 같은 다양한 스트레스에 직면한다. 빠른 성장 및 효과적인 발효능 이 외에도, 상술한 스트레스들에 견딜 수 있는 능력이 에탄올 생산자를 선택하는 데 중요한 인자이다(Ding, J., et al., 2009; Gibson, B. R., et al., 2007; Yoshikawa, K., et al., 2009). 에탄올 생산율을 개선하기 위한 하나의 방법이 증가된 스트레스 저항성을 가진 스트레인들을 개발하는 것이다.The production of bioethanol from plant or seaweed biomass is of worldwide interest in terms of long-term availability and harmful environmental aspects of fossil fuels (Jeffries, T., and P. Lindbladm, 2009; Ragauskas, AJ, et al. , 2006; Rubin, EM, 2008). However, the relatively high production costs of bioethanol have hampered investment in related industries. Thus, much effort has been made to reduce the costs of biomass acquisition, pretreatment, fermentation and product recovery (Xu, Q., A. Singh, and ME Himmel, 2009). During the bioethanol production process, ethanol-producing microorganisms face various stresses such as high concentrations of initial substrates, increased ethanol concentrations and accumulation of toxic byproducts. In addition to rapid growth and effective fermentation capacity, the ability to withstand the stresses described above is an important factor in selecting ethanol producers (Ding, J., et al. , 2009; Gibson, BR, et al. , 2007; Yoshikawa, K., et al. , 2009). One way to improve ethanol production is to develop strains with increased stress resistance.

효모 사카로미세스 세레비지에(S. cerevisiae)는 바이오매스 자원으로부터 바이오에탄올의 생산을 포함하는 여러 산업 분야에서 다양하게 이용되어 왔다. 효모 세포는 산업적 에탄올 발효 과정 동안 발생하는 고농도 에탄올 같은 여러 환경적 스트레스에 항상 노출되고, 이는 결국 세포 성장, 세포 생존율 및 에탄올 생산에 있어서의 감소를 초래한다(Casey and Ingledew, 1986). 따라서, 고농도 에탄올에 의해 야기된 스트레스를 극복할 수 있는 효모 균주의 개발이 요구되어져 왔다. 더 나아가, 마이크로어레이 및 포괄적 발현 패턴 분석 같은 지놈 전반에 걸친(genome-wide) 분석들의 이용이 에탄올 스트레스 관련된 신규한 유전자들을 동정하는 데 유용하였다(Hirasawa, et al., 2007; Teixeira, et al., 2009; Yoshikawa, et al., 2009). 이러한 접근방법을 통해, 에탄올 저항성에 관련된 많은 유전자들이 비-필수(nonessential) 유전자들로 동정되었다. 또한, 에탄올 저항성에 관련된 결과들은 각각 매치하지 않았고, 이러한 불일치는 균주 및 성장 조건에 기인한다고 보고하였다(Teixeira, et al., 2009). 따라서, 상술한 유전 정보로부터 구축된 균주는 항상 에탄올 스트레스 조건에 대한 변화를 초래하지 않는다(Yoshikawa, et al., 2009). 또한, 상업적으로 유용한 사카로미세스 세레비지에의 결실 돌연변이 라이브러리는 에탄올 저항성에 관련된 유전자들의 지놈 전반에 걸친 스크리닝에 이용되었다(Fujita, et al., 2006; Teixeira, et al., 2009; Yoshikawa, et al., 2009). 상술한 연구들은 주로 에탄올 민감성을 나타내는 돌연변이체들을 선택하여 상응하는 유전자를 고농도 에탄올 조건 하에서 성장에 필요한 유전자들로 동정하였다.Yeast S. cerevisiae has been used in a variety of industries, including the production of bioethanol from biomass resources. Yeast cells are always exposed to various environmental stresses such as high concentrations of ethanol that occur during industrial ethanol fermentation, which in turn results in a decrease in cell growth, cell viability and ethanol production (Casey and Ingledew, 1986). Therefore, there has been a need for the development of yeast strains that can overcome the stress caused by high concentrations of ethanol. Furthermore, the use of genome-wide assays, such as microarrays and comprehensive expression pattern analysis, has been useful in identifying novel ethanol stress related genes (Hirasawa, et al. , 2007; Teixeira, et al. , 2009; Yoshikawa, et al. , 2009). Through this approach, many genes involved in ethanol resistance have been identified as non-essential genes. In addition, results related to ethanol resistance did not match, respectively, and reported that this discrepancy was due to strain and growth conditions (Teixeira, et al. , 2009). Thus, strains constructed from the genetic information described above do not always result in changes to ethanol stress conditions (Yoshikawa, et al. , 2009). In addition, a commercially available Saccharomyces cerevisiae deletion mutant library was used for genome-wide screening of genes involved in ethanol resistance (Fujita, et al. , 2006; Teixeira, et al. , 2009; Yoshikawa, et. al. , 2009). The above studies mainly selected mutants exhibiting ethanol sensitivity to identify the corresponding genes as genes required for growth under high ethanol conditions.

일반적으로, 많은 유전자들이 중요한 세포내 표현형(예컨대, 병적 상태부터 대사산물의 과다발현)에 영향을 미친다고 알려져 있다. 하지만, 대부분의 세포 및 대사적 변형(engineering) 접근방법들은 벡터 구축 및 형질전환 효율의 실험적 제한점들로 인해 단일 유전자들의 결실(deletion) 또는 과다발현(overexpression)을 통해 실시되었다. 이로 인해, 여러 유전자들의 변형을 통한 조사가 배제되었다.In general, many genes are known to affect important intracellular phenotypes (eg, overexpression of metabolites from pathological conditions). However, most cellular and metabolic engineering approaches have been carried out through deletion or overexpression of single genes due to experimental limitations of vector construction and transformation efficiency. This ruled out the investigation through modification of several genes.

에탄올 스트레스 저항성에 대한 기작을 조사하기 위해, 많은 연구들이 있었다. 특히, 막 유동성과 관계된 불포화 지방산은 효모에서 에탄올 저항성의 중요한 결정인자로 간주되어 보고되었다(Kajiwara, et al., 2000; You, et al, 2003). 또한, 트리할로오스(Kim, et al., 1996) 또는 프롤린(Takagi, et al., 2005)의 세포내 축적이 효모의 에탄올 저항성을 개선시키고 에르고스테롤이 사카로미세스 세레비지에의 에탄올 저항성과 관련된 중요한 인자(Inoue, et al., 2000)라는 것이 보고되었다.To investigate the mechanism of ethanol stress resistance, there have been many studies. In particular, unsaturated fatty acids related to membrane fluidity have been reported and considered as important determinants of ethanol resistance in yeast (Kajiwara, et al. , 2000; You, et al , 2003). In addition, intracellular accumulation of trihalose (Kim, et al. , 1996) or proline (Takagi, et al. , 2005) improves yeast ethanol resistance and ergosterol to ethanol resistance to Saccharomyces cerevisiae. Has been reported to be an important factor associated with (Inoue, et al. , 2000).

한편, 일반적으로 많은 양의 에탄올을 짧은 시간의 발효과정에서 얻기 위해 VGH 발효기법(very high gravity fermentation)을 이용하고 있는데, 여러 가지 공정의 단계를 줄여 시간과 예산을 절감할 수 있는 효과가 있다. 그러나, 일반적인 효모의 경우, 높은 글루코오스로 인해서 발효시간이 길어지며 그로 인해 낮은 에탄올 생성을 보인다. 따라서, VGH 발효기법에서는 효모의 에탄올에 대한 저항성을 가질 뿐 아니라 높은 글루코오스에 의한 높은 삼투압에 대한 저항성이 필수적이다.
On the other hand, in order to obtain a large amount of ethanol in a short time fermentation process using the VGH fermentation (very high gravity fermentation) (very high gravity fermentation), there is an effect that can save time and budget by reducing the steps of various processes. However, in the case of general yeast, the fermentation time is long due to high glucose, which results in low ethanol production. Therefore, in the VGH fermentation technique, not only yeast resistance to ethanol but also resistance to high osmotic pressure by high glucose is essential.

본 명세서 전체에 걸쳐 다수의 논문 및 특허문헌이 참조되고 그 인용이 표시되어 있다. 인용된 논문 및 특허문헌의 개시 내용은 그 전체로서 본 명세서에 참조로 삽입되어 본 발명이 속하는 기술 분야의 수준 및 본 발명의 내용이 보다 명확하게 설명된다.
Numerous papers and patent documents are referenced and cited throughout this specification. The disclosures of the cited papers and patent documents are incorporated herein by reference in their entirety to better understand the state of the art to which the present invention pertains and the content of the present invention.

본 발명자들은 삼투(osmosis)-저항성 효모 균주를 개발하고자 노력하였다. 그 결과, 본 발명자들은 PCR-매개된 임의적 돌연변이유발법(random mutagenesis)을 이용하여 돌연변이된 SPT15 유전자를 제작하고 이를 효모에 형질전환시켜 에탄올-저항성 형질변형 효모 균주를 분리하였으며, 이들이 고농도 글루코오스 또는 수크로오스(예컨대, 20%, 30% 또는 40%) 뿐 아니라 고농도 에탄올(예컨대, 15% 에탄올)에서 성장할 수 있다는 것을 확인함으로써, 본 발명을 완성하게 되었다.We sought to develop osmosis-resistant yeast strains. As a result, the inventors produced a mutated SPT15 gene using PCR-mediated random mutagenesis and transformed it into yeast to isolate ethanol-resistant transformed yeast strains, which were highly concentrated glucose or sucrose. The present invention has been completed by confirming that it can grow in high concentration ethanol (eg 15% ethanol) as well as (eg 20%, 30% or 40%).

따라서, 본 발명의 목적은 삼투-저항성 형질변형 효모 균주를 제공하는 데 있다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide an osmo-resistant transformed yeast strain.

본 발명의 다른 목적은 에탄올 생산방법을 제공하는 데 있다.
Another object of the present invention is to provide a method for producing ethanol.

본 발명의 다른 목적 및 이점은 하기의 발명의 상세한 설명, 청구범위 및 도면에 의해 보다 명확하게 된다.
Other objects and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description of the invention, claims and drawings.

본 발명의 양태에 따르면, 본 발명은 돌연변이(mutation)된 SPT15 유전자를 포함하는 삼투(osmosis)-저항성 형질변형 효모 균주를 제공한다.
According to an aspect of the present invention, the present invention provides an osmosis-resistant transformed yeast strain comprising a mutated SPT15 gene.

본 발명자들은 삼투(osmosis)-저항성 효모 균주를 개발하고자 노력하였다. 그 결과, 본 발명자들은 PCR-매개된 임의적 돌연변이유발법(random mutagenesis)을 이용하여 돌연변이된 SPT15 유전자를 제작하고 이를 효모에 형질전환시켜 에탄올-저항성 형질변형 효모 균주를 분리하였으며, 이들이 고농도 글루코오스 또는 수크로오스(예컨대, 20%, 30% 또는 40%) 뿐 아니라 고농도 에탄올(예컨대, 15% 에탄올)에서 성장할 수 있다는 것을 확인하였다.We sought to develop osmosis-resistant yeast strains. As a result, the inventors produced a mutated SPT15 gene using PCR-mediated random mutagenesis and transformed it into yeast to isolate ethanol-resistant transformed yeast strains, which were highly concentrated glucose or sucrose. (Eg 20%, 30% or 40%) as well as high concentrations of ethanol (eg 15% ethanol).

발화성, 휘발성 무색 액체인 에탄올은 가장 널리 이용되는 용매이다. 산업적으로, 에탄올은 자동차 연료 및 연료 첨가제로서 이용되며, 향수(scents), 향료(flavorings), 착색제(colorings) 및 의약품(medicines)으로도 이용된다. 또한, 에탄올은 알코올 음료 내 주요 정신활성 구성성분으로 중추신경계에 진정 효능을 가진다. 에탄올은 에틸렌의 수화를 통해 석유화학적으로 생산될 수 있으며, 효모를 이용하여 당을 발효시킴으로써 생물학적으로 생산될 수 있는데, 이러한 생물학적 생산은 석유 및 곡물 사료제의 가격에 의존적인 석유화학적 과정에 의한 생산보다 훨씬 경제적이다. 따라서, 생물학적 에탄올의 생산 과정을 위한 효모 균주의 개발은 매우 중요하다.Ethanol, a flammable, volatile colorless liquid, is the most widely used solvent. Industrially, ethanol is used as a vehicle fuel and fuel additive and also as a perfume, flavorings, colorings and medicines. Ethanol is also the main psychoactive component in alcoholic beverages and has a calming effect on the central nervous system. Ethanol can be produced petrochemically through hydration of ethylene and biologically by fermenting sugars using yeast, which is produced by petrochemical processes that depend on the price of petroleum and grain feed products. Much more economical than Therefore, the development of yeast strains for the production of biological ethanol is very important.

본 발명에 따르면, 본 발명은 효모에서 PCR에 의해 돌연변이 유발된 SPT15 유전자를 형질전환시킨 효모 균주를 제공한다.According to the present invention, the present invention provides a yeast strain transformed with the SPT15 gene mutated by PCR in yeast.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 본 발명의 돌연변이는 야생형 SPT15 유전자의 아미노산 서열 내에 돌연변이된 아미노산 서열을 포함하며, 보다 바람직하게는 네 개의 돌연변이된 아미노산 서열을 포함하고, 가장 바람직하게는 서열목록 제2서열로 이루어진 아미노산 서열을 포함한다.According to a preferred embodiment of the invention, the mutation of the invention comprises a mutated amino acid sequence within the amino acid sequence of the wild type SPT15 gene, more preferably comprises four mutated amino acid sequences, most preferably sequence listing agent It includes an amino acid sequence consisting of two sequences.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 본 발명의 돌연변이된 SPT15 유전자는 야생형 S42, C78, S163 및 I212 위치의 아미노산 서열이 돌연변이된 아미노산 서열을 포함하는 돌연변이된 SPT15 유전자이다.According to a preferred embodiment of the present invention, the mutated SPT15 gene of the present invention is a mutated SPT15 gene comprising an amino acid sequence of which the amino acid sequences of wild type S42, C78, S163 and I212 positions are mutated.

본 발명의 보다 바람직한 구현예에 따르면, 본 발명의 돌연변이된 SPT15 유전자는 야생형 SPT15 유전자의 S42, C78, S163 및 I212 위치의 아미노산 서열이 S42N, C78R, S163P 및 I212N로 변이된 돌연변이 서열(서열목록 제2서열)을 포함하는 돌연변이된 SPT15 유전자이다.According to a more preferred embodiment of the present invention, the mutated SPT15 gene of the present invention is a mutant sequence wherein the amino acid sequence of positions S42, C78, S163 and I212 of the wild type SPT15 gene is mutated to S42N, C78R, S163P and I212N (SEQ ID NO: Mutated SPT15 gene).

본 발명에 따르면, 상술한 돌연변이된 SPT15 유전자, 바람직하게는 서열목록 제2서열로 이루어진 돌연변이된 SPT15 유전자로 형질전환된 효모 균주는 고농도 글루코오스 또는 수크로오스, 보다 바람직하게는 20-50% 글루코오스 또는 수크로오스, 보다 더 바람직하게는 30-40% 글루코오스 또는 수크로오스, 그리고 가장 바람직하게는 40% 글루코오스 또는 수크로오스에서 성장할 수 있다.According to the present invention, the yeast strain transformed with the above-described mutated SPT15 gene, preferably the mutated SPT15 gene consisting of SEQ ID NO: 2 sequence, comprises high concentration glucose or sucrose, more preferably 20-50% glucose or sucrose, Even more preferably 30-40% glucose or sucrose, and most preferably 40% glucose or sucrose.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 본 발명의 효모 균주는 고농도 에탄올, 보다 바람직하게는 5-15% 에탄올, 보다 더 바람직하게는 10-15% 에탄올, 그리고 가장 바람직하게는 12.5-15% 에탄올에서 성장할 수 있다.According to a preferred embodiment of the invention, the yeast strain of the invention is in high concentration ethanol, more preferably 5-15% ethanol, even more preferably 10-15% ethanol, and most preferably 12.5-15% ethanol You can grow.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상술한 돌연변이된 SPT15 유전자는 플라스미드로 효모 세포에 도입될 수 있다. 또한, 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상술한 돌연변이된 SPT15 유전자는 효모 세포의 지놈(genomic) DNA에 도입될 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the mutated SPT15 gene described above may be introduced into yeast cells as a plasmid. In addition, according to a preferred embodiment of the present invention, the mutated SPT15 gene described above may be introduced into genomic DNA of yeast cells.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상술한 돌연변이된 SPT15 유전자의 형질전환에 이용될 수 있는 효모 균주는 사카로마이세스 종(Saccharomyces spp.), 시조사카로마이세스 종(Schizosaccharomyces spp.), 피키아 종(Pichia spp.), 파피아 종(Paffia spp.), 클루이베로미세스 종(Kluyveromyces spp.), 칸디다 종(Candida spp.), 탈라로미세스 종(Talaromyces spp.), 브레타노미세스 종(Brettanomyces spp.), 파키솔렌 종(Pachysolen spp.), 데바리오미세스 종(Debaryomyces spp.) 또는 산업적인 배수체(polyploid) 효모 균주를 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 보다 바람직하게는, 상술한 돌연변이된 SPT15 유전자의 형질전환에 이용될 수 있는 효모 균주는 사카로마이세스 종이며, 보다 더 바람직하게는 사카로마이세스 세레비지에이고, 가장 바람직하게는 사카로마이세스 세레비지에 L3262이다.
According to a preferred embodiment of the present invention, yeast strains that can be used for the transformation of the above-described mutated SPT15 gene are Saccharomyces spp., Schizosaccharomyces spp., Blood Pichia spp., Paffia spp., Kluyveromyces spp., Candida spp., Talaromyces spp., Bretanomyces sp . Brettanomyces spp.), Parkinson solren species (Pachysolen spp.), Deva Rio MRS species (Debaryomyces spp.) or including industrial diploid (polyploid) yeast strain, but are not limited to. More preferably, the yeast strain that can be used for the transformation of the mutated SPT15 gene described above is Saccharomyces species, even more preferably Saccharomyces cerevisiae, most preferably Saccharomyces The Seth Cervage is L3262.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 본 발명은 상술한 돌연변이된 SPT15 유전자 카피를 효모 균주에 도입하는 단계 및/또는 효모 세포의 지놈 DNA의 내인성 SPT15 유전자를 돌연변이시키는 단계를 포함하는 에탄올-저항성 효모 균주 제조방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, the present invention provides an ethanol-resistant yeast strain comprising introducing the above-described mutated SPT15 gene copy into a yeast strain and / or mutating the endogenous SPT15 gene of the genome DNA of yeast cells. Provide a method.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 본 발명은 상술한 돌연변이된 SPT15 유전자가 삽입된 효모 균주를 에탄올로 대사될 수 있는 하나 이상의 기질을 포함하는 배양배지에서 배양하는 단계를 포함하는 에탄올 생산방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, the present invention provides a method for producing ethanol comprising culturing the yeast strain into which the above-described mutated SPT15 gene is inserted in a culture medium comprising at least one substrate capable of metabolizing with ethanol. do.

본 발명의 방법은 상술한 본 발명의 돌연변이된 SPT15 유전자로 형질전환된 효모 균주를 유효성분으로 포함하기 때문에, 둘 사이에 중복된 내용은 중복 기재에 따른 본 명세서의 과도한 복잡성을 피하기 위하여 그 기재를 생략한다.Since the method of the present invention includes the above-described yeast strain transformed with the mutated SPT15 gene of the present invention as an active ingredient, the overlapping content between the two is omitted in order to avoid excessive complexity of the present specification according to the overlapping description. Omit.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 에탄올로 대사될 수 있는 기질은 C6 당(sugars)을 포함하고, 본 발명의 보다 바람직한 구현예에 따르면, 상기 C6 당은 글루코오스를 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.According to a preferred embodiment of the invention, the substrate which can be metabolized to ethanol comprises C6 sugars, and according to a more preferred embodiment of the invention, the C6 sugar comprises glucose, but is not limited thereto. no.

본 발명은 상술한 돌연변이된 SPT15 유전자를 포함하는 재조합 벡터 또는 그의 전사체에 의해 감염된 세포 및 유전자 도입에 의한 형질전환된 세포를 제공한다. 또한, 본 발명은 상술한 돌연변이된 SPT15 유전자를 포함하는 재조합 벡터 또는 상술한 돌연변이된 SPT15 단백질에 의해 형질전환된 형질전환체를 제공한다.The present invention provides a cell transfected with a recombinant vector comprising the above mutated SPT15 gene or a transcript thereof and a transgenic cell by gene transfer. In addition, the present invention provides a recombinant vector comprising the above-mentioned mutated SPT15 gene or a transformant transformed with the aforementioned mutated SPT15 protein.

본 발명의 재조합 벡터는 서열목록 제2서열의 아미노산 서열을 코딩하는 뉴클레오타이드 서열 또는 이의 상보적인 뉴클레오타이드 서열을 포함한다. 본 발명의 벡터는 전형적으로 클로닝을 위한 벡터 또는 발현을 위한 벡터로서 구축될 수 있다. 또한, 본 발명의 벡터는 원핵세포 및 진핵세포를 숙주로 하여 구축될 수 있다. 예를 들어, 원핵세포는 박테리아 세포 및 고세균을 포함하며, 진핵세포는 효모세포, 포유동물세포, 식물세포, 곤충세포, 줄기세포 및 곰팡이를 포함하고, 가장 바람직하게는 효모세포이다.The recombinant vector of the present invention comprises a nucleotide sequence encoding the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 or a complementary nucleotide sequence thereof. The vector of the present invention can typically be constructed as a vector for cloning or as a vector for expression. In addition, the vector of the present invention can be constructed by using prokaryotic cells and eukaryotic cells as hosts. For example, prokaryotic cells include bacterial cells and archaea, and eukaryotic cells include yeast cells, mammalian cells, plant cells, insect cells, stem cells and fungi, and most preferably yeast cells.

바람직하게는, 본 발명의 재조합 벡터는 (ⅰ) 상술한 본 발명의 발현대상물질을 인코딩하는 뉴클레오타이드 서열; (ⅱ) 상기 (ⅰ)의 뉴클레오타이드 서열에 작동적으로 연결되며 동물세포에서 작용하여 RNA 분자를 형성시키는 프로모터를 포함하며, 보다 바람직하게는 (ⅰ) 상술한 본 발명의 서열목록 제2서열의 아미노산 서열을 코딩하는 뉴클레오타이드 서열 또는 이의 상보적인 뉴클레오타이드 서열; (ⅱ) 상기 (ⅰ)의 뉴클레오타이드 서열에 작동적으로 연결되며 동물세포에서 작용하여 RNA 분자를 형성시키는 프로모터; 및 (ⅲ) 동물세포에서 작용하여 상기 RNA 분자의 3'-말단의 폴리아데닐화를 야기시키는 3'-비-해독화 부위를 포함하는 재조합 발현벡터를 포함한다.Preferably, the recombinant vector of the present invention comprises (i) a nucleotide sequence encoding the above-described expression target of the present invention; (Ii) a promoter operably linked to the nucleotide sequence of (iii) and acting on an animal cell to form an RNA molecule, and more preferably (iii) an amino acid of the second sequence of the above-listed sequence of the present invention Nucleotide sequence encoding a sequence or a nucleotide sequence thereof; (Ii) a promoter operably linked to the nucleotide sequence of (iii) and acting on animal cells to form RNA molecules; And (iii) a recombinant expression vector comprising a 3'-non-detoxification site that acts in an animal cell to cause 3'-end polyadenylation of the RNA molecule.

바람직하게는, 상술한 발현대상물질은 돌연변이된 SPT15 단백질, 보다 바람직하게는 서열목록 제2서열로 이루어진 돌연변이된 SPT15 단백질을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.Preferably, the above-described expression material includes, but is not limited to, mutated SPT15 protein, more preferably mutated SPT15 protein consisting of SEQ ID NO: 2 sequence.

본 명세서에서 용어 “프로모터”는 코딩 서열 또는 기능적 RNA의 발현을 조절하는 DNA 서열을 의미한다. 본 발명의 제조합 발현벡터에서 발현대상물질-코딩 뉴클레오타이드 서열은 상기 프로모터에 작동적으로 연결된다. 본 명세서에서 용어 “작동적으로 결합된(operatively linked)”은 핵산 발현 조절 서열(예: 프로모터 서열, 시그널 서열, 또는 전사조절인자 결합 위치의 어레이)과 다른 핵산 서열 사이의 기능적인 결합을 의미하며, 이에 의해 상기 조절 서열은 상기 다른 핵산 서열의 전사 및/또는 번역을 조절하게 된다.As used herein, the term "promoter" refers to a DNA sequence that regulates the expression of a coding sequence or functional RNA. The subject substance-coding nucleotide sequence in the combined combination expression vector of the present invention is operatively linked to the promoter. As used herein, the term “operatively linked” refers to a functional binding between a nucleic acid expression control sequence (eg, a promoter sequence, a signal sequence, or an array of transcriptional regulator binding sites) and another nucleic acid sequence. Thus, the regulatory sequence will control the transcription and / or translation of the other nucleic acid sequence.

본 발명의 벡터가 원핵 세포를 숙주로 하는 경우에는, 전사를 진행시킬 수 있는 강력한 프로모터(예컨대, tac 프로모터, lac 프로모터, lac UV5 프로모터, lpp 프로모터, pL λ 프로모터, pR λ 프로모터, rac5 프로모터, amp 프로모터, recA 프로모터, SP6 프로머터, trp 프로모터, T7 프로모터, 등), 해독의 개시를 위한 라이보좀 결합 자리 및 전사/해독 종결 서열을 포함하는 것이 일반적이다. 보다 더 바람직하게는, 본 발명에서 이용되는 숙주 세포는 E. coli이며, 가장 바람직하게는E. coli DH5α이다. 또한, 숙주 세포로서 E. coli가 이용되는 경우, E. coli 트립토판 생합성 경로의 프로모터 및 오퍼레이터 부위(Yanofsky, C., J. Bacteriol., 158: 1018-1024(1984)) 그리고 파아지 λ의 좌향 프로모터(pL λ 프로모터, Herskowitz, I. and Hagen, D., Ann. Rev. Genet., 14: 399-445(1980))가 조절 부위로서 이용될 수 있다. 한편, 본 발명에 이용될 수 있는 벡터는 당업계에서 종종 사용되는 플라스미드(예: pRS316, pSC101, ColE1, pBR322, pUC8/9, pHC79, pUC19, pET 등), 파지(예: λgt4λB, λ-Charon, λΔz1 및 M13 등) 또는 바이러스(예: SV40 등)를 조작하여 제작될 수 있다.When the vector of the present invention is a prokaryotic cell as a host, powerful promoters capable of promoting transcription (e.g., tac promoter, lac promoter, lac UV5 promoter, lpp promoter, p L λ promoter, p R λ promoter, rac 5 Promoters, amp promoters, recA promoters, SP6 promoters, trp promoters, T7 promoters, etc.), ribosomal binding sites for initiation of translation and transcription / detox termination sequences. Even more preferably, the host cell used in the present invention is E. coli , most preferably E. coli DH5α. In addition, when E. coli is used as the host cell, the promoter and operator site of the E. coli tryptophan biosynthetic pathway (Yanofsky, C., J. Bacteriol. , 158: 1018-1024 (1984)) and the leftward promoter of phage λ (p L λ promoter, Herskowitz, I. and Hagen, D., Ann. Rev. Genet. , 14: 399-445 (1980)) can be used as regulatory sites. On the other hand, vectors that can be used in the present invention are plasmids (eg, pRS316, pSC101, ColE1, pBR322, pUC8 / 9, pHC79, pUC19, pET, etc.), phages (eg, λgt4λB, λ-Charon) which are often used in the art. , λΔz1, M13, etc.) or viruses (eg, SV40, etc.).

또한, 본 발명의 재조합 벡터가 진핵세포, 바람직하게는 효모 세포에 적용되는 경우, 이용될 수 있는 프로모터는, 본 발명의 발현대상물질의 전사를 조절할 수 있는 것으로서, 효모 세포에서 유래된 프로모터, 포유동물 바이러스로부터 유래된 프로모터 및 포유동물 세포의 지놈으로부터 유래된 프로모터를 포함하며, 예컨대, 효모(S. cerevisiae) GAPDH(Glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase) 프로모터, 효모(S. cerevisiae) GAL1 내지 GAL10 프로모터, 효모(Pichia pastoris) AOX1 또는 AOX2 프로모터, CMV(cytomegalo virus) 프로모터, 아데노바이러스 후기 프로모터, 백시니아 바이러스 7.5K 프로모터, SV40 프로모터, HSV의 tk 프로모터, RSV 프로모터, EF1 알파 프로모터, 메탈로티오닌 프로모터, 베타-액틴 프로모터, 인간 IL-2 유전자의 프로모터, 인간 IFN 유전자의 프로모터, 인간 IL-4 유전자의 프로모터, 인간 림포톡신 유전자의 프로모터 및 인간 GM-CSF 유전자의 프로모터를 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 가장 바람직하게는, 효모 GAPDH 프로모터이다.In addition, when the recombinant vector of the present invention is applied to eukaryotic cells, preferably yeast cells, the promoters that can be used are those capable of regulating the transcription of the expression target material of the present invention, promoters derived from yeast cells, mammals Promoters derived from animal viruses and promoters derived from genomes of mammalian cells, including, for example, the yeast ( G. cerevisiae ) GAPDH (Glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase) promoter, the yeast ( S. cerevisiae ) GAL1 to GAL10 promoters, yeast ( Pichia pastoris ) AOX1 or AOX2 promoter, CMV (cytomegalo virus) promoter, adenovirus late promoter, vaccinia virus 7.5K promoter, SV40 promoter, tk promoter of HSV, RSV promoter, EF1 alpha promoter, metallothionine promoter, beta Actin promoter, promoter of human IL-2 gene, promoter of human IFN gene, human IL-4 gene Promoter, one containing the promoter and the promoter of the human GM-CSF gene of the human lymphotoxin gene, and the like. Most preferably, it is a yeast GAPDH promoter.

바람직하게는, 본 발명에 이용되는 발현 컨스트럭트는 폴리 아네닐화 서열을 포함한다(예: 소성장 호르몬 터미네이터 및 SV40 유래 폴리 아데닐화 서열).Preferably, the expression constructs used in the present invention include polyanenylation sequences (e.g., bovine growth hormone terminator and SV40-derived polyadenylation sequences).

본 발명의 벡터를 숙주 세포 내로 운반하는 방법은 당업계에 공지된 다양한 방법들을 이용할 수 있으며, 예를 들어 숙주 세포가 원핵 세포인 경우, CaCl2 방법(Cohen, S.N. et al., Proc. Natl. Acac. Sci. USA, 9:2110-2114(1973)), 하나한 방법(Cohen, S.N. et al., Proc. Natl. Acac. Sci. USA, 9:2110-2114(1973); 및 Hanahan, D., J. Mol. Biol., 166:557-580(1983)) 및 전기 천공 방법(Dower, W.J. et al., Nucleic. Acids Res., 16:6127-6145(1988)) 등에 의해 실시될 수 있으며, 진핵세포인 경우, 전기천공법(electroporation), 리포펙션(lipofection), 마이크로인젝션, 유전자총(particle bombardment), YAC에서 이용되는 효모 구형질체/세포 융합, 식물세포에서 이용되는 아그로박테리움-매개된 형질전환 등을 이용하여 실시할 수 있다.The method of carrying the vector of the present invention into a host cell may use various methods known in the art, for example, when the host cell is a prokaryotic cell, the CaCl 2 method (Cohen, SN et al., Proc. Natl. Acac. Sci. USA , 9: 2110-2114 (1973)), one method (Cohen, SN et al., Proc. Natl. Acac. Sci. USA , 9: 2110-2114 (1973); and Hanahan, D , J. Mol. Biol. , 166: 557-580 (1983)) and electroporation methods (Dower, WJ et al., Nucleic. Acids Res. , 16: 6127-6145 (1988)) and the like. For eukaryotic cells, electroporation, lipofection, microinjection, particle bombardment, yeast globular / cell fusion used in YAC, Agrobacterium- used in plant cells Mediated transformation can be used.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 본 발명에 이용되는 발현대상물질-인코딩 뉴클레오타이드 서열은 “프로모터-발현대상물질 인코딩 뉴클레오타이드 서열-폴리 아데닐화 서열”의 구조를 갖는다.According to a preferred embodiment of the present invention, the expression-encoding nucleotide sequence used in the present invention has a structure of “promoter-expression encoding nucleotide sequence-poly adenylation sequence”.

본 발명의 벡터 시스템은 당업계에 공지된 다양한 방법을 통해 구축될 수 있으며, 이에 대한 구체적인 방법은 Sambrook et al., Molecular Cloning, A Laboratory Manual, Cold Spring Harbor Laboratory Press(2001)에 개시되어 있으며, 이 문헌은 본 명세서에 참조로서 삽입된다.The vector system of the present invention may be constructed through various methods known in the art, and specific methods thereof are disclosed in Sambrook et al., Molecular Cloning, A Laboratory Manual , Cold Spring Harbor Laboratory Press (2001), This document is incorporated herein by reference.

본 발명의 재조합 발현벡터를 이용하여 형질전환된 효모 세포의 제조는 당업계에 통상적으로 공지된 유전자 전이방법에 의해 실시될 수 있다. 예를 들어, 전기천공법(electroporation), 리튬 아세테이트/DMSO 방법(Hill, J., et al., (1991), DMSO-enhanced whole cell yeast transformation. Nucleic Acids Res. 19, 5791. ), 리포좀-매개 전이방법(Wong, 등, 1980), 레트로바이러스-매개 전이방법(Chen, H.Y., et al., (1990), J. Reprod. Fert. 41:173-182; Kopchick, J.J. et al., (1991) Methods for the introduction of recombinant DNA into chicken embryos. In Transgenic Animals, ed. N.L. First & F.P. Haseltine, pp.275-293, Boston; Butterworth-Heinemann; Lee, M.-R. and Shuman, R. (1990) Proc. 4th World Congr. Genet. Appl. Livestock Prod. 16, 107-110) 등을 이용하여 실시한다.The production of transformed yeast cells using the recombinant expression vector of the present invention can be carried out by gene transfer methods commonly known in the art. For example, electroporation, lithium acetate / DMSO method (Hill, J., et al., (1991), DMSO-enhanced whole cell yeast transformation. Nucleic Acids Res. 19, 5791.), liposomes- Mediated transfer methods (Wong, et al., 1980), retrovirus-mediated transfer methods (Chen, HY, et al., (1990), J. Reprod. Fert. 41: 173-182; Kopchick, JJ et al., ( 1991) Methods for the introduction of recombinant DNA into chicken embryos.In Transgenic Animals, ed.NL First & FP Haseltine, pp. 275-293, Boston; Butterworth-Heinemann; Lee, M.-R. and Shuman, R. ( 1990) Proc. 4th World Congr. Genet. Appl. Livestock Prod. 16, 107-110).

한편, 본 발명의 발현대상물질 단백질을 유효성분으로써 유전자 도입에 이용하기 위해 발현대상물질 단백질이 효과적으로 세포 내로 침투할 수 있어야 한다. 예를 들어, 상술한 돌연변이된 SPT15 단백질을 유효성분으로 이용하는 경우, 단백질 운반 도메인(PTD: protein transduction domain)을 돌연변이된 SPT15 단백질에 부착시키는 것이 바람직하다. 즉, 유효성분으로서 본 발명의 돌연변이된 SPT15 단백질을 세포 내로 도입(permeable peptide transduction)하기 위하여 단백질 운반 도메인(PTD: protein transduction domain)을 상기 단백질과 융합하여 융합 단백질을 만든다. 상기 단백질 운반 도메인(PTD)은 라이신/아르기닌 등 기본 아미노산 잔기들을 주로 포함하고 있어서 이와 융합된 단백질들을 세포막을 투과하여 세포내로 침투시키는 역할을 한다. 상기 단백질 운반 도메인(PTD)은 바람직하게는 HIV-1 Tat 단백질, 드로소필라 안테나페디아의 homeodomain, HSV VP22 전사조절단백질, vFGF에서 유도된 MTS 펩타이드, 페네트라틴, 트랜스포탄 또는 Pep-1 펩타이드에서 유래된 서열을 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
On the other hand, in order to use the expression target protein of the present invention as an active ingredient to introduce the gene should be able to effectively penetrate into the cell. For example, when using the above-described mutated SPT15 protein as an active ingredient, it is preferable to attach a protein transduction domain (PTD) to the mutated SPT15 protein. That is, in order to introduce a mutated SPT15 protein of the present invention as an active ingredient into cells, a protein transduction domain (PTD) is fused with the protein to make a fusion protein. The protein transport domain (PTD) mainly contains basic amino acid residues such as lysine / arginine, and serves to permeate the proteins fused therewith into the cell through the cell membrane. The protein transport domain (PTD) is preferably in the HIV-1 Tat protein, the homeodomain of the drosophila antennafedia, the HSV VP22 transcriptional regulator protein, the MTS peptide derived from vFGF, the penetratin, the transpotane or the Pep-1 peptide. Including but not limited to sequences derived.

본 발명의 특징 및 이점을 요약하면 다음과 같다:The features and advantages of the present invention are summarized as follows:

(a) 본 발명은 돌연변이(mutation)된 SPT15 유전자를 포함하는 삼투-저항성 형질전환 효모 균주 및 이의 용도에 관한 것이다.(a) The present invention relates to an osmo-resistant transgenic yeast strain comprising a mutated SPT15 gene and its use.

(b) 본 발명의 효모 균주는 고농도 글루코오스, 바람직하게는 30-40% 글루코오스 또는 수크로오스 하에서 성장할 수 있는 효모 균주이다.(b) Yeast strains of the present invention are yeast strains capable of growing under high concentrations of glucose, preferably 30-40% glucose or sucrose.

(c) 본 발명의 효모 균주는 고농도 에탄올, 바람직하게는 12.5-15% 에탄올에서 성장할 수 있는 효모 균주이다.(c) Yeast strains of the present invention are yeast strains that can grow in high concentration ethanol, preferably 12.5-15% ethanol.

(d) 고농도 글루코오스 및 에탄올에 내성을 보이는 균주를 발명함으로써 보다 효율적인 에탄올 생산에 유용하게 사용될 것이며, 또한 바이오에탄올 생산공정 시 발생하는 여러 스트레스에 저항성을 가진 고효율의 에탄올 생성능의 슈퍼균주로서 실용성을 가질 것이다.
(d) Inventing strains that are resistant to high glucose and ethanol will be useful for the production of more efficient ethanol and also have practical utility as a super strain of high efficiency ethanol producing ability that is resistant to various stresses generated during bioethanol production process. will be.

도 1은 5개의 ETS1-5의 증가된 에탄올 저항성을 보여주는 스팟 어세이 결과이다. 세포를 YSCD-Ura 또는 YPD 액체 배지에서 OD600 값 1까지 성장시킨 후 10배씩 연속적으로 희석하였다. 배양된 세포의 분취액(5 ㎕)을 적합한 농도의 에탄올을 포함하는 YSCD-Ura 또는 YPD 플레이트 배지에 스팟팅하고, 플레이트를 30℃에서 4-6일 동안 배양시켰다. 대조군 스트레인들은 부모 플라스미드(parental plasmids)를 L3262(C-L3262) 및 BY4741(C-BY4741)에 형질전화시켜 제조하였다. 도 1A는 YSCD-Ura 플레이트에서 ETS1-5의 스팟 어세이를 실시한 결과이다. 도 1B는 ETS1-5로부터 회수된 플라스미드를 L3262 및 BY4741에 다시 형질전환시켜 각각 rL-ETS1-5 및 rBY-ETS1-5을 제조하고, YSCD-Ura 플레이트에서 스팟 어세이를 실시하였다. 도 1C는 YPD 플레이트에서 실시한 ETS2 및 ETS3의 스팟 어세이 결과이다. 도 1D는 부모 플라스미드, 및 ETS2 및 ETS3로부터 회수된 플라스미드를 L3262의 지놈에 통합시킴으로써, 각각 iL3262, iETS2 및 iETS3을 제조하고, YSCD-Ura(위쪽 패널) 및 YPD 플레이트(아래쪽 패널)에서 스팟 어세이를 실시하였다.
도 2는 ETS2 및 ETS3의 에탄올 민감성을 보여주는 결과이다. 지시된 시간에 에탄올 충격을 가한 후, C-L3262, ETS2 및 ETS3를 12.5%(A) 및 15%(B) 에탄올의 존재 하에서 YSCD-Ura 플레이트에서 2일 동안 성장시켰다. 상대적인 생존율을 콜로니의 수를 카운팅한 후 % 대조군으로서 표현하였다. 심볼: C-L3262, ; ETS2, ■; 및 ETS3, ▲. 실험은 세 번에 걸쳐서(triplicate) 실시하였다.
도 3은 서로 다른 글루코오스 농도 하에서 ETS3의 성장률을 관찰한 결과이다. 다양한 농도의 글루코오스(A)와 수크로오스(B; 각각 20%, 30% 및 40%)를 함유한 YPD 배지에서 삼투-저항성 스트레인, ETS3(■) 및 대조군(Sc L3262, □)세포를 120 rpm으로 흔들면서 30℃로 배양하였다. 시료를 지정된 시간마다 취한 후, 세포 밀도를 측정하여 세포 성장률을 결정하였다. 실험은 세 번에 걸쳐서(triplicate) 실시하였다.
도 4는 삼투-저항성 스트레인인 ETS3의 발효 능력을 관찰한 결과이다. 고농도의 글루코우스(50%)를 함유한 YPD 배지에서의 ETS3(●) 및 대조군(Sc L3262; ○)의 세포 성장과 에탄올 생성을 각각 나타내었다. 세포를 120 rpm으로 흔들면서 30℃로 배양하였다. 각 시료를 지정된 시간 마다 취한 후, 세포 성장(A, C) 및 에탄올 생성능(B, D)을 각각 측정하였다. 대표적인 결과가 제시된다.
1 is a spot assay result showing increased ethanol resistance of five ETS1-5. Cells were grown up to OD 600 value 1 in YSCD-Ura or YPD liquid medium and then serially diluted 10-fold. Aliquots (5 μl) of cultured cells were spotted in YSCD-Ura or YPD plate medium containing appropriate concentrations of ethanol and plates were incubated at 30 ° C. for 4-6 days. Control strains were prepared by transducing parental plasmids into L3262 (C-L3262) and BY4741 (C-BY4741). FIG. 1A shows the results of a spot assay of ETS1-5 on a YSCD-Ura plate. 1B shows that the plasmid recovered from ETS1-5 was transformed back into L3262 and BY4741 to prepare rL-ETS1-5 and rBY-ETS1-5, respectively, and spot assayed on YSCD-Ura plates. 1C shows the results of spot assays of ETS2 and ETS3 on YPD plates. 1D shows the integration of parent plasmids and plasmids recovered from ETS2 and ETS3 into the genome of L3262 to prepare iL3262, iETS2 and iETS3, respectively, and spot assays on YSCD-Ura (top panel) and YPD plate (bottom panel). Was carried out.
2 shows the ethanol sensitivity of ETS2 and ETS3. After ethanol shock at the indicated time, C-L3262, ETS2 and ETS3 were grown for 2 days in YSCD-Ura plates in the presence of 12.5% (A) and 15% (B) ethanol. Relative survival was expressed as% control after counting the number of colonies. Symbol: C-L3262,; ETS2, ■; And ETS3, ▲. The experiment was conducted three times.
3 shows the results of observing the growth rate of ETS3 under different glucose concentrations. Osmotic-resistant strain, ETS3 (■) and control (Sc L3262, □) cells at 120 rpm in YPD medium containing varying concentrations of glucose (A) and sucrose (B; 20%, 30% and 40%, respectively) It was incubated at 30 ℃ shaking. After taking samples every designated time, cell density was measured to determine cell growth rate. The experiment was conducted three times.
4 is a result of observing the fermentation capacity of the osmo-resistant strain ETS3. Cell growth and ethanol production of ETS3 (•) and control (Sc L3262; ○) in YPD medium containing high concentration of glucose (50%) were shown, respectively. The cells were incubated at 30 ° C with shaking at 120 rpm. After each sample was taken at a designated time, cell growth (A, C) and ethanol production capacity (B, D) were measured, respectively. Representative results are shown.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. It is to be understood by those skilled in the art that these embodiments are only for describing the present invention in more detail and that the scope of the present invention is not limited by these embodiments in accordance with the gist of the present invention .

실시예Example

실험재료 및 실험방법Materials and Experiments

효모 균주 및 성장 조건Yeast Strains and Growth Conditions

S. 세레비지에(S. cerevisiae) L3262(MAT-α, ura3-52 leu2-3 ll2 his4-34; 생명공학 연구소, 대전) 및 BY4741(MATα his3Δ1 leu2Δ0 met15Δ0 ura3Δ0)를 발현 숙주(transformation recipients)로 이용하였다. 필수적이지 않은 반수체(nonessential haploid) S. 세레비지에 결실 라이브러리는 허원기 박사(Seoul National University, Seoul, Korea)로부터 친절하게도 제공되었으며, 동정된 유전자의 확인에 이용되었다. 특별한 언급이 없는 한, 효모 세포는 비-선택적 증식(propagation)을 위해서 YPD 배지(1% 박토 효모 추출물, 2% 박토 펩톤 및 2w/v% 글루코오스, 그리고 고형 플레이트를 위해서 15% 박토-아가를 추가적으로 포함; Difco, MI)에서 30℃로 배양하거나 또는 선택적 증식을 위해서 효모 합성 완전 배지(YSCD medium; 아미노산이 없는 0.67% 효모 질소 베이스, 아미노산 보충 혼합물 및 2% 덱스트로오스, 그리고 고형 플레이트를 위해서 1.5% 박토-아가를 추가적으로 포함; MP, OH)에서 30℃로 배양하였다. 플라스미드 구축을 위해, pRS316 벡터(본 연구소 소장; CEN-기반된 벡터, S. 세레비지애 GAPDH 프로모터, URA3 선택마커)를 발현 벡터로 이용하였으며, E. coli DH5α(Stratagene, CA)를 숙주로 이용하여 100 mg/l의 암피실린(Sigma-Aldrich, MO)이 보충된 루리아-베르타니 배지(LB): Difco, MI)에서 37℃ 배양시켰다.
S. cerevisiae L3262 ( MAT-α , ura3-52 leu2-3 ll2 his4-34 ; Biotechnology Research Institute, Daejeon) and BY4741 ( MATα his3Δ1 leu2Δ0 met15Δ0 ura3Δ0 ) as expression recipients Was used. A non-essential haploid S. cerevisiae deletion library was kindly provided by Dr. Hur Won-ki (Seoul National University, Seoul, Korea) and used to identify the identified genes. Unless otherwise noted, yeast cells additionally added YPD medium (1% Bacteria yeast extract, 2% Bactobacillus peptone and 2w / v% glucose, and 15% Bactobacillus-agar for solid plates) for non-selective propagation. Incubated at 30 ° C. in Difco, MI or yeast synthetic complete medium for selective propagation (YSCD medium; 0.67% yeast nitrogen base without amino acids, amino acid supplement mixture and 2% dextrose, and 1.5 for solid plates And additionally containing% bacto-agar; MP, OH). For plasmid construction, the pRS316 vector (Director of the Institute; CEN -based vector, S. cerevisiae GAPDH promoter, URA3 selection marker) was used as the expression vector, E. Coli DH5α (Stratagene, Calif.) was used as a host and incubated at 37 ° C in Luria-Bertani medium (LB): Difco, MI supplemented with 100 mg / l Ampicillin (Sigma-Aldrich, Mo.).

분자생물학적 방법Molecular biology method

플라스미드 제조, 클로닝 및 시퀀싱은 이전에 기재된 바와 같이 실시하였다(Sambrook, 2001). E.coli DH5α(Stratagene, USA)를 플라스미드 제조를 위한 숙주로 사용하였다.
Plasmid preparation, cloning and sequencing were performed as previously described (Sambrook, 2001). E. coli DH5α (Stratagene, USA) was used as a host for plasmid preparation.

STP15 돌연변이 라이브러리 구축STP15 Mutation Library Construction

야생형 SPT15(SPT15wt)의 전체 ORF(open reading frame)를 지놈 DNA를 템플레이트로 이용하여 센스 프라이머(5’-gtagggatcctgagatggccgatgaggaacgtt-3’, 밑줄 친 서열은 BamHI 위치) 및 안티센스 프라이머(5’-gtaggaattctcacatttttctaaattcacttag-3’, 밑줄 친 서열은 EcoRI 위치)로 PCR-증폭시켜 pGEM-T easy 벡터에 클로닝하여 pT-SPT15를 제조하였다. SPT15 돌연변이 라이브러리는 pT-SPT15를 템플레이트로 GeneMorph II 임의 돌연변이유발 키트(Stratagene, La Jolla, CA, USA) 및 상술한 프라이머를 이용하여 제조하였다. PCR 산물을 BamHI 및 EcoRI로 절단하여 pRS316-유래된 플라스미드인 pRS316-GCYH2gR에 클로닝하였으며, 클론된 유전자들은 글라이세르알데하이드-3-포스페이트 디하이드로게나제 프로모터(TDH3 P) 및 갈락토오스-1-포스페이트 종결자(GAL7T)의 조절 하에 위치한다. 결과적인 플라스미드들을 E.coli DH5α에 형질전화시켜 30℃에서 배양함으로써, 4×106의 총 콜로니 수를 가지는 SPT15 돌연변이체에 대한 일차 라이브러리를 제조하였다. 임의적으로 선택된 20개의 콜로니들의 시퀀싱 결과, 분자-기반돤 돌연변이 생성률이 70%로 측정되었다. 돌연변이는 14개의 콜로니에서 거의 하나 이상, 대부분 3-5 위치에서 발견되었으며, 나머지는 야생형과 동일하였다. 증폭 및 대규모 제조를 거쳐, 라이브러리 플라스미드(500 ㎍)가 S. 세레비지에 L3262로 형질전환되어 고형 YSCD-Ura에서 25℃로 배양시켰다. 전체적인 효모 콜로니의 수는 약 5×106개로, 1 ㎍의 DNA 당 약 4×106의 콜로니 형성 단위(CFU)의 형질전환 효율을 나타냈다. 모든 콜로니들을 15 ml YSCD-Ura로 도포된 플레이트 표면을 긁어서 수득하여 SPT15 돌연변이체에 대한 효모 라이브러리를 제조하였다. 25℃에서 세포수를 4배 증식시킨 후, 사용할 때까지 세포 현탁액의 분취액(aliquots)을 20% 글라이세롤의 존재 하에서 -80℃에 저장하였다.
Using the full open reading frame (ORF) of wild type SPT15 (SPT15wt) as genome DNA as a template, a sense primer (5'-gtag ggatcc tgagatggccgatgaggaacgtt-3 ', underlined sequence is BamH I position) and antisense primer (5'-gtag) gaTtc tcacatttttctaaattcacttag-3 ', the underlined sequence was PCR-amplified with EcoR I position) and cloned into pGEM-T easy vector to prepare pT-SPT15. The SPT15 mutation library was prepared using GeneTorph II random mutagenesis kit (Stratagene, La Jolla, CA, USA) as a template and primers described above. PCR products were digested with BamH I and EcoR I and cloned into pRS316-derived plasmid, pRS316-GCYH2gR, and cloned genes were glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase promoter ( TDH3 P ) and galactose-1-. It is located under the control of phosphate terminator (GAL7 T ). The resulting plasmids were transformed into E. coli DH5α and incubated at 30 ° C. to prepare a primary library for SPT15 mutants with a total colony number of 4 × 10 6 . Sequencing of 20 randomly selected colonies resulted in 70% molecular-based mutagenesis production. Mutations were found in at least one, mostly 3-5 positions, in the 14 colonies, with the remainder identical to the wild type. After amplification and large scale preparation, library plasmids (500 μg) were transformed into S326 cerevisiae with L3262 and incubated at 25 ° C. in solid YSCD-Ura. The total number of yeast colonies was about 5 × 10 6 , indicating a transformation efficiency of about 4 × 10 6 colony forming units (CFU) per 1 μg of DNA. All colonies were obtained by scraping a plate surface coated with 15 ml YSCD-Ura to prepare a yeast library for SPT15 mutants. After doubling the cell number at 25 ° C., aliquots of the cell suspension were stored at −80 ° C. in the presence of 20% glycerol until use.

효모 형질전환Yeast transformation

효모 형질전환을 위한 모든 플라스미드들을 RNA 절단 없이 수작업으로 제조하였다. DNA 농도는 알려진 농도의 대조군 DNA의 밴드 강도와 비교하여 측정하였다. DNAs 및 RNAs의 혼합물을 이전에 기술된 바와 같이 효모 형질전환에 사용하였다(Hirasawa, T., et al., 2007).
All plasmids for yeast transformation were prepared manually without RNA cleavage. DNA concentration was determined by comparing the band intensities of known concentrations of control DNA. Mixtures of DNAs and RNAs were used for yeast transformation as previously described (Hirasawa, T., et al. , 2007).

스팟 어세이Spot Assay

OD600 값 1로 배양된 세포의 분취액(5 ㎕)을 10배씩 연속적으로 희석하여 적합한 농도의 에탄올을 포함하는 고형 합성 배지 또는 풍부 배지에 스팟팅하였다. 플레이트를 30℃에서 4-6일 동안 배양시켰다.
Aliquots (5 μl) of cells incubated with an OD 600 value of 1 were serially diluted 10-fold and spotted on solid synthetic media or enriched media containing appropriate concentrations of ethanol. Plates were incubated at 30 ° C. for 4-6 days.

에탄올 민감성 어세이Ethanol Sensitization Assay

OD600 값 1로 배양된 세포를 수득하여 12.5%(v/v) 및 15%(v/v) 에탄올을 포함하는 신선한 YSCD-Ura 배지에 동일하게 분주하고 30℃에서 4-6시간 동안 배양시켰다. 적절한 시간에 분취액을 희석하여 고형 YPD 플레이트에 플레이팅하였다. 세포 생존율을 시간에 따라 측정하고 상대적인 CFU 수로 표현하였다.
Cells cultured with an OD 600 value of 1 were obtained and equally aliquoted in fresh YSCD-Ura medium containing 12.5% (v / v) and 15% (v / v) ethanol and incubated at 30 ° C. for 4-6 hours. . Aliquots were diluted at appropriate times and plated on solid YPD plates. Cell viability was measured over time and expressed in relative CFU numbers.

지놈 통합(Genomic integration) Genome integration (Genomic integration)

돌연변이된 SPT15 유전자를 통합용 벡터 pRS406에 클로닝하여 URA3 내의 유일한 ApaI 위치를 이용하여 선형화시킨 후 S. 세레비지에 L3262로 형질전환시켰다. 또한, 클론을 포함하지 않는 플라스미드(inset-free plasmid)를 유사하게 처리하여 대조군 스트레인인 iL3262를 제조하였다. 지놈 통합은 PCR에 의해 확인하였다.
The mutated SPT15 gene was cloned into the integration vector pRS406 and linearized with the unique Apa I position in URA3 and transformed into S326 cerevisiae with L3262. In addition, a control strain, iL3262, was prepared by similarly treating the clone-free plasmid (inset-free plasmid). Genome integration was confirmed by PCR.

발효Fermentation

지수적으로 성장하는 세포를 수득하여 100 ml의 YPD30E6[45% 글루코오스 및 6%(v/v) 에탄올로 보충된 YP]로 옮겼다. 시작 세포 밀도는 0.3의 OD600 값으로 조정하였다. 세포를 120 rpm으로 흔들면서 30℃에서 배양하였다. 시료를 12시간 마다 취한 후, 세포 성장 및 글루코오스 농도와 에탄올 농도를 각각 측정하였다.
Exponentially growing cells were obtained and transferred to 100 ml of YPD30E6 [YP supplemented with 45% glucose and 6% (v / v) ethanol]. Starting cell density was adjusted to an OD 600 value of 0.3. The cells were incubated at 30 ° C with shaking at 120 rpm. After taking samples every 12 hours, cell growth, glucose concentration and ethanol concentration were measured, respectively.

실험결과Experiment result

에탄올-저항성 스트레인들의 동정Identification of Ethanol-Resistant Strains

고속 스크리닝을 통해 에탄올-저항성을 부여하는 유전자들을 동정하기 위해, 저농도의 에탄올 저항성 백그라운드를 가지는 스트레인을 이용하는 것이 일반적으로 유용하다. 테스트된 여러 S. 세레비지에 실험실 스트레인들은 대부분의 에탄올 민감하였기 때문에(결과를 보이지 않음), L3262를 선택하여 효모 SPT15 돌연변이체 라이브러리를 구축하는 데 이용하였다. 에탄올 저항성 스트레인의 스크리닝을 위해, 5×106 CFU의 효모 라이브러리 스탁의 분취액을 12.5% 또는 15% 에탄올이 첨가된 고형 YSCD-Ura 배지에 플레이팅하였다. 에탄올 증발을 억제하기 위해 플레이트를 밀봉한 후 30℃에서 배양시켰다. 10일 후, 12.5% 또는 15% 에탄올의 존재 하에서 각각 9개 및 6개의 콜로니가 나타났다. 15개 콜로니의 에탄올 저항성을 15% 에탄올까지 포함하는 고형 YSCD-Ura 배지에서 스팟 어세이로 조사하였다. 그 결과, 5개의 에탄올 저항성 스트레인들(ETS; ETS1-5)를 얻었다. 모든 5개의 스트레인들은 합성 배지 하의 15% 에탄올에 저항성을 가진 반면에, 대조군은 10%를 초과하는 에탄올 농도에 저항성을 가지지 않았다(도 1A).In order to identify genes that confer ethanol-resistance through high-speed screening, it is generally useful to use strains with a low concentration of ethanol resistant background. Since the laboratory strains in the various S. cerevisiae tested were most ethanol sensitive (not showing results), L3262 was selected and used to build the yeast SPT15 mutant library. For the screening of ethanol resistant strains, aliquots of 5 × 10 6 CFU yeast library stocks were plated on solid YSCD-Ura medium supplemented with 12.5% or 15% ethanol. Plates were sealed and incubated at 30 ° C. to inhibit ethanol evaporation. After 10 days, 9 and 6 colonies respectively appeared in the presence of 12.5% or 15% ethanol. The ethanol resistance of 15 colonies was examined by spot assay in solid YSCD-Ura medium containing up to 15% ethanol. As a result, five ethanol resistant strains (ETS; ETS1-5) were obtained. All five strains were resistant to 15% ethanol under synthetic medium, whereas the control group was not resistant to ethanol concentrations above 10% (FIG. 1A).

증가된 에탄올 저항성이 돌연변이된 SPT15에 의해 부여되는 지 여부를 확인하기 위해, 플라스미드들을 ETS15(SPT15의 돌연변이된 대립형질들에 대해 각각 pSPT15-M1, -M2, -M3, -M4 및 -M5)로 회복시켰다. 상술한 플라스미드들이 개별적으로 L3262 및 By4741로 재도입되어 각각 rL-ETS1-5 및 rBY-ETS1-5가 제조되었다. 대조군 스트레인을 구축하기 위해, SPT15wt를 포함하는 pRS316-GCYH2gR가 L3262 및 By4741로 재도입되어 각각 C-L3262 및 C-By4741가 제조되었다. 합성 배지 상에서 실시된 스팟 어세이의 경우, rL-ETS1-5는 ETS1-5와 동일한 정로도 에탄올 저항성을 나타냈다(도 1B, 위쪽 패널). 반면에, rBY-ETS1-5는 17.5% 에탄올과 같은 높은 에탄올에서 저항성을 나타냈다(도 1B, 아래쪽 패널). 이는 BY4741이 기본적으로 L3262보다 더 높은 에탄올 저항성을 보였던 스트레인이기 때문에 놀라운 현상이 아니다(결과를 보이지 않음). 따라서, ETS1-5의 증가된 에탄올 저항성은 돌연변이된 SPT15의 효과로 간주할 수 있었다.To confirm whether increased ethanol resistance is conferred by mutated SPT15, plasmids were converted to ETS15 (pSPT15-M1, -M2, -M3, -M4 and -M5, respectively, for the mutated alleles of SPT15). Recovered. The plasmids described above were individually reintroduced into L3262 and By4741 to produce rL-ETS1-5 and rBY-ETS1-5, respectively. To construct the control strain, pRS316-GCYH2gR comprising SPT15wt was reintroduced into L3262 and By4741 to produce C-L3262 and C-By4741, respectively. For the spot assays carried out on the synthetic medium, rL-ETS1-5 showed ethanol resistance even in the same manner as ETS1-5 (FIG. 1B, top panel). In contrast, rBY-ETS1-5 showed resistance in high ethanol such as 17.5% ethanol (FIG. 1B, bottom panel). This is not surprising because BY4741 is basically a strain that showed higher ethanol resistance than L3262 (no results shown). Thus, increased ethanol resistance of ETS1-5 could be regarded as the effect of mutated SPT15.

다음으로, 돌연변이를 확인하기 위해 각 플라스미드들을 시퀀싱하였다. 표 1은 각 SPT15 대립형질에서 돌연변이된 아미노산을 기재하고 있다: SPT15-M1의 경우, K201N, G216S 및 N225Stop; SPT15-M2의 경우, L76V 및 L175S; SPT15-M3의 경우, S42N, C78R, S163P 및 I212N; SPT15-M4의 경우, F10S 및 M197K; SPT15-M5의 경우, K15T, W26C 및 G192D.Next, each plasmid was sequenced to identify mutations. Table 1 lists the mutated amino acids in each SPT15 allele: for SPT15-M1, K201N, G216S and N225Stop; L76V and L175S for SPT15-M2; For SPT15-M3, S42N, C78R, S163P and I212N; For SPT15-M4, F10S and M197K; For SPT15-M5, K15T, W26C and G192D.

SPT15 대립형질에서 발생된 점 돌연변이들.Point mutations occurring in the SPT15 allele. 스트레인Strain SPT15 대립형질SPT15 allele 아미노산 대체Amino acid substitutions 위치된 점 돌연변이의Of located point mutations
구조 도메인Structural domains aa
ETS1
ETS2
ETS3

ETS4
ETS5
ETS1
ETS2
ETS3

ETS4
ETS5
SPT15-M1b
SPT15-M2
SPT15-M3

SPT15-M4
SPT15-M5
SPT15-M1 b
SPT15-M2
SPT15-M3

SPT15-M4
SPT15-M5
K201N, G216S, N225Stop
L76V, L175S
S42N, C78R,
S163P, I212N
F10S, M197K
K15T, W26C, G192D
K201N, G216S, N225Stop
L76V, L175S
S42N, C78R,
S163P, I212N
F10S, M197K
K15T, W26C, G192D
S3'-S4' 루프, S5', H2'
S1-H1 루프, H1'
N-말단, S1-H1 루프,
S1', S5'
N-말단, S3'-S4' 루프
N-말단, N-말단, S3'
S3'-S4 'Loop, S5', H2 '
S1-H1 loop, H1 '
N-terminus, S1-H1 loop,
S1 ', S5'
N-terminal, S3'-S4 'loop
N-terminal, N-terminal, S3 '

a Chasman et al. (1993)에 기재된 바와 같은 구조 도메인 명칭: H, α-헬릭스; S, β-쉬트 a Chasman et al. Structural domain names as described in (1993): H, α-helix; S, β-sheet

b N225Sto으로 인한 C-말단에서 16개의 아미노산이 결실됨.
b 16 amino acids deleted at the C-terminus due to N225Sto.

특히, SPT15-M1에서의 침묵 돌연변이(silent mutation)는 C-말단에 16개의 잔기가 결실된 절단 형태(truncated version)를 생산하였다. 표 1에서 볼 수 있듯이, SPT15 ORF 전반에 걸쳐서 퍼져있는 점 돌연변이들은 증가된 에탄올 저항성과 관련된 구조 도메인에 위치하지 않았다. SPT15-M2만이 유전자 전사 조절에 있어서 더욱 초기에 포함된 Spt3p와 상호작용하는 도메인에 돌연변이(L175S)를 포함하였다. 상술한 데이터는 Spt15p의 여러 소구역(subregions)에서의 돌연변이가 에탄올 저항성을 부여한다는 제안과 일치하는데, 이는 Spt3p 이 외에도 전사 기전의 다른 구성성분들과의 상호작용을 통해 이루어질 것으로 추측된다.In particular, a silent mutation in SPT15-M1 produced a truncated version with 16 residues deleted at the C-terminus. As can be seen in Table 1, point mutations spread throughout the SPT15 ORF were not located in the structural domain associated with increased ethanol resistance. Only SPT15-M2 contained a mutation (L175S) in the domain that interacts with Spt3p, which is earlier included in gene transcriptional regulation. The above data is consistent with the suggestion that mutations in various subregions of Spt15p confer ethanol resistance, which is believed to be achieved through interaction with other components of the transcriptional mechanism in addition to Spt3p.

도 1B의 데이터에 따르면, ETS1은 ETS4 및 ETS5보다 덜 저항성을 나타냈으며, ETS2 및 ETS3는 ETS4 및 ETS5보다 약간 더(또는 적어도 동일한) 저항성을 나타냈다. 따라서, ETS2 및 ETS3를 향후 실험을 위해 선택하였다. 특정 유전자의 발현을 위해 이용되는 S. 세레비지에 실험실 스트레인들은 항상 아미노산 생합성에 관계된 효소들을 인코딩하는 많은 유전자들에서 서로 독립적인 돌연변이들을 가지기 때문에 제한된 배지에서 배양되는 경우 성장을 위한 특정 아미노산을 보충할 필요가 있다. 돌연변이된 SPT15가 아닌 저농도 루이신 보충으로 인해 증가된 에탄올 저항성이 나타날 수 있다는 것이 논쟁의 대상이었다(Baerends, R. J., et al., 2009). 보다 자세하게는, 세포가 산업적 적용에 적합하지 않은 YPD 복합물 풍부 배지에서 배양된 경우 에탄올 저항성이 파괴되었다. 또한, ETS2 및 ETS3의 성장을 위해 루이신 및 히스티딘 보충이 필요하기 때문에, 이들 스트레인들의 증가된 에탄올 저항성이 SPT15 돌연변이에 의한 것이 아닐 수 있다. 따라서, ETS2 및 ETS3의 에탄올 저항성이 YPD 상의 스팟 어세이로 테스트되었다. 도 1C에서 볼 수 있듯이, 도 1A의 데이터에 반하여 ETS2는 15% 에탄올에 민감한 반면에, ETS3는 합성 배지에서 보여진 결과와 유사한 에탄올 저항성을 나타냈다. 하지만, 합성 배지에서 15% 에탄올에 매우 민감하였던 C-L3262 스트렌인은 YPD 상에서 약간의 에탄올 저항성을 가지는 것처럼 보였는데, 이는 풍부 배지에서 에탄올 저항성의 기본 레벨이 합성 배지보다 더 높다는 것을 의미한다. 종합적인 데이터는 ETS3가 ETS2보다 YPD 상에서 에탄올에 대한 저항성이 더 크다는 결론과 일치하였다.According to the data of FIG. 1B, ETS1 showed less resistance than ETS4 and ETS5, and ETS2 and ETS3 showed slightly more (or at least the same) resistance than ETS4 and ETS5. Therefore, ETS2 and ETS3 were selected for future experiments. S. cerevisiae laboratory strains used for the expression of specific genes always have mutations that are independent of each other in many genes encoding enzymes involved in amino acid biosynthesis, so they can supplement specific amino acids for growth when grown in a limited medium. There is a need. It was controversial that increased ethanol resistance could result from low leucine supplementation rather than mutated SPT15 (Baerends, RJ, et al. , 2009). More specifically, ethanol resistance was destroyed when cells were cultured in YPD complex rich media that were not suitable for industrial applications. In addition, because leucine and histidine supplementation are required for the growth of ETS2 and ETS3, the increased ethanol resistance of these strains may not be due to SPT15 mutations. Thus, ethanol resistance of ETS2 and ETS3 was tested with a spot assay on YPD. As can be seen in FIG. 1C, ETS2 was sensitive to 15% ethanol against the data of FIG. 1A, whereas ETS3 showed ethanol resistance similar to the results seen in synthetic media. However, C-L3262 Strainin, which was very sensitive to 15% ethanol in the synthetic medium, appeared to have some ethanol resistance on YPD, which means that the base level of ethanol resistance in the rich medium is higher than the synthetic medium. The overall data were in agreement with the conclusion that ETS3 is more resistant to ethanol on YPD than ETS2.

발현 상의 세포-세포 이질성(heterogeneity)는 실험실 스트레인들에서 에피좀 과다발현으로부터 얻어진 정보가 산업적 적용으로까지 확대된 경우에 직면할 수 있는 문제들 중 하나이다. 이질성은 산업적 적용에서 효모 배양을 위해 임의대로 선택할 수 없는 선택 압력(selective pressures)의 지속적인 존재에도 불구하고 카피 수를 조절할 수 없음으로 인해 야기된다. 따라서, 선택 압력의 부재(즉, 염색체로의 통합) 하에서 유전자의 안정적인 발현 및 유지가 매우 바람직하다. 본 발명에서, 본 발명자들은 SPT15-M2 및 -M3가 L3262의 지놈에 통합된 스트레인들을 구축하였다: 상응하는 컨스트럭트를 각각 iETS2 및 iETS3로 명명하였다. 대조군 스트레인인 iL3262는 SPT15wt를 포함하는 플라스미드로 제조하였다. 도 1D는 YSCD(위쪽 패널) 및 YPD(아래쪽 패널)에서 상기 3개의 스트레인들의 스팟 어세이 결과를 보여준다. YSCD에서 iETS2 및 iETS3의 에탄올 저항성 정도는 YPD에서와 모두 유사하였다(도 1C). 즉, YPD에서 iETS2 및 iETS3가 YSCD에서보다 더 높은 에탄올 저항성을 가졌는데, 둘 간의 차이는 15% 에탄올 농도에서 조차도 관찰되지 않았다.Cell-cell heterogeneity in expression is one of the problems that may be encountered when information obtained from episomal overexpression in laboratory strains extends to industrial applications. Heterogeneity is caused by the inability to control the copy number in spite of the constant presence of selective pressures that are not arbitrarily selectable for yeast culture in industrial applications. Thus, stable expression and maintenance of genes in the absence of selection pressure (ie integration into the chromosome) is highly desirable. In the present invention, we constructed strains in which SPT15-M2 and -M3 were integrated into the genome of L3262: the corresponding constructs were named iETS2 and iETS3, respectively. Control strain iL3262 was prepared from a plasmid containing SPT15wt. 1D shows the spot assay results of the three strains in YSCD (top panel) and YPD (bottom panel). The degree of ethanol resistance of iETS2 and iETS3 in YSCD was similar as in YPD (FIG. 1C). That is, in YPD iETS2 and iETS3 had higher ethanol resistance than in YSCD, the difference between the two was not observed even at 15% ethanol concentration.

스팟 어세이 결과들을 다시 확인하기 위해, 12.5% 및 15%에 대한 민감성을 조사하였다. 두 스트레인들의 생존율이 12.5% 및 15% 에탄올 모두에서 대조군에 비해 현저하게 증가하였다(도 2). 12.5% 에탄올에서 50% 생존율(T50)을 나타내는 시간은 ETS2 및 ETS3의 경우 4.5시간이었으며, 대조군에서는 3.5시간이었다. 15% 에탄올에서는 T50은 ETS2 및 ETS3의 경우 100분, 그리고 대조군에서는 40분으로 더욱 큰 차이가 관찰되었다. 스팟 어세이 데이터와 함께 상술한 데이터는 ETS2 및 ETS3가 SPT15 돌연변이에 의해 증가된 에탄올 저항성을 가진다는 것을 확증하였다.To reconfirm spot assay results, the sensitivity to 12.5% and 15% was examined. Survival of both strains was significantly increased compared to the control in both 12.5% and 15% ethanol (FIG. 2). The time to show 50% survival (T 50 ) in 12.5% ethanol was 4.5 hours for ETS2 and ETS3 and 3.5 hours for the control group. In 15% ethanol, a greater difference was observed in T 50 with 100 minutes for ETS2 and ETS3 and 40 minutes for control. The data described above along with the spot assay data confirmed that ETS2 and ETS3 have increased ethanol resistance by SPT15 mutations.

증가된 에탄올 저항성을 가진 5개의 스트레인들은 SPT15 돌연변이체 라이브러리 스크리닝을 통해 얻어졌다. 플라스미드들이 이들 스트레이들로부터 회복되어 라이브러리 구축(L3262) 및 다른 스트레인(BY4741)에 이용된 스트레인에 다시 형질전환되었다. 또한, 새롭게 구축된 모든 스트레인들도 제한된 배지에서 증가된 에탄올 저항성을 나타냈다. ETS2 및 ETS3의 증가된 에탄올 저항성은 복합 풍부 배지에서도 유지되었기 때문에, 이전에 논쟁(Baerends, R. J., et al., 2009)과 같은 증가된 에탄올 저항성이 특정 SPT15 돌연변이체 대립형질에 의한 루이신 섭취 및/또는 이용의 활성화에 의해 부여된다는 가능성을 배제하였다. ETS2 및 ETS3의 증가된 에탄올 저항성은 에탄올 민감성에 따른 에탄올 충격에 의해 확인되었다. 증가된 에탄올 저항성은 2개의 통합된 스트레인들에서 추가적으로 관찰되었는데, ETS2 및 ETS3로부터 유래된 이들 SPT15 돌연변이체 대립형질들은 L3262 지놈 상에 통합되었다.
Five strains with increased ethanol resistance were obtained through SPT15 mutant library screening. Plasmids were recovered from these strains and transformed back into the strains used for library construction (L3262) and other strains (BY4741). In addition, all newly constructed strains also showed increased ethanol resistance in limited media. Since the increased ethanol resistance of ETS2 and ETS3 was also maintained in complex rich media, increased ethanol resistance, as previously discussed (Baerends, RJ, et al. , 2009), showed that leucine uptake by certain SPT15 mutant alleles and And / or the possibility of being imparted by activation of use. Increased ethanol resistance of ETS2 and ETS3 was confirmed by ethanol impact with ethanol sensitivity. Increased ethanol resistance was additionally observed in two integrated strains, with these SPT15 mutant alleles derived from ETS2 and ETS3 integrated on the L3262 genome.

에탄올 생산에서 돌연변이된 SPT15s의 효과 및 고농도 글루코오스 하에서 성장률Effect of Mutated SPT15s on Ethanol Production and Growth Rate under High Glucose

에탄올 저항성에 관한 기작을 이해하는 것 이외에도, 에탄올 저항성 스트레인의 제조 목적은 에탄올 생산성 및/또는 최종 수율을 개선하는 것이다. 대조군 스트레인과 비교하여, 증가된 에탄올 저항성을 가진 스트레인들은 에탄올의 독성 효과를 보다 더 잘 대처할 수 있을 것으로 추측된다(Ding, J., et al., 2009). 표현형질적으로 규명된 이후, 증가된 에탄올 저항성의 효과는 일반적으로 글루코오스를 30%까지 포함하는 복합 풍부 배지에서 배치 배양으로부터 가장 높은 에탄올 역가를 측정함으로써 결정된다(Hong, M. E., et al., 2009; Hou, L., 2009; Hou, L., et al., 2009; Teixeira, MC., et al., 2009). 하지만, 상술한 연구들에서의 수율은 현저하게 개선되지 않았고 대조군 스트레인과 비교하여 10% 정도로만 증가하였다. 이러한 원인은 이용되는 대부분의 실험실 부모 스트레인들이 기본적으로 에탄올의 최대 레벨을 생산할 수 있어서 증가된 에탄올 저항성의 효과를 관찰하기 어렵기 때문일 것이다. 따라서, 부모 스트레인들의 기본적인 에탄올-생산 능력을 거의 초과하지 않는 에탄올 농도에서만 그러한 효과를 관찰하는 것이 가능할 것이다. In addition to understanding the mechanisms for ethanol resistance, the purpose of producing ethanol resistant strains is to improve ethanol productivity and / or final yield. Compared to control strains, it is speculated that strains with increased ethanol resistance could better cope with the toxic effects of ethanol (Ding, J., et al. , 2009). After phenotypic characterization, the effect of increased ethanol resistance is generally determined by measuring the highest ethanol titers from batch cultures in complex rich media containing up to 30% glucose (Hong, ME, et al. , 2009; Hou, L., 2009; Hou, L., et al. , 2009; Teixeira, MC., Et al. , 2009). However, the yields in the above studies did not significantly improve and only increased by 10% compared to the control strain. This may be because most of the laboratory parent strains used are able to produce essentially maximum levels of ethanol, making it difficult to observe the effect of increased ethanol resistance. Thus, it would be possible to observe such an effect only at ethanol concentrations that rarely exceed the basic ethanol-producing capacity of the parent strains.

본 발명의 ETS3 스트레인은 고농도 글루코오스 또는 수크로오스에 의해 유발된 고삼투압에 대한 저항성을 가진다. 도 3에서 확인할 수 있듯이, 본 발명의 ETS3 스트레인은 다양한 농도의 글루코오스 및 수크로오스(예컨대, 20%, 30% 또는 40%)에서 대조군과 비교하여 더 높은 성장률을 나타냈다. 특히, ETS3는 대조군(Sc L3262)에 비해 높은 글루코오스 농도인 40% 글루코오스에서 더욱 우수한 성장률을 나타냈다. 또한, 30% 글루코오스-YPD에서의 발효 실험인 도 4의 결과를 살펴보면, 본 발명의 삼투-저항성 스트레인인 ETS3가 에탄올 발효와 밀접한 관련이 있음이 명확하다. 즉, 50% 글루코오스 하의 배양에 있어서 본 발명의 ETS3 스트레인은 대조군(Sc 3262)과 비교하여 72시간을 기준으로 70.3%의 증가된 에탄올 생산량을 나타냈다(ETS3에서는 63 g/L; 및 대조군에서는 37 g/L). 따라서, ETS3는 본 발명에서 이용된 실험 조건에서 대조군보다 약 70% 정도 더 높은 발효 능력을 나타냈다.
The ETS3 strain of the present invention is resistant to high osmotic pressure caused by high glucose or sucrose. As can be seen in Figure 3, the ETS3 strain of the present invention showed higher growth rates compared to the control at various concentrations of glucose and sucrose (eg, 20%, 30% or 40%). In particular, ETS3 showed better growth rate at 40% glucose, a higher glucose concentration than the control (Sc L3262). In addition, looking at the results of Figure 4, a fermentation experiment in 30% glucose-YPD, it is clear that the osmo-resistant strain ETS3 of the present invention is closely related to ethanol fermentation. That is, in culture under 50% glucose, the ETS3 strain of the present invention showed an increased ethanol production of 70.3% based on 72 hours compared to the control (Sc 3262) (63 g / L in ETS3; and 37 g in the control). / L). Thus, ETS3 showed about 70% higher fermentation capacity than the control under the experimental conditions used in the present invention.

이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술 하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 구현 예일 뿐이며, 이에 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백하다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항과 그의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be construed as limiting the scope of the present invention. Thus, the substantial scope of the present invention will be defined by the appended claims and equivalents thereof.

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Claims (14)

야생형 SPT15 유전자의 S42, C78, S163 및 I212 위치의 아미노산 서열이 돌연변이된 아미노산 서열을 포함하는 돌연변이(mutation)된 SPT15 유전자를 포함하는 삼투(osmosis)-저항성 형질변형 효모 균주.
An osmosis-resistant transformed yeast strain comprising a mutated SPT15 gene comprising a mutated amino acid sequence of the amino acid sequence at positions S42, C78, S163 and I212 of the wild type SPT15 gene.
삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서, 상기 돌연변이된 SPT15 유전자는 야생형 SPT15 유전자의 S42, C78, S163 및 I212 위치의 아미노산 서열이 S42N, C78R, S163P 및 I212N로 변이된 돌연변이 서열을 포함하는 돌연변이된 SPT15 유전자인 것을 특징으로 하는 효모 균주.
The method of claim 1, wherein the mutated SPT15 gene is a mutated SPT15 gene comprising a mutated sequence of the amino acid sequence of the S42, C78, S163 and I212 position of the wild-type SPT15 gene to S42N, C78R, S163P and I212N Yeast strain.
제 1 항에 있어서, 상기 돌연변이된 SPT15 유전자는 플라스미드로 효모 세포에 도입되는 것을 특징으로 하는 효모 균주.
The yeast strain according to claim 1, wherein the mutated SPT15 gene is introduced into yeast cells as a plasmid.
제 1 항에 있어서, 상기 돌연변이된 SPT15 유전자는 효모 세포의 지놈(genomic) DNA에 도입되는 것을 특징으로 하는 효모 균주.
The yeast strain of claim 1, wherein the mutated SPT15 gene is introduced into genomic DNA of the yeast cell.
제 1 항에 있어서, 상기 효모 균주는 30-40% 글루코오스 또는 수크로오스 배양 조건에서 성장할 수 있는 것을 특징으로 하는 효모 균주.
The yeast strain of claim 1, wherein the yeast strain is capable of growing under 30-40% glucose or sucrose culture conditions.
제 1 항에 있어서, 상기 효모 균주는 에탄올에 대한 저항성을 추가적으로 가지는 것을 특징으로 하는 효모 균주.
The yeast strain according to claim 1, wherein the yeast strain further has resistance to ethanol.
제 8 항에 있어서, 상기 효모 균주는 5-15% 에탄올 배양 조건에서 성장할 수 있는 것을 특징으로 하는 효모 균주.
9. The yeast strain according to claim 8, wherein the yeast strain can grow under 5-15% ethanol culture conditions.
제 1 항에 있어서, 상기 효모 균주는 사카로마이세스 종(Saccharomyces spp.), 시조사카로마이세스 종(Schizosaccharomyces spp.), 피키아 종(Pichia spp.), 파피아 종(Paffia spp.), 클루이베로미세스 종(Kluyveromyces spp.), 칸디다 종(Candida spp.), 탈라로미세스 종(Talaromyces spp.), 브레타노미세스 종(Brettanomyces spp.), 파키솔렌 종(Pachysolen spp.), 데바리오미세스 종(Debaryomyces spp.) 또는 산업적인 배수체(polyploid) 효모 균주인 것을 특징으로 하는 효모 균주.
According to claim 1, wherein the yeast strain Saccharomyces spp ( Saccharomyces spp.), Schizosaccharomyces spp., Pichia spp., Paffia spp. , Cluj Vero MRS species (Kluyveromyces spp.), Candida species (Candida spp.), Tallahassee in MRS species (Talaromyces spp.), Brescia Gaetano MRS species (Brettanomyces spp.), Parkinson solren species (Pachysolen spp.), Deva Rio Yeast strain, characterized in that it is a debaryomyces spp. Or industrial polyploid yeast strain.
제 10 항에 있어서, 상기 효모 균주는 사카로마이세스 종인 것을 특징으로 하는 효모 균주.
11. The yeast strain according to claim 10, wherein said yeast strain is Saccharomyces species.
제 1 항의 돌연변이된 SPT15 유전자가 삽입된 효모 균주를 에탄올로 대사될 수 있는 하나 이상의 기질을 포함하는 배양배지에서 배양하는 단계를 포함하는 에탄올 생산방법.
The ethanol production method comprising the step of culturing the yeast strain into which the mutated SPT15 gene of claim 1 is inserted in a culture medium comprising at least one substrate capable of being metabolized to ethanol.
제 12 항에 있어서, 상기 에탄올로 대사될 수 있는 기질은 C6 당(sugars)을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
13. The method of claim 12, wherein the substrate capable of metabolizing ethanol comprises C6 sugars.
제 13 항에 있어서, 상기 C6 당은 글루코오스인 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 13, wherein the C6 sugar is glucose.
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