KR101383829B1 - Mutant Strains for Producing 2,3-butanediol - Google Patents

Mutant Strains for Producing 2,3-butanediol Download PDF

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Abstract

본 발명은 wabG 유전자가 불활성화(inactivation) 되어 있고 비병원성을 나타내며 wabG 유전자를 갖는 야생형과 비교하여 2,3-부탄다이올 생산능이 유사한 클렙시엘라(Klebsiella) 변이 균주에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 본 발명의 비병원성 2,3-부탄다이올 제조용 클렙시엘라은 야생종과 비교하여 유사한 성장률을 나타내면서 2,3-부탄다이올을 안정적으로 생산한다. 또한, 비병원성 2,3-부탄아이올 제조용 클렙시엘라이므로 2,3-부탄다이올 생산에 안전하기 이용할 수 있다.The present invention is a wabG gene activation (inactivation) represents a non-pathogenic and non-related to 2,3-butane diol when producing ability similar keulrep Ella (Klebsiella) mutant strain compared to the wild-type gene having a wabG. According to the present invention, the Klebsiella for the production of non-pathogenic 2,3-butanediol of the present invention stably produces 2,3-butanediol with similar growth rates as compared to wild species. In addition, since it is Klebsiella for the production of non-pathogenic 2,3-butane iol, it can be used safely to produce 2,3-butanediol.

Description

2,3-부탄다이올 생산을 위한 클렙시엘라 변이 균주{Mutant Strains for Producing 2,3-butanediol}Mutant strains for producing 2,3-butanediol

본 발명은 2,3-부탄다이올 생산을 위한 클렙시엘라 변이 균주, 이를 이용한 2.3-부탄다이올 제조 및 이로부터 생산된 2,3-부탄다이올에 관한 것이다.
The present invention relates to a Klebsiella mutant strain for producing 2,3-butanediol, 2.3-butanediol using the same, and 2,3-butanediol produced therefrom.

2,3-부탄다이올은 대량 화학물질(bulk chemical)의 한 종류로써 다양한 바이오 공정을 통해 얻어진다. 또한 탈수소화 반응, 에스테르화 반응 등의 화학적 전환을 통해 1,3-부타디엔, 다이아세틸, 메틸 에틸 케톤과 같은 물질로 전환이 되며, 이 물질들은 고무의 재료, 연료 첨가제, 부동액, 화장품과 의약품까지 그 응용 범위가 매우 넓은 고부가 물질로 전환되어 질 수 있다. 이러한 2,3-부탄다이올을 생산하는 대표적인 미생물로는 클렙시엘라 뉴모니에(klebsiella pneumoniae), 클렙시엘라 옥시토카(klebsiella oxytoca), 엔테로박터 에어로진스(enterobacter aerogenes) 등이 있다. 이 중 클렙시엘라 뉴모니에(klebsiella pneumoniae), 클렙시엘라 옥시토카(klebsiella oxytoca)는 많은 2,3-부탄다이올을 생산하는 균주들로 알려져 있으며 많은 연구가 진행중이다. 하지만 클렙시엘라 뉴모니에(klebsiella pneumoniae), 클렙시엘라 옥시토카(klebsiella oxytoca)는 기회감염성 특성을 가지고 있으며, 병원 감염의 주요 원인 균이다. 호흡기 감염을 통해 폐렴을 유발하고 균혈증, 요로감염, 상처감염을 일으킨다. 이러한 여러 가지 질병을 일으키는 클렙시엘라 종의 병원성을 제거한다면 2,3-부탄다이올 생산에 있어서 안전하게 이용할 수 있을 것이다. 클렙시엘라 종이 가지는 병원성의 주원인은 캡슐 폴리사카라이드(Capsulpolysaccharide), 리포폴리사카라이드(Lipopolysacchardie), 편모(Fili)등이 있다. 이 중 리포폴리사카라이드(Lipopolysacchardie)는 외막의 구성성분 중에 하나이고 내독소를 가지며 여러 가지 화학적인 공격으로부터 클렙시엘라를 보호 하는 역할을 한다.
2,3-butanediol is a type of bulk chemical obtained through various bioprocesses. In addition, chemical conversion such as dehydrogenation and esterification leads to the conversion of substances such as 1,3-butadiene, diacetyl and methyl ethyl ketone, which can be applied to rubber materials, fuel additives, antifreeze, cosmetics and pharmaceuticals. It can be converted into high value materials with a very wide range of applications. Representative microorganisms that produce such 2,3-butanediol are klebsiella pneumoniae), keulrep when Ella oxy cytokine (klebsiella oxytoca ), enterobacter aerogenes ( enterobacter aerogenes ). This one (klebsiella pneumoniae in keulrep when Ella pneumoniae ) and klebsiella oxytoca are known to produce many 2,3-butanediol strains and many studies are underway. However, klebsiella pneumoniae and klebsiella oxytoca are opportunistic and are the main cause of pathogen infection. It causes pneumonia through respiratory infections and causes bacteremia, urinary tract infections, and wound infections. Eliminating the pathogenicity of Klebsiella spp. That causes these various diseases could be used safely in 2,3-butanediol production. The main causes of pathogenicity of Klebsiella spp. Include capsulpolysaccharide, lipopolysacchardie and flagella. Lipopolysaccharide (Lipopolysacchardie) is one of the components of the outer membrane, has endotoxins and serves to protect Klebsiella from various chemical attacks.

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 신재생에너지 자원인 탄화수소 형태의 화합물을 제조하기 위해 2,3-부탄다이올을 생산할 수 있는 안전한 비병원성 클렙시엘라(klebsiella) 변이 균주를 개발하고자 노력하였다. 그 결과, 2,3-부탄다이올을 생성하는 클렙시엘라 종의 wabG 유전자를 불활성화함으로써, 안전한 2,3-부탄다이올 생산용 클렙시엘라 변이 균주를 제조할 수 있음을 확인함으로써, 본 발명을 완성하였다.The present inventors have made intensive studies to develop a safe non-pathogenic when keulrep Ella (klebsiella) mutant strain capable of producing 2,3-butane diol for the preparation of compounds of hydrocarbon type of renewable energy sources. As a result, by inactivating the wabG gene of Klebsiella spp. Producing 2,3-butanediol, it was confirmed that a safe Klebsiella mutant strain for producing 2,3-butanediol can be prepared. The invention was completed.

따라서, 본 발명의 목적은 클렙시엘라 변이 균주 제공하는 데 있다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a Klebsiella mutant strain.

본 발명의 다른 목적은 2,3-부탄다이올 제조방법을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a method for producing 2,3-butanediol.

본 발명의 또 다른 목적은 2,3-부탄다이올을 제공하는 데 있다.
It is another object of the present invention to provide 2,3-butanediol.

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 일 양태에 따르면, 본 발명은 wabG 유전자가 불활성화(inactivation) 되어 있고 비병원성을 나타내며 wabG 유전자를 갖는 야생형과 비교하여 2,3-부탄다이올 생산능이 유사한 클렙시엘라(Klebsiella) 변이 균주를 제공한다.
According to one aspect of the invention there is provided wabG gene is inactivated (inactivation), and is to indicate the non-pathogenic compared to the wild type gene with the wabG 2,3-butane diol similar keulrep when Ella (Klebsiella) ability producing mutant strain To provide.

본 발명자들은 신재생에너지 자원인 탄화수소 형태의 화합물을 제조하기 위해 2,3-부탄다이올을 생산할 수 있는 안전한 비병원성 클렙시엘라(klebsiella) 변이 균주를 개발하고자 노력하였다. 그 결과, 2,3-부탄다이올을 생성하는 클렙시엘라 종의 wabG 유전자를 불활성화함으로써, 안전한 2,3-부탄다이올 생산용 클렙시엘라 변이 균주를 제조할 수 있음을 확인하였다.The present inventors have made intensive studies to develop a safe non-pathogenic when keulrep Ella (klebsiella) mutant strain capable of producing 2,3-butane diol for the preparation of compounds of hydrocarbon type of renewable energy sources. As a result, it was confirmed that by inactivating the wabG gene of Klebsiella spp. Producing 2,3-butanediol, a safe Klebsiella mutant strain for producing 2,3-butanediol can be prepared.

본 발명의 기본적인 전략은 다양한 클렙시엘라에서 발견되는 wabG를 불활성화 시키는 것이다. wabG는 클렙시엘라의 외막을 구성하는 성분 중 하나인 리포폴리사카라이드(lipopolysaccharide)의 코어(core) 생합성에 관련된다.The basic strategy of the present invention is to inactivate wabG found in various Klebsiella. wabG is involved in the core biosynthesis of lipopolysaccharide, one of the components that make up the outer membrane of Klebsiella.

불활성화 대상이 되는 wabG는 다양한 클렙시엘라에서 발견되고 동정되었다. 하기의 실시예에서는 서열목록 제1서열 내지 제6서열의 클렙시엘라 뉴모니에 및 클렙시엘라 옥시토카의 wabG가 예시되어 있으나, 이외에도 다양한 wabG가 본 발명에 포함된다. 예를 들어, GenBank 접근번호 JN377744 (Klebsiella pneumoniae), 접근번호 NC_013508(Edwardsiella tarda), 접근번호 A6RW62(Botryotinia fuckeliana), 접근번호 NC_014378(Acetohalobium arabaticum) 및 접근번호 JH417870(Yokenella regensburgei)에 개시된 wabG가 본 발명에서 불활성화 대상이 될 수 있다.Inactivating wabG has been found and identified in various Klebsiella. In the following examples, wabG of Klebsiella pneumoniae and Klebsiella oxytoca of SEQ ID NOS: 1 to 6 are exemplified, but various wabGs are included in the present invention. For example, GenBank Accession Number JN377744 ( Klebsiella pneumoniae ), Accession Number NC_013508 ( Edwardsiella tarda ), accession number A6RW62 ( Botryotinia fuckeliana ), accession number NC_014378 ( Acetohalobium arabaticum ) and wabG disclosed in accession number JH417870 ( Yokenella regensburgei ) may be subject to inactivation in the present invention.

본 명세서에서 wabG를 언급하면서 사용되는 용어, “불활성화(inactivation)”란 유전자의 전사 또는 해독, 유전자 산물의 활성의 손상(impairment)을 초래하는 wabG의 지놈 열상에서의 변형(modifications)을 의미한다. 이런 유전자 변형은 wabG 코딩 서열의 불활성화뿐만 아니라 이의 프로모터의 불활성화도 포함될 수 있다. 효모 지놈 상에서 목적한 유전자만의 특이적 불활성화는 코딩하는 유전자의 전체 또는 하나 이상의 부분 영역에서 치환, 삽입, 결실 또는 이들의 조합을 통하여 돌연변이시킴으로서 가능하다. 예들 들어, 유전자의 결실 및 유전자로의 이형 서열(heterogenous sequence)의 삽입은 유전자의 절단(truncation), 넌센스 돌연변이(nonsense mutation), 프레임쉬프트 돌연변이(frameshift mutation), 미스센스 돌연변이(missense mutation) 등을 초래할 수 있다. 이러한 유전자의 특이적 불활성화는 당 분야에서 확립된 방법을 통하여 수행할 수 있다.The term " inactivation " as used herein in reference to wabG refers to modifications in the genomic lobes of wabG that result in transcription or translation of the gene or impairment of activity of the gene product . Such genetic modification may include not only inactivation of the wabG coding sequence but also inactivation of its promoter. The specific inactivation of only the gene of interest in the yeast genome is possible by mutation through substitution, insertion, deletion, or a combination thereof in all or at least one subdomain of the coding gene. For example, deletion of a gene and insertion of a heterogenous sequence into a gene can be accomplished by truncation of a gene, nonsense mutation, frameshift mutation, missense mutation, etc. . Specific deactivation of these genes can be accomplished through methods established in the art.

본 명세서에서 wabG를 언급하면서 사용되는 용어, “결실(deletion)”은 wabG의 기능을 상실케 하는 모든 결실 변이를 포함하는 의미를 갖는다. 예를 들어, wabG 유전자의 결실은 wabG 코딩 서열의 부분 결실 또는 전체 결실을 모두 포함한다.The term " deletion " as used herein in reference to wabG has the meaning of including all deletion mutations that disrupt the function of wabG . For example, deletion of the wabG gene includes both partial deletion or complete deletion of the wabG coding sequence.

이러한 wabG 코딩 서열의 결실은 당업계에 공지된 다양한 변이유발(mutagenesis) 방법을 통하여 실시할 수 있다. 예컨대, wabG 코딩 서열의 결실은 PCR 돌연변이 유발법 및 카세트 돌연변이 유발법으로 실시할 수 있다(Sambrook, J. et al., Molecular Cloning . A Laboratory Manual, 3rd ed. Cold Spring Harbor Press(2001)).Deletion of such wabG coding sequences can be accomplished through a variety of mutagenesis methods known in the art. For example, deletion of the wabG coding sequence can be carried out by PCR mutagenesis and cassette mutagenesis (Sambrook, J. et al., Molecular Cloning . A Laboratory Manual , 3rd ed. Cold Spring Harbor Press (2001).

바람직하게는, 상기 클렙시엘라는 클렙시엘라 뉴모니에(Klebsiella pneumoniase), 클렙시엘라 옥시톡카(Klebsiella oxytoca), 클렙시엘라 그래눌로마티스(Klebsiella granulomatis) 또는 클렙시엘라 테리제나(Klebsiella terigena), 보다 바람직하게는, 클렙시엘라 뉴모니에(Klebsiella pneumoniase) 또는 클렙시엘라 옥시톡카(Klebsiella oxytoca)이다.Preferably, the Klebsiella Klebsiella pneumoniase ), Klebsiella oxytoca ), Klebsiella granulomatis ) or Klebsiella terigena ), more preferably Klebsiella pneumoniase ) or Klebsiella oxytoca .

바람직하게는, wabG 유전자를 불활성화한 클렙시엘라 변이 균주는 캡슐 폴리사카라이드(capsule polysaccharide)가 없다.Preferably, the Klebsiella mutant strain that inactivates the wabG gene is free of capsule polysaccharides.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 본 발명의 wabG 유전자가 결실된 클렙시엘라 변이 균주는 클렙시엘라 야생형과 비교하여, 군집 형태가 균일하지 않고 캡슐 폴리사카라이드가 결실된다.According to a preferred embodiment of the present invention, the Klebsiella mutant strain lacking the wabG gene of the present invention, compared with the Klebsiella wild type, is not homogeneous in cluster form and deletes the capsular polysaccharide.

클렙시엘라의 글루코스(glucose) 대사과정에 따르면, 글루코스는 피루브산을 거쳐 2,3-부탄다이올을 생산하게 되며, 아세테이트 및 락테이트와 같은 부산물도 함께 생산된다. 효율적인 2,3-부탄다이올의 생산을 위해서는, 부산물의 생성을 감소시켜야 한다.According to Klebsiella's glucose metabolism, glucose produces 2,3-butanediol via pyruvic acid and by-products such as acetate and lactate. For efficient production of 2,3-butanediol, the production of by-products must be reduced.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 본 발명의 클렙시엘라 변이 균주는 클렙시엘라 야생형과 비교하여, 유사한 2,3-부탄다이올 생산능을 갖는다.According to a preferred embodiment of the present invention, the Klebsiella mutant strains of the present invention have similar 2,3-butanediol production capacity as compared to the Klebsiella wild type.

본 명세서에서, 용어 “유사한”은 클렙시엘라 변이 균주의 2,3-부탄다이올 생산능이 클렙시엘라 야생종의 2,3-부탄다이올 생산능과 비교하여 0-40% 범위 내의 차이를 갖는 것을 의미한다.As used herein, the term “similar” means that the 2,3-butanediol production capacity of the Klebsiella mutant strain has a difference within the range of 0-40% compared to the 2,3-butanediol production capacity of the Klebsiella wild species. Means that.

바람직하게는 본 발명의 클렙시엘라 변이 균주는 야생형과 비교하여 2,3-부탄다이올 생산능이 동일하거나 또는 1-40% 감소되어 있다.Preferably, the Klebsiella mutant strains of the present invention have the same 2,3-butanediol production capacity or 1-40% reduction compared to wild type.

본 명세서 용어 “2,3-부탄다이올 생산능”는 클렙시엘라 균주가 대사산물로서 2,3-부탄다이올을 생산하는 능력을 의미하며, 적합한 탄소원(예컨대, 글루코스)을 이용하여 통상적인 배양방법에 따라 클렙시엘라 균주를 배양하는 경우, 정지기(stationary phase) 시점에서의 클렙시엘라 균주에 의해 생산되는 2,3-부탄다이올의 양을 적합한 분석기[예컨대, HPLC(High-performance liquid chromatography)]로 정량화 한 것을 의미한다.As used herein, the term “2,3-butanediol producing ability” refers to the ability of a Klebsiella strain to produce 2,3-butanediol as a metabolite, and is commonly used using a suitable carbon source (eg, glucose). When culturing Klebsiella strains according to the culture method, the amount of 2,3-butanediol produced by Klebsiella strains at the stationary phase time point is analyzed by a suitable analyzer (eg, HPLC (High-performance). liquid chromatography).

보다 바람직하게는, 본 발명의 클렙시엘라 변이 균주는 야생형과 비교하여 2,3-부탄다이올 생산능이 1-35% 감소되어 있으며, 가장 바람직하게는 1-30% 감소 되어 있다. 이러한 감소의 원인은 유전자 제거에 의한 생산성 저하 및 야생형과 비교하여 상대적으로 적은 탄소 소모량으로 인해 2,3-부탄다이올의 생산이 감소된 것으로 판단된다. 이는 반복적인 배양을 통해 탄소 소모량을 높여 2,3-부탄다이올의 생산능을 증가시킬 수 있다.More preferably, the Klebsiella mutant strain of the present invention has a 1-35% reduction in 2,3-butanediol production capacity, and most preferably 1-30% reduction compared to the wild type. The cause of this decrease is that the production of 2,3-butanediol is reduced due to the decrease in productivity by gene removal and relatively low carbon consumption compared to wild type. This may increase the carbon consumption through repeated cultures to increase the production capacity of 2,3-butanediol.

바람직하게는, 본 발명의 클렙시엘라 변이 균주는 야생형과 비교하여 배양 시 글루코스(glucose) 소모능이 동일하거나 또는 1-15% 감소되어 있다.Preferably, the Klebsiella mutant strains of the present invention have the same or 1-15% reduced glucose consumption in culture compared to the wild type.

본 명세서 용어 “글루코스 소모능”은 클렙시엘라 균주가 통상적인 배양방법에 따라 탄소원으로 글루코스를 소모하는 능력을 의미하며, 배양 초기 클렙시엘라 배양 배지 안에 첨가되는 글루코스는 클렙시엘라가 생장하면서 탄소원인 글루코스를 대사의 초기물질로 소모하게 되어, 점진적으로 감소한다. 클렙시엘라 배양 배지 내의 글루코스 양을 적합한 분석방법[예를 들어, 베네딕트법 및 DNS(Dinitrosalicylic acid)법]으로 정량화 한 것을 의미한다.As used herein, the term “glucose consumption capacity” refers to the ability of a Klebsiella strain to consume glucose as a carbon source according to a conventional culture method, and glucose added to the Klebsiella culture medium at the initial stage of culture is a source of carbon as Klebsiella grows. Phosphorus glucose is consumed as an early metabolite, and gradually decreases. The amount of glucose in Klebsiella culture medium is quantified by a suitable assay method (eg, Benedict method and DNS (Dinitrosalicylic acid method) method).

보다 바람직하게는 클렙시엘라 변이 균주는 야생형과 비교하여 배양 시 글루코스(glucose) 소모능은 1-10% 감소되어 있다. More preferably, the Klebsiella mutant strain has a 1-10% decrease in glucose consumption in culture compared to the wild type.

바람직하게는, 본 발명의 클렙시엘라 변이 균주는 야생형과 비교하여 배양 시 락테이트(lactate) 생산능이 80-100% 감소되어 있다.Preferably, the Klebsiella mutant strain of the present invention has a lactate production capacity of 80-100% reduced in culture compared to the wild type.

본 명세서 용어 “락테이트 생산능”은 클렙시엘라 균주가 대사 부산물로서 락테이트를 생산하는 능력을 의미하며, 적합한 탄소원(예컨대, 글루코스)을 이용하여 통상적인 배양방법에 따라 클렙시엘라 균주를 배양하는 경우, 정지기(stationary phase) 시점에서의 클렙시엘라 균주에 의해 생산되는 락테이트의 양을 적합한 분석기[예컨대, HPLC(High-performance liquid chromatography)]로 정량화 한 것을 의미한다.As used herein, the term “lactate producing ability” refers to the ability of Klebsiella strains to produce lactate as a metabolite by-product, and to cultivate Klebsiella strains according to conventional culture methods using a suitable carbon source (eg, glucose). In this case, it means that the amount of lactate produced by the Klebsiella strains at the stationary phase time point is quantified by a suitable analyzer (eg, high-performance liquid chromatography).

보다 바람직하게는 본 발명의 클렙시엘라 변이 균주는 야생형과 비교하여 배양 시 락테이트(lactate) 생산량이 90-100% 감소되어 있으며, 가장 바람직하게는 95-100% 감소되어 있다. 배양 시 락테이트가 많이 생산될 경우, 배지 내의 pH가 낮아져, 일정한 배양조건을 유지하기 위해, 추가적으로 염을 첨가해줘야 하므로, 배양 시 적게 생산되는 것이 이상적이다. 본 발명의 클렙시엘라 변이 균주는 락테이트를 거의 생산하지 않고 2,3-부탄다이올을 생산하였다.
More preferably, the Klebsiella mutant strain of the present invention is 90-100% reduced, most preferably 95-100% lactate production in culture compared to the wild type. If a lot of lactate is produced during the cultivation, the pH in the medium is lowered, in order to maintain a constant cultivation conditions, additional salts should be added, so it is ideal to produce less during cultivation. The Klebsiella mutant strain of the present invention produced 2,3-butanediol with little production of lactate.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 본 발명은 상술한 본 발명의 클렙시엘라 변이 균주를 배양하는 단계를 포함하는 2.3-부탄다이올 제조방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, the present invention provides a method for producing 2.3-butanediol comprising culturing the Klebsiella mutant strain of the present invention described above.

본 발명의 방법은 상기 클렙시엘라 변이 균주를 이용하기 때문에, 이 둘 사이에 공통된 내용은 본 명세서의 과도한 복잡성을 피하기 위하여, 그 기재를 생략한다.Since the method of the present invention utilizes the Klebsiella mutant strain, the common content between the two is omitted in order to avoid excessive complexity of the present specification.

본 발명에서의 배양은 당업계에 통상적으로 공지된 방법을 이용하여 실시할 수 있다. Cultivation in the present invention can be carried out using a method commonly known in the art.

예를 들어, 본 발명의 클렙시엘라를 배양하기 위해서는 배양배지에 1-5 g/L 염화나트륨, 1-5 g/L 단일수소 나트륨 인산염, 1-3 g/L 아세트산나트륨, 20-60 g/L 펩톤 및 2-10 g/L 글루코스를 포함할 수 있다. 상기 배양배지에 클렙시엘라를 접종하여 37℃에서 진탕배양한다.For example, to culture Klebsiella of the present invention, 1-5 g / L sodium chloride, 1-5 g / L monohydrogen sodium phosphate, 1-3 g / L sodium acetate, 20-60 g / L peptone and 2-10 g / L glucose. The culture medium is inoculated with Klebsiella and shaken at 37 ° C.

바람직한 구현예에 따르면, 본 발명의 방법에서 이용되는 탄소원은 다양한 탄수화물이 이용될 수 있으며, 바람직하게는 글루코스, 수크로스, 프럭토스, 갈락토스, 아라비노스 및 락토스이며, 가장 바람직하게는 글루코스이다. 본 발명의 방법에서 이용되는 질소원은 유기 질소원이 이용되며, 바람직하게는 효모 추출물 및 펩톤이며, 가장 바람직하게는 효모 추출물이다.
According to a preferred embodiment, the carbon source used in the process of the present invention may be a variety of carbohydrates, preferably glucose, sucrose, fructose, galactose, arabinose and lactose, most preferably glucose. As the nitrogen source used in the method of the present invention, an organic nitrogen source is used, preferably yeast extract and peptone, and most preferably yeast extract.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 본 발명의 비병원성 2,3-부탄다이올 생산용 클렙시엘라 변이 균주에 의해서 제조된 2,3-부탄다이올을 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a 2,3-butanediol prepared by the Klebsiella mutant strain for producing non-pathogenic 2,3-butanediol of the present invention.

본 발명의 클렙시엘라 변이 균주에 의해서 제조된 2,3-부탄다이올은 화학적 전환을 통해 고무의 재료, 연료 첨가제, 부동액, 화장품 및 의약품으로 응용될 수 있다.
The 2,3-butanediol prepared by the Klebsiella mutant strain of the present invention can be applied to rubber materials, fuel additives, antifreeze, cosmetics and pharmaceuticals through chemical conversion.

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

(a) 본 발명은 비병원성 2,3-부탄다이올 생산용 클렙시엘라 변이 균주를 제공한다.(a) The present invention provides a Klebsiella mutant strain for producing non-pathogenic 2,3-butanediol.

(b) 본 발명의 비병원성 2,3-부탄다이올 제조용 클렙시엘라은 야생종과 비교하여 유사한 성장률을 나타내면서 2,3-부탄다이올을 안정적으로 생산한다.(b) Klebsiella for producing non-pathogenic 2,3-butanediol of the present invention stably produces 2,3-butanediol with similar growth rates as compared to wild species.

(c) 본 발명은 비병원성 2,3-부탄아이올 제조용 클렙시엘라를 이용하여 2,3-부탄다이올 생산에 안전하게 이용할 수 있다.
(c) The present invention can be safely used for the production of 2,3-butanediol using Klebsiella for producing non-pathogenic 2,3-butaneiol.

도 1은 wabG 유전자의 제거 과정을 나타낸 도식도이다.
도 2는 클렙시엘라 뉴모니에 KCTC 2242, 클렙시엘라 옥시토카 KCTC 1686 및 클렙시엘라 ATCC 43863의 wabG 유전자가 제거된 것을 전기영동을 통해 확인한 결과이다.
도 3은 클렙시엘라 야생형 및 클렙시엘라 돌연변이의 리포폴리사카라이드를 추출하여 트리신-SDS-페이지 및 실버 염색법을 통해 리포폴리사카라이드를 확인한 결과이다. 도 3의 1열은 야생형 클렙시엘라 뉴모니에 KCTC 2242의 결과를 나타내고, 2열은 돌연변이 클렙시엘라 뉴모니에 KCTC 2242, 3열은 야생형 클렙시엘라 옥시토카 KCTC 1686, 4열은 돌연변이 클렙시엘라 옥시토카 KCTC 1686, 5열은 야생형 클렙시엘라 옥시토카 ATCC 43863, 6열은 돌연변이 클렙시엘라 옥시토카 ATCC 43863의 결과를 나타낸다.
도 4는 클렙시엘라 야생형 및 클렙시엘라 돌연변이의 군집 가장자리를 광학현미경을 통해 관찰한 결과이다. 도 4의 (A)는 야생 클렙시엘라 뉴모니에 KCTC 2242의 현미경 결과를 나타내고, (B)는 돌연변이 클렙시엘라 뉴모니에 KCTC 2242, (C)는 야생 클렙시엘라 옥시토카 KCTC 1686, (D)는 돌연변이 클렙시엘라 옥시토카 KCTC 1686, (E)는 야생 클렙시엘라 옥시토카 ATCC 43863, (F)는 돌연변이 클렙시엘라 옥시토카 ATCC 43863의 현미경 관찰 결과를 보여준다.
도 5는 클렙시엘라 야생형 및 클렙시엘라 돌연변이를 인디아 잉크 및 크리스탈 바이올렛으로 염색하여 광학현미경을 통해 캡슐 폴리사카라이드를 관찰한 결과이다. 도 5의 (A)는 야생 클렙시엘라 뉴모니에 KCTC 2242의 결과를 나타내고, (B)는 돌연변이 클렙시엘라 뉴모니에 KCTC 2242, (C)는 야생 클렙시엘라 옥시토카 KCTC 1686, (D)는 돌연변이 클렙시엘라 옥시토카 KCTC 1686, (E)는 야생 클렙시엘라 옥시토카 ATCC 43863 및 (F)는 돌연변이 클렙시엘라 옥시토카 ATCC 43863)의 결과를 나타낸다.
도 6은 클렙시엘라 야생형 및 클렙시엘라 돌연변이의 표면 변화를 확인하기 위해 전계방사형 주사현미경을 통해 관찰한 결과를 나타낸다. 도 6의 (A)는 야생 클렙시엘라 뉴모니에 KCTC 2242의 결과를 나타내고, (B)는 돌연변이 클렙시엘라 뉴모니에 KCTC 2242, (C)는 야생 클렙시엘라 옥시토카 KCTC 1686, (D)는 돌연변이 클렙시엘라 옥시토카 KCTC 1686, (E)는 야생 클렙시엘라 옥시토카 ATCC 43863, (F)는 돌연변이 클렙시엘라 옥시토카 ATCC 43863의 결과를 나타낸다.
도 7은 클렙시엘라 뉴모니에 KCTC 2242 야생형 및 클렙시엘라 뉴모니에 KCTC 2242 돌연변이의 성장률 및 글루코스 소비량을 나타낸 결과이다.
도 8은 클렙시엘라 뉴모니에 KCTC 2242 야생형 및 클렙시엘라 뉴모니에 KCTC 2242 돌연변이의 2,3-부탄다이올 생산량을 나타낸 결과이다.
FIG. 1 is a schematic diagram showing the removal process of the wabG gene.
Figure 2 shows the results of electrophoresis that the wabG gene of KCTC 2242, Klebsiella oxytoca KCTC 1686 and Klebsiella ATCC 43863 were removed from Klebsiella pneumoniae.
3 is a result of confirming the lipopolysaccharide through tricin-SDS-page and silver staining by extracting the lipopolysaccharide of the Klebsiella wild type and Klebsiella mutants. Column 1 of FIG. 3 shows the results of KCTC 2242 in wild type Klebsiella pneumoniae, column 2 shows mutant Klebsiella pneumoniae KCTC 2242, column 3 shows wild type Klebsiella oxytoca KCTC 1686, row 4 mutant Ciella oxytoca KCTC 1686, column 5 shows the results of wild type Klebsiella oxytoca ATCC 43863, column 6 mutant Klebsiella oxytoca ATCC 43863.
4 shows the results of observing the cluster edges of the Klebsiella wild type and Klebsiella mutants through an optical microscope. 4 (A) shows microscopic results of KCTC 2242 in wild Klebsiella pneumoniae, (B) KCTC 2242 in mutant Klebsiella pneumoniae, (C) wild Klebsiella oxytoca KCTC 1686, ( D) shows microscopic observations of mutant Klebsiella oxytoca ATC 43863, (E) wild Klebsiella oxytoca ATCC 43863, (F) mutant Klebsiella oxytoca ATCC 43863.
FIG. 5 shows the results of observing capsular polysaccharides through an optical microscope by staining Klebsiella wild type and Klebsiella mutants with India ink and crystal violet. 5 (A) shows the results of KCTC 2242 in wild Klebsiella pneumoniae, (B) mutant Klebsiella pneumoniae KCTC 2242, (C) is wild Klebsiella oxytoca KCTC 1686, (D ) Mutant Klebsiella oxytoca KCTC 1686, (E) wild Klebsiella oxytoca ATCC 43863 and (F) mutant Klebsiella oxytoca ATCC 43863).
Figure 6 shows the results observed through field emission scanning microscope to confirm the surface changes of Klebsiella wild type and Klebsiella mutants. FIG. 6A shows the results of KCTC 2242 in wild Klebsiella pneumoniae, (B) mutant Klebsiella pneumoniae KCTC 2242, (C) wild Klebsiella oxytoca KCTC 1686, (D ) Mutant Klebsiella oxytoca KCTC 1686, (E) wild Klebsiella oxytoca ATCC 43863, (F) mutant Klebsiella oxytoca ATCC 43863.
7 shows the growth rate and glucose consumption of KCTC 2242 wild-type and Klebsiella pneumoniae KCTC 2242 mutants.
FIG. 8 shows the results of 2,3-butanediol production of KCTC 2242 wild type and KCTC 2242 mutants in Klebsiella pneumoniae.

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

실시예 1: 사용 균주Example 1 Strains Used

클렙시엘라 뉴모니에(klebsiella pneumoniae, KCTC 2242) 및 클렙시엘라 옥시토카(klebsiella oxytoca, KCTC 1686 및 ATCC 43863)
Klebsiella pneumoniae ( KCTC 2242) and Klebsiella oxytoca ( KCTC 1686 and ATCC 43863)

실시예 2: Example 2: wabGwabG 유전자 결실 Gene deletion

선형 유전자 제작Linear gene production

양쪽에 34 bp(base pair)의 FRT(Flip-Recombinase Targets) 염기서열 및 20 bp의 클로람페니콜의 염기서열을 갖는 프라이머(표 1) 및 클로람페니콜 저항성 염기서열을 갖는 pKOV 플라스미드를 주형으로 중합효소연쇄반응(PCR)을 실시하여 FRT-클로람페니콜-FRT를 갖는 카세트(FCF)를 제작하였다. 클로람페니콜은 상동재조합이 제대로 이루어졌는지 확인하기 위한 항생제저항성 단백질이고, FRT는 목표 유전자를 불활성화(knock-out) 시킨 후 클로람페니콜 유전자를 결실 해주는 역할을 한다(도 1). FCF를 제작하기 위한 중합효소연쇄반응 조건은 먼저 95℃에서 5분 반응 후 95℃ 30초, 66℃에서 55초 및 72℃에서 60초 반응을 25회 반복 하였다. 891 bp의 염기서열을 갖는 FCF를 T-벡터에 삽입 후 wabG의 시작 부분과 끝 부분에 상보적인 각각 50 bp 염기서열과, FRT와 상동 하는 염기서열을 가진 프라이머(표 1)로 중합효소 연쇄 반응을 하여 wabG 유전자 결실에 필요한 선형 유전자(WFCFW)를 제작하였다. 반응 조건은 95℃에서 5분 반응 후 95℃에서 30초, 65.2℃에서 60초 및 72℃에서 60초 반응을 25번 반복하였다. 얻어진 WFCFW는 991 bp의 염기서열을 갖는다.Primers (Table 1) having a base sequence of FRP (Flip-Recombinase Targets) of 34 bp (base pair) and chloramphenicol of 20 bp on both sides and a pKOV plasmid having a chloramphenicol resistant base sequence were used as a template for polymerase chain reaction PCR) was performed to prepare a cassette (FCF) having FRT-chloramphenicol-FRT. Chloramphenicol is an antibiotic resistance protein to confirm homologous recombination, and FRT knock-out the target gene and then deletion of the chloramphenicol gene (FIG. 1). The polymerase chain reaction conditions for preparing FCF were as follows: 95 ° C for 5 minutes, followed by 95 ° C for 30 seconds, 66 ° C for 55 seconds, and 72 ° C for 60 seconds. After insertion of the FCF having the nucleotide sequence of 891 bp into the T-vector, PCR was carried out using a primer (Table 1) having a 50 bp base sequence complementary to the start and end portions of wabG and a base sequence homologous to FRT (WFCFW) for the deletion of the wabG gene. The reaction conditions were 95 ° C for 5 minutes, followed by 95 ° C for 30 seconds, 65.2 ° C for 60 seconds, and 72 ° C for 60 seconds. The obtained WFCFW has a base sequence of 991 bp.

프라이머primer 서열order FCF 정방향FCF Forward GAAGTTCCTATTCTCTAGAAAGTATAGGAACTTCTGAGACGTTGATCGGCACGTGAAGTTCCTATTCTCTAGAAAGTATAGGAACTTCTGAGACGTTGATCGGCACGT FCF 역방향FCF reverse direction GAAGTTCCTATACTTTCTAGAGAATAGGAACTTCATTCAGGCGTAGCACCAGGCGAAGTTCCTATACTTTCTAGAGAATAGGAACTTCATTCAGGCGTAGCACCAGGC WFCFW 정방향 (2242)WFCFW Forward (2242) ATGAGTAAATTCAGGCTGGCTCTGGTGCGGCAGAAGTACCGC CCGGACGGGAAGTTCCTATTCTCTAGAA ATGAGTAAATTCAGGCTGGCTCTGGTGCGGCAGAAGTACCGC CCGGACGGGAAGTTCCTATTCTCTAGAA WFCFW 역방향 (2242)WFCFW Reverse (2242) TTAATTCACCAGATCCTGATAAAGAGAAAGCAGCTGGGTTGAGAG TCGCTGAAGTTCCTATACTTTCTAG TTAATTCACCAGATCCTGATAAAGAGAAAGCAGCTGGGTTGAGAG TCGCTGAAGTTCCTATACTTTCTAG WFCFW 정방향 (1686, 43863)WFCFW Forward (1686, 43863) ATGAGTAAATTCAGGCTGGCTCTGGTACGCCAGAAGTATCGCCCG GACGGGAAGTTCCTATTCTCTAGAA ATGAGTAAATTCAGGCTGGCTCTGGTACGCCAGAAGTATCGCCCG GACGGGAAGTTCCTATTCTCTAGAA WFCFW 역방향 (1686,43863)WFCFW Reverse (1686, 43863) TTATTTCACCAAATCCTGATAGAGGGAGAGCAGCTGCGCCGA GAGACGTTGAAGTTCCTATACTTTCTAG TTATTTCACCAAATCCTGATAGAGGGAGAGCAGCTGCGCCGA GAGACGTTGAAGTTCCTATACTTTCTAG

상동재조합의Homologous recombination 효율을 높이기 위한  To increase efficiency 레드Red 람다Lambda (( RedRed lambdalambda ) 재조합) Recombination

세포 내부로 유입된 선형 유전자의 분해를 방지하고 상동재조합 효율을 높여주는 알파, 베타 및 감마 단백질을 발현하는 플라스미드인 pRedET를 사용하였다(Daiguan Yu, Hilary M. Ellis, E-Chiang Lee, Nancy A. Jenkins, Neal G. Copeland, and Donald L. Court. PNAS May 23, 2000 vol. 97 no. 11 5978-5983). 이러한 pRedET 플라스미드를 이용하여 돌연변이를 제조하기 위해 야생 클렙시엘라 종에 pRedET를 형질전환 하였다. 이를 위해서 야생 클렙시엘라 종을 37℃ 및 광학 밀도(600 nm) 에서 0.2-0.3이 될 때 까지 배양하였고, 액체 LB 배지의 총량에 0.7 mM이 되도록 에틸렌디아민사아세트산(EDTA)을 첨가하였다. 에틸렌디아민사아세트산을 첨가할 경우, 전기천공법 효율이 높아지게 된다(Fournet-Fayard, S., B. joly, and C.Forestier J. Microbiol Meth, 1995. 24: p.49-54). 배양한 클렙시엘라 종을 10% 글리세롤이 포함되어있는 차가운 멸균수로 3번 반복하여 세척하여 불순물을 제거하고 마지막 세척은 40 ㎕의 차가운 멸균수에 담겨 있는 야생 클렙시엘라 종에 150 ng pRedET를 혼합하여 냉각된 전기천공법용 큐벳에 넣은 후 1.8 ㎸, 5 msec의 펄스를 주었다. 30℃에서 한 시간 동안 배양 후 테트라사이클린(3 ㎍/㎖)을 포함하는 고체 LB 배지에 도말하여 30℃에서 16시간 동안 배양하였다. 30℃의 테트라사이클린을 포함하는 LB 배지에 배양하는 이유는 pRedET 플라스미드가 테트라사이클린 저항성을 갖으며 30℃에서 복제되기 때문이다. 다음으로 알파, 베타 및 감마 단백질을 발현하기 위해 pRedET 플라스미드로 형질전환된 클렙시엘라 종을 액체 LB 배지에 넣고 600 nm 광학 밀도가 0.2-0.3 값이 될 때까지 배양하였다. 이때 액체 LB 배지의 총량에 0.5%에 해당하는 엘 아라비노스(L-arbinose)를 첨가하여 주었다. 그 후 pRedET로 형질전환 때와 마찬가지의 과정으로 150 ng의 WFCFW와 혼합한 후 상기 언급한 조건으로 전기 천공법을 실시하였다. 37℃에서 3시간 동안 배양 후 클로람페니콜(20 ㎍/㎖)을 포함하는 고체 LB 배지에 도말하여 37℃에서 16시간 동안 배양하였다. 클로람페니콜 배지에서 자란 클렙시엘라 종을 다시 클로람페니콜(20 ㎍/㎖)을 포함하는 액체 배지에 배양 후 지노믹 DNA 추출 키트를 사용하여 지노믹 DNA 추출하고 중합효소 연쇄 반응을 통해 돌연변이를 확인하였다.
PRedET, a plasmid expressing alpha, beta and gamma proteins, which prevents degradation of the linear gene introduced into the cell and enhances homologous recombination efficiency, was used (Daiguan Yu, Hilary M. Ellis, E-Chiang Lee, Nancy A. Jenkins, Neal G. Copeland, and Donald L. Court, PNAS May 23, 2000 vol 97, No. 11, 5978-5983). This pRedET plasmid was used to transform pRedET into wild Klebsiella spp. To prepare mutations. To this end, wild Klebsiella spp. Were cultured at 37 ° C. and optical density (600 nm) until 0.2-0.3, and ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) was added to 0.7 mM in the total amount of liquid LB medium. When ethylenediamine acetic acid is added, the efficiency of the electroporation method becomes high (Fournet-Fayard, S., B. joly, and C. Forestier J. Microbiol Meth, 1995. 24: p.49-54). The cultured Klebsiella spp. Was washed three times with cold sterile water containing 10% glycerol to remove impurities. The final wash was carried out with 150 ng pRedET in wild Klebsiella spp. Contained in 40 μl of cold sterile water. After mixing and put into a cooled electroporation cuvette gave a pulse of 1.8 ㎸, 5 msec. After culturing at 30 DEG C for one hour, the cells were plated on solid LB medium containing tetracycline (3 mu g / mL) and cultured at 30 DEG C for 16 hours. The reason for culturing in LB medium containing tetracycline at 30 ° C is because the pRedET plasmid has tetracycline resistance and is replicated at 30 ° C. Next, Klebsiella spp. Transformed with pRedET plasmid to express alpha, beta and gamma proteins were placed in liquid LB medium and cultured until 600 nm optical density became 0.2-0.3 value. At this time, L-arbinose corresponding to 0.5% was added to the total amount of liquid LB medium. Then, 150 ng of WFCFW was mixed with pRedET in the same manner as in the transformation, and electroporation was performed under the above conditions. After culturing at 37 占 폚 for 3 hours, the cells were plated on solid LB medium containing chloramphenicol (20 占 퐂 / ml) and cultured at 37 占 폚 for 16 hours. Klebsiella spp. Grown in chloramphenicol medium was again cultured in a liquid medium containing chloramphenicol (20 μg / ml), followed by genomic DNA extraction using a genomic DNA extraction kit, and mutations were identified through polymerase chain reaction.

FRTFRT -클로람페니콜-- chloramphenicol - FRTFRT 의 결실Fruit of

돌연변이 클렙시엘라 종에 삽입되어있는 FRT-클로람페니콜-FRT의 결실을 위해 플립파아제 재조합 효소를 발현 하는 707-Flpe 플라스미드(Thomas Schlake and Jurgen Bode' Biochemistry 1994, 33, 12746-12751)를 사용하였다. 야생 클렙시엘라 종에 pRedET을 형질 전환했던 방법과 동일하게 707-Flpe 플라스미드 및 WFCFW가 삽입 된 클렙시엘라 돌연변이종을 형질전환 하고 30℃에서 한 시간 배양 후 테트라사이클린(3 ㎍/㎖)을 포함하는 고체 배지에 도말 하였다. 707-Flpe는 30℃에서 복제가 되기 때문에 30℃에서 16시간 동안 배양하였다. 이렇게 자란 클렙시엘라 돌연변이종의 군집을 따서 항생제가 첨가되지 않은 1 ㎖ 액체 LB 배지에 접종 후 3시간 동안 배양하였다. 배양한 돌연변이 클렙시엘라 종을 다시 37℃에서 16시간 동안 배양 하는데 이는 플립파아제 재조합 효소가 37℃에서 발현이 되기 때문이다. 배양한 클렙시엘라 돌연변이종의 일부를 클로람페니콜이 들어있는 액체 LB 배지에 배양 후 자라지 않는 것을 확인하고 지노믹 DNA 추출 키트를 이용하여 지노믹 DNA를 추출하였다. 중합효소연쇄반응을 통해 클로람페니콜 저항성 유전자가 결실 되었는지 확인 하였다(도 2).
A 707-Flpe plasmid (Thomas Schlake and Jurgen Bode 'Biochemistry 1994, 33, 12746-12751) expressing flippase recombinase was used for the deletion of FRT-chloramphenicol-FRT inserted into mutant Klebsiella spp. Similar to the method of transforming pRedET into wild Klebsiella spp., Transfected Klebsiella mutant spp. With 707-Flpe plasmid and WFCFW and containing tetracycline (3 μg / ml) after one hour incubation at 30 ° C Were plated in solid medium. The 707-Flpe was cultured at 30 ° C for 16 hours because it replicates at 30 ° C. Populations of Klebsiella mutants grown in this way were cultured in 1 ml liquid LB medium without antibiotics for 3 hours after inoculation. The cultured mutant Klebsiella spp. Were again incubated for 16 hours at 37 ° C. because the flippase recombinase is expressed at 37 ° C. A part of the cultured Klebsiella mutant species was confirmed to not grow after incubation in liquid LB medium containing chloramphenicol, and genomic DNA was extracted using a genomic DNA extraction kit. The polymerase chain reaction confirmed the deletion of the chloramphenicol resistance gene (Fig. 2).

실시예Example 3:  3: wabGwabG 유전자 결실에 따른 특성 확인 Characterization according to gene deletion

전기영동을 통한 확인Confirmation through electrophoresis

야생종 및 wabG 유전자가 결실된 돌연변이종을 전기영동을 통해 확인하였다. 도 2의 1열은 사이즈 마커, 2열은 야생 wabG 유전자, 3열은 클로람페니콜 저항성 유전자를 형질전환 한 돌연변이 클렙시엘라 종 및 4열은 클로람페니콜 저항성 유전자를 결실한 돌연변이 클렙시엘라 종이다.
Wild species and wabG Mutant species from which the gene was deleted were identified by electrophoresis. Column 1 of FIG. 2 is a size marker, and column 2 is wild wabG Genes, row 3 are mutant Klebsiella spp. Transformed with chloramphenicol resistant genes, and row 4 are mutant Klebsiella spp., Which have deleted chloramphenicol resistant genes.

트리신-Tricin- SDSSDS -페이지(-Page( TricineTricine -- SDSSDS -- PagePage ) 및 ) And 실버silver 염색법을 이용한  Staining LPSLPS 확인 Confirm

10 kda 이하의 작은 크기의 단백질도 검출 할 수 있는 트리신-SDS-페이지(Sch, H. and G. von Jagow. Analytical Biochemistry, 1987. 166(2):p.368-379) 및 5 ng 이하의 적은 양의 리포폴리사카라이드(Lipopolysaccharide)도 염색 할 수 있는 실버 염색법(Chao-Ming Tsai, Carl E. Frasch. ANALYTICAL BIOCHEMISTRY 119, 115-I 19 (1982))을 통하여 wabG 유전자를 결실시, 리포폴리사카라이드(Lipopolysaccharide; LPS)의 변화를 분석하였다. 먼저 리포폴리사카라이드 추출 키트를 사용하여 리포폴리사카라이드를 추출 후 로딩 완충제(0.1 M 트리스(pH 6.8), 2% 소디움 도데실 설페이트(SDS), 20%의 수크로오즈, 2% 멀캅토에탄올 및 0.001% 브로모 페놀)와 혼합한 후 100℃에서 5분 동안 반응 시키고 15% SDS-tricine-PAGE로 전기영동을 하여 분리하였다. 전기영동은 20 ㎃ 및 100 V 에서 2시간 동안 실시하였다. 그 후 실버 염색법을 통하여 리포폴리사카라이드를 관찰하였다. 도 3에서와 같이 돌연변이 클렙시엘라 종의 경우 리포폴리사카라이드의 코어 부분이 제거되었기 때문에 야생 클렙시엘라 종의 리포폴리사카라이드보다 크기가 작음을 알 수 있다(도 3).
Tricine-SDS-page (Sch, H. and G. von Jagow. Analytical Biochemistry, 1987. 166 (2): p.368-379), which can detect small size proteins up to 10 kda and less than 5 ng WabG gene was removed by lipopolysaccharide (Chao-Ming Tsai, Carl E. Frasch. ANALYTICAL BIOCHEMISTRY 119, 115-I 19 (1982)), which can stain small amounts of lipopolysaccharide. Changes in polysaccharide (Lipopolysaccharide; LPS) were analyzed. First lipopolysaccharide was extracted using lipopolysaccharide extraction kit, followed by loading buffer (0.1 M Tris, pH 6.8), 2% sodium dodecyl sulfate (SDS), 20% sucrose, 2% mercaptoethanol And 0.001% bromo phenol), and then reacted at 100 ° C. for 5 minutes and separated by electrophoresis with 15% SDS-tricine-PAGE. Electrophoresis was carried out at 20 kPa and 100 V for 2 hours. Then, lipopolysaccharide was observed through silver staining. As shown in FIG. 3, since the core portion of the lipopolysaccharide was removed in the mutant Klebsiella species, it can be seen that the size is smaller than that of the lipopolysaccharide of the wild Klebsiella species (FIG. 3).

광학 현미경을 통한 군집 형태 차이 관찰Observation of cluster shape differences through an optical microscope

리포폴리사카라이드를 제거한 돌연변이와 야생 클렙시엘라 종의 차이를 알아보기 위해 광학 현미경을 통해 군집 가장 자리 부분의 형태의 차이를 알아보았다. 이를 위해 도 4에서 확인할 수 있듯이, 도 4의 (A), (C) 및 (E)는 야생 클렙시엘라 종의 가장자리는 형태 유지가 잘 되고 균일한 반면에 도 4의 (B), (D) 및 (E)는 돌연변이 클렙시엘라 종은 형태가 잘 유지되지 않고 균일하지 않음을 알 수 있다(Lawlor MS, Hsu J, Rick PD, Miller VL. Molecular Microbiology (2005) 58(4), 10541073). 캡슐 폴리사카라이드(Capsule polysaccharide)는 생물막을 형성할 때 균들 간에 거리가 일정 하게 해준다. 하지만 돌연변이종에서는 리포폴리사카라이드의 제거로 인해 캡슐 폴리사카라이드가 줄어들게 되어 균들끼리의 거리가 가깝게 되지만 그 거리는 일정하지 않게 된다. 이로 인하여 군집 형태가 균일 하지 않게 된다(Agladze, K., X. Wang, and T. Romeo. J.Bacteriol, 2005. 187(24): p. 8237-8246, Balestrino, D., et al. Environmental Microbiology, 2008. 10(3): p. 685-701)
To determine the difference between lipopolysaccharide-depleted mutants and wild Klebsiella spp., The differences in the shape of the colony edges were examined by light microscopy. For this purpose, as can be seen in Figure 4, Figures 4 (A), (C) and (E) of the wild Klebsiella species edges are well maintained and uniform, while Figures 4 (B), (D ) And (E) show that the mutant Klebsiella spp. Are not well maintained and uniform (Lawlor MS, Hsu J, Rick PD, Miller VL. Molecular Microbiology (2005) 58 (4), 10541073). . Capsule polysaccharides allow a constant distance between bacteria when forming biofilms. In mutant species, however, the elimination of lipopolysaccharides reduces the capsular polysaccharides, leading to a close distance between the fungi, but the distance is not constant. This results in uneven clustering (Agladze, K., X. Wang, and T. Romeo. J. Bacteriol, 2005. 187 (24): p. 8237-8246, Balestrino, D., et al. Microbiology, 2008. 10 (3): p. 685-701)

캡슐 capsule 폴리사카라이드의Polysaccharide 염색 dyeing

리포폴리사카라이드의 제거로 인해 외막(Outer membrane)의 구성성분에 변화가 생기면서 그 주위를 둘러싸고 있는 캡슐폴리사카라이드에도 변화가 생기게 된다. 이러한 변화를 확인하기 위해 인디아 잉크(India ink) 및 크리스탈 바이올렛(Crystal violet)을 이용하여 염색하고 광학 현미경을 통해 관찰하였다. 먼저 커버 글라스 위의 야생 클렙시엘라 종 또는 돌연변이 클렙시엘라 종에 인디아 잉크로 염색하고 15분 동안 15-20℃로 건조하였다. 건조된 균을 크리스탈 바이올렛을 이용하여 염색하고 멸균수로 3번 세척한 후 건조하였다. 건조 시, 캡슐 폴리사카라이드가 파괴되는 것을 방지하기 위하여 상온에서 진행하였다. 인디아 잉크로 야생 클렙시엘라 종 및 돌연변이 클렙시엘라 종의 표면을 염색하고 크리스탈 바이올렛으로 외막의 펩티도글리칸(peptidoglycan)을 염색하면 클렙시엘라의 캡슐 폴리사카라이드가 하얗게 남게 되고 나머지 부분은 염색이 된다. 도 5의 (A), (C) 및 (E)는 야생 클렙시엘라 종에 캡슐 폴리사카라이드가 있음을 나타내며 돌연변이 클렙시엘라 종인 도 5(B), 도 5(D) 및 도 5(E)는 캡슐 폴리사카라이드가 보이지 않음을 확인 하였다.
The removal of lipopolysaccharides results in changes in the constituents of the outer membrane and in the encapsulated polysaccharides surrounding them. To confirm this change, dyeing was performed using India ink and Crystal violet and observed through an optical microscope. First, wild Klebsiella spp. Or mutant Klebsiella spp. On the cover glass were stained with India ink and dried at 15-20 ° C. for 15 min. Dried bacteria were stained using crystal violet, washed three times with sterile water and dried. Upon drying, it proceeds at room temperature to prevent the breakdown of the capsule polysaccharides. Staining the surface of wild Klebsiella spp. And mutant Klebsiella spp. With India ink and staining peptidoglycan on the outer membrane with crystal violet leaves the Klebsiella's capsular polysaccharide white and the rest Becomes 5 (A), (C) and (E) show the presence of capsular polysaccharides in wild Klebsiella spp. And mutant Klebsiella spp. 5 (B), 5 (D) and 5 (E) ) Confirmed that the capsule polysaccharide was not visible.

전계방사형Field Radiation 주사현미경( Scanning microscope FEFE -- SEMSEM )을 이용한 표면 변화 관찰Surface changes using

wabG 유전자의 결실로 인한 돌연변이 클렙시엘라 종의 표면의 변화를 관찰하기 위해 전계방사형 주사현미경(Field Emission-Scanning Electron Microscopy; FE-SEM)을 사용하였다. 먼저 폴리카보네이트 필터(Polycarbonate filter, O.2 ㎛)를 고압증기멸균기를 사용하여 120℃에서 멸균 후 건조기에서 건조하였다. 충분히 건조된 폴리카보네이트 필터를 LB 고체 배지 상에 놓고 그 위에 야생 클렙시엘라 종 또는 돌연변이 클렙시엘라 종을 5시간 동안 배양 하였다. 배양 후 폴리카보네이트 필터를 페트리디쉬(petri dish) 상에 놓은 다음 첫 번째 고정 용액으로 4℃에서 2시간 동안 반응 하였다. 고정용액의 조성은 75 mM의 라이신 (Lysine), 2.5% 글루타르알데히드(Glutaraldehyde), 2% 파라포름알데히드(Paraformaldehyde) 및 0.1 M 소디움 카코딜레이트(Sodium cacodylate) 용액(pH 7.4) 이다. 그 다음, 시료에 0.1% 폴리-L-라이신(poly-L-lysine) 용액으로 3분 동안 반응 후 0.1% 폴리-L-라이신 용액을 제거하고 10분 동안 상온에서 건조하여 4℃에서 16시간 동안 보관하였다. 다음으로 0.1 M 소디움 카코딜레이트(sodium cacodylate) 용액(pH 7.4)으로 시료와 반응시키고 용액을 제거 후 4℃에서 10 분 동안 건조하였다. 이 과정을 3번 반복 후 4℃에서 16시간 동안 보관하였다. 다음으로 시료에 1.0 % 4산화 오스뮴(Osmium teroxide) 및 1.5% 적혈염(Potassium ferricyanide)으로 구성된 두 번째 고정용액으로 4℃에서 2시간 처리하였다. 다음으로 10, 30, 50, 60, 70, 80 및 90% 에탄올로 각각 20분 동안 반응 시킨 다음 100% 에탄올로 3번씩 20분 동안 반응시킨 후, 헥사메틸디실라젠(Hexamethyldisilizane)으로 20분간 2번 반복 하여 처리하여 상온에서 건조하였다 마지막으로 건조된 시료에 백금으로 코팅하여 전계방사형 주사현미경(3 ㎸)으로 관찰하였다(Monson, B.K., et al. Journal of Ocular Pharmacology and Therapeutics, 2010. 26(2): p. 133-136.).  도 6의 (A), (C) 및 (E)는 야생 클렙시엘라 종이며, 도 6의 (B),(D),(F)는 돌연변이 클렙시엘라 종이다. 도 6의 (A), (C) 및 (E)에서 캡슐 폴리사카라이드가 표면을 두껍게 감싸고 있는 반면에 도 6의 (B), (D) 및(F)에서는 캡슐 폴리사카라이드가 표면에 존재하지 않아 거친 표면이 노출되어 있음을 알 수 있다.
Field Emission-Scanning Electron Microscopy (FE-SEM) was used to observe surface changes of mutant Klebsiella spp. due to deletion of the wabG gene. First, a polycarbonate filter (0.2 μm) was sterilized at 120 ° C. using an autoclave and then dried in a dryer. The sufficiently dried polycarbonate filter was placed on LB solid medium and incubated for 5 hours with either wild Klebsiella spp. Or mutant Klebsiella spp. After incubation, the polycarbonate filter was placed on a petri dish and then reacted with the first fixed solution at 4 ° C. for 2 hours. The composition of the fixed solution is 75 mM Lysine, 2.5% Glutaraldehyde, 2% Paraformaldehyde and 0.1 M Sodium Cacodylate solution (pH 7.4). Next, the sample was reacted with a 0.1% poly-L-lysine solution for 3 minutes, and then the 0.1% poly-L-lysine solution was removed and dried at room temperature for 10 minutes for 16 hours at 4 ° C. Stored. Next, reacted with the sample in 0.1 M sodium cacodylate solution (pH 7.4), and the solution was removed and dried for 10 minutes at 4 ℃. This procedure was repeated three times and stored at 4 ° C. for 16 hours. Next, the sample was treated with a second fixed solution composed of 1.0% osmium tetraoxide and 1.5% red blood salt (Potassium ferricyanide) at 4 ° C. for 2 hours. Next, react with 10, 30, 50, 60, 70, 80, and 90% ethanol for 20 minutes, and then react with 100% ethanol three times for 20 minutes, followed by 20 minutes with hexamethyldisilizane. Treatment was repeated several times and dried at room temperature. Finally, the dried samples were coated with platinum and observed with a field scanning scanning microscope (3 ㎸) (Monson, BK, et al. Journal of Ocular Pharmacology and Therapeutics, 2010. 26 (2) ): p. 133-136.). 6 (A), (C) and (E) are wild Klebsiella species, and FIG. 6 (B), (D) and (F) are mutant Klebsiella species. In Figures 6 (A), (C) and (E), the encapsulating polysaccharides thickly enclose the surface, whereas in Figures 6 (B), (D) and (F) the capsule polysaccharides are present on the surface. It can be seen that the rough surface is exposed.

실시예Example 5: 2,3- 5: 2,3- 부탄다이올Butanediol 생산 production

리포폴리사카라이드의 제거가 2,3-부탄다이올의 생산성에 영향을 주는지 알아보기 위하여 야생 클렙시엘라 뉴모니에 KCTC 2242 및 돌연변이 클렙시엘라 뉴모니에 KCTC 2242의 광학 밀도에 따른 글루코스(Glucose) 소비량 및 2,3-부탄다이올의 생산성을 비교 하였다. 멸균 증류수 1L에 5 g 효모추출물, 5.25 g 2칼륨 인산염(dipotassium phosphate), 9.5 g 1칼륨 인산염(monopotassium phosphate), 6.6 g 황산암모늄(ammonium sulfate), 0.25 g 황산 마그네슘 칠수화물(magnesium sulfate heptahydrate), 0.05 g 황산제1철칠수화물(ferrous sulfate heptahydrate), 0.001 g 황산 아연 헵타수화물(zinc sulfate heptahydrate), 0.001 g 황산망간(manganese sulfate, 0.001 g 염화칼슘 이수화물(calcium chloride dihydrate) 및 80 g 글루코스(pH 6.5)를 포함하는 배지에서 72시간 동안 37℃, 170 rpm 로 진탕배양하였다. 야생종의 경우에는 배지에 암페실린(50 ㎍/㎖)을 첨가하였고, 돌연변이는 암페실린(50 ㎍/㎖) 및 클로람페니콜(25 ㎍/㎖)을 첨가하였다. 배양액 내의 2,3-부탄다이올의 농도를 측정하기 위해 배양 중 일정시간마다 채취한 시료를 원심분리 (12000 rpm, 10 분)후 상등액과 세포를 분리하여 40℃에서 보관하였다. 상기 배양액로부터 분리된 상등액은 각각 1 ㎖씩 0.2 ㎛ 필터를 이용하여 정제한 후, 하단의 조건하에서 고속액체크로마토그래피(HPLC) 정량 분석을 실시하였다. 액체크로마토그래피의 조건은 표 2와 같다. 본 발명에서 개발된 돌연변이 클렙시엘라 뉴모니에 KCTC 2242의 생장 곡선은 야생종 클렙시엘라 뉴모니에 KCTC 2242와 비교하여 비슷한 경향성을 보였으며 글루코스(Glucose) 소모량은 경향성은 비슷하였다(도 7). 분석결과 돌연변이의 경우 야생종에 비해 2,3-부탄다이올의 생산성이 30%정도 감소하였으며 이는 유전자의 결실에 의한 생산성 저하로 예상했던 수준보다 우수한 2,3-부탄다이올 생산량을 나타내었다(도 8). 또한, 반복적인 배양을 통해 탄소소모량을 높여 2,3-부탄다이올의 생산능을 높일 수 있을 것이다. To determine if the removal of lipopolysaccharides affects the productivity of 2,3-butanediol, glucose (Glucose) according to the optical density of KCTC 2242 and mutant Klebsiella pneumoniae KCTC 2242 in wild Klebsiella pneumoniae ) Consumption and productivity of 2,3-butanediol were compared. 1 g of sterile distilled water, 5 g yeast extract, 5.25 g dipotassium phosphate, 9.5 g monopotassium phosphate, 6.6 g ammonium sulfate, 0.25 g magnesium sulfate heptahydrate, 0.05 g ferrous sulfate heptahydrate, 0.001 g zinc sulfate heptahydrate, 0.001 g manganese sulfate, 0.001 g calcium chloride dihydrate and 80 g glucose ( pH culture was shaken for 72 hours at 37 ° C., 170 rpm.For wild species, ampicillin (50 μg / ml) was added to the medium, and the mutations were ampicillin (50 μg / ml) and Chloramphenicol (25 μg / ml) was added, and centrifugation (12000 rpm, 10 minutes) of the sample taken at regular time during the culture to measure the concentration of 2,3-butanediol in the culture medium followed by separation of the supernatant from the cells. Stored at 40 ℃ The supernatant separated from the culture was purified using a 0.2 μm filter for 1 ml each, and then subjected to high performance liquid chromatography (HPLC) quantitative analysis under the following conditions. The growth curve of the mutant Klebsiella pneumoniae KCTC 2242 developed in the present invention showed a similar tendency compared to the KCTC 2242 of the wild species Klebsiella pneumoniae and the glucose consumption was similar tendency (Fig. 7). As a result of the mutation, the productivity of 2,3-butanediol was reduced by 30% compared to wild species, which resulted in better 2,3-butanediol production than expected due to the deletion of genes. In addition, it is possible to increase the carbon consumption through repeated cultures to increase the production capacity of 2,3-butanediol.

점막을 생산하는 세포를 이용한 실험과 실제 동물실험에서 야생종과 비교하여 캡슐이 없는 돌연변이종은 상피세포에 대한 부착력 및 독성이 감소한다는 연구가 보고되었다(Struve, C. and K.A. Krogfelt, FEMS Microbiol Lett, 2003. 218:p149-154). 이러한 결과는 본 발명의 wabG 불활성화로 캡슐 폴리사카라이드가 제거된 돌연변이 균주는 병원성이 저하됨을 나타낸다.In mucosal-producing cells and in animal studies, mutant species without capsules have been reported to reduce adherence and toxicity to epithelial cells (Struve, C. and KA Krogfelt, FEMS Microbiol Lett, 2003. 218: p149-154). These results indicate that the mutant strain from which the capsule polysaccharide has been removed by wabG inactivation of the present invention has reduced pathogenicity.

품 목subject 조 건Condition HPLC 모델HPLC model (영린기기, Korea), UV730D (영린기기, Korea)  (Youngin appliance, Korea), UV730D (Youngin appliance, Korea) 컬럼column Aminex HPX-87H(Biorad, USA)Aminex HPX-87H (Biorad, USA) 유속Flow rate 0.8 mi/min0.8 mi / min 주입부피Injection volume 30 ㎕30 μl 이동상Mobile phase 0.001 N 황산0.001 N sulfuric acid 오븐 온도Oven temperature 60℃60 ° C 작동 시간Operating time 20분20 minutes

이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 구현예일 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. It is therefore intended that the scope of the invention be defined by the claims appended hereto and their equivalents.

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Claims (8)

wabG 유전자가 불활성화(inactivation) 되어 있고 비병원성을 나타내며 wabG 유전자를 갖는 야생형과 비교하여 2,3-부탄다이올 생산능이 유사한 클렙시엘라(Klebsiella) 변이 균주.
A Klebsiella mutant strain in which the wabG gene is inactivated and nonpathogenic and similar in ability to produce 2,3-butanediol as compared to the wild type with the wabG gene.
제 1 항에 있어서, 상기 클렙시엘라는 클렙시엘라 뉴모니에(Klebsiella pneumoniase), 클렙시엘라 옥시톡카(Klebsiella oxytoca), 클렙시엘라 그래눌로마티스(Klebsiella granulomatis) 또는 클렙시엘라 테리제나(Klebsiella terigena)인 것을 특징으로 하는 변이 균주.
According to claim 1, wherein the Klebsiella Klebsiella pneumoniase ( Klebsiella pneumoniase ), Klebsiella Oxytokka ( Klebsiella) oxytoca ), Klebsiella granulomatis ) or Klebsiella terigena.
제 1 항에 있어서, 상기 클렙시엘라 변이 균주는 캡슐 폴리사카라이드(capsule polysaccharide)가 없는 것을 특징으로 하는 변이 균주.
The mutant strain of claim 1, wherein the Klebsiella mutant strain is free of capsule polysaccharide.
제 1 항에 있어서, 상기 클렙시엘라 변이 균주는 야생형과 비교하여 2,3-부탄다이올 생산능이 동일하거나 또는 1-40% 감소된 것을 특징으로 하는 변이 균주.
The mutant strain of claim 1, wherein the Klebsiella mutant strain has the same 2,3-butanediol production capacity or a 1-40% reduction compared to the wild type.
제 1 항에 있어서, 상기 클렙시엘라 변이 균주는 야생형과 비교하여 배양 시 글루코스(glucose) 소모량이 동일하거나 또는 1-15% 감소된 것을 특징으로 하는 변이 균주.
The mutant strain of claim 1, wherein the Klebsiella mutant strain has the same or reduced 1-15% glucose consumption in culture compared to the wild type.
제 1 항에 있어서, 상기 클렙시엘라 변이 균주는 야생형과 비교하여 배양 시 락테이트(lactate) 생산능이 80-100% 감소된 것을 특징으로 하는 변이 균주.
According to claim 1, wherein the Klebsiella mutant strain is a mutant strain characterized in that the lactate (lactate) production capacity is reduced by 80-100% in culture compared to the wild type.
상기 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항의 균주를 배양하는 단계를 포함하는 2.3-부탄다이올 제조방법.

Method for producing 2.3-butanediol comprising culturing the strain of any one of claims 1 to 6.

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