KR101413143B1 - Method for production of ribose with metabolically engineered E. coli in medium with optimum ratio of xylose and glucose - Google Patents
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Abstract
본 발명은 대사공적으로 변형된 대장균을 이용하여 자일로오스와 글루코오스가 최적의 비율로 조성된 배지에서 리보오스(ribose)를 생산하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 트랜스케톨레이즈(transketolase) A, 트랜스케톨레이즈(transketolase) B 및 포도당 인산전이효소(PtsG)의 효소 기능이 소실되도록 형질전환된 재조합 대장균을 사용하여 리보오스를 생산할 때, 자일로오스와 글루코오스가 3:5~5:3의 비율로 조성된 배지를 사용할 경우, 다른 경우에 비해 한층 증진된 리보오스의 생산 농도, 생산 수율 및 생산성을 나타냈다. The present invention relates to a method for producing ribose in a medium in which xylose and glucose are optimally mixed using metabolically modified E. coli. When ribose is produced using recombinant Escherichia coli transformed so that the enzymatic functions of transketolase A, transketolase B and glucose transphase (PtsG) of the present invention are lost, xylose and glucose In the ratio of 3: 5 to 5: 3 was used, the yield, yield and productivity of ribose were improved.
Description
본 발명은 대사공학적으로 변형된 대장균을 이용하여 리보오스를 생산하는 방법에 관한 것인데, 더욱 상세하게는 대사공학적으로 변형된 대장균을 이용하여 자일로오스와 글루코오스가 최적의 비율로 조성된 배지에서 리보오스(ribose)를 고 생산성으로 생산하는 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for producing ribose using metabolically engineered Escherichia coli. More particularly, the present invention relates to a method for producing ribose by using metabolically engineered Escherichia coli (Escherichia coli) in an optimum ratio of xylose and glucose ribose) with high productivity.
리보오스(ribose)는 5탄당의 한 종류로, 비타민 B2, 항바이러스제 및 향료 증강제 합성의 원료로 사용되고 있다. 천연에서는 D형만 존재하며, ATP와 니코틴아마이드뉴클레오티드 등 여러 조효소의 구성성분이다. Ribose is a type of pentose and is used as a raw material for the synthesis of vitamin B2, antiviral agent and perfume enhancer. In nature, only D form exists, and it is a component of various coenzymes such as ATP and nicotinamide nucleotide.
리보오스는 화학적인 생산방법 또는 생물학적인 생산방법을 이용하여 생산되고 있다. Ribose is produced using chemical production methods or biological production methods.
화학적 생산방법으로는 칼슘 글루코네이트를 원료로 하는 촉매반응을 이용한 경우가 있었고(Steiger, Helv. Chim. Acta, 19, 189, (1936)), 포도당을 이용한 산화환원반응으로 리보오스를 생산하기도 하였다(Sowden, J. Am. Chem. Soc., 72, 808, (1950); Smith, Chem. Ind., 92, (1955)). As a chemical production method, a catalytic reaction using calcium gluconate was used (Steiger, Helv. Chim. Acta, 19, 189, (1936)) and ribose was produced by redox reaction using glucose Sowden, J. Am. Chem. Soc., 72, 808, (1950); Smith, Chem. Ind., 92, (1955)).
생물학적인 방법으로는 바실러스속 균주를 이용하여 리보오스를 발효방법으로 생산하는 방법이 있는데, 대한민국 등록번호 제10-0490280호(등록일자: 2005년 05월 17일)에, "트랜스케톨레이즈가 유실된 변이주 바실러스 서브틸리스BS-197(Bacillus subtilis BS-197)를 개발하고, 상기 변이주 바실러스 서브틸리스 BS-197을 이용하여 자일로스와 포도당을 함유한 기본 배양 배지에서 균주를 생장시키고, 리보오스 생산을 활성화시킨 후 발효배지에서 균주를 배양, 리보오스를 생산하면서 유가식으로 자일로스 및 포도당 혼합배지를 공급하여 리보오스를 생물학적으로 생산하는 방법"이 공개되어 있다.As a biological method, there is a method of producing ribose by a fermentation method using a strain of Bacillus subsp. Korean Registration No. 10-0490280 (registered on May 17, 2005) discloses a method in which "transketolase is lost The mutant strain Bacillus subtilis BS-197 was developed. The strain was grown in a basic culture medium containing xylose and glucose using the mutant strain Bacillus subtilis BS-197, and ribose production was performed. A method for culturing a strain in a fermentation medium after activation to produce ribose, and a method for biologically producing ribose by supplying a xylose and a glucose mixed medium in a fed-batch manner.
하지만, 종래에 대장균을 이용하여 리보오스를 생산할 수 있는 기술에 대해서는 특별히 공개된 것이 없다. 다만, 본 발명자들이 2011년 11월 18일에 대한민국 특허출원번호 제10-2011-0116023호로 "대사공학적으로 변형된 대장균을 이용한 리보오스의 생산방법"에 대해 출원한 바 있다. However, no technology has been disclosed specifically for producing ribose using E. coli in the past. However, the inventors of the present invention have filed a patent application on Nov. 18, 2011 in Korean Patent Application No. 10-2011-0116023, entitled " Method for Producing Ribose Using Metabolically Modified Escherichia coli. "
하지만, 상기 본 발명자들이 출원한 특허에서는, 리보오스의 생산성을 높이기 위해 요구되는 자일로오스와 글루코오스의 최적 비율에 대해서는 고찰된 바 없다.
However, in the patents filed by the inventors of the present invention, the optimum ratio of xylose and glucose required for increasing the productivity of ribose has not been considered.
이에 본 발명에서는 대사공학적으로 변형된 대장균을 이용하여 리보오스를 생산함에 있어서, 리보오스의 생산성에 영향을 미치는 자일로오스와 글루코오스의 최적 비율을 결정하여, 이를 바탕으로 하여 리보오스를 고 생산성으로 생산하는 방법을 제공하고자 한다.
Therefore, in the present invention, in the production of ribose using metabolic engineering modified E. coli, the optimum ratio of xylose and glucose affecting the productivity of ribose is determined, and on the basis of this, ribose is produced with high productivity .
본 발명은, 자일로오스(xylose) 및 글루코오스(glucose)를 함유하는 배지에 대장균(Escherichia coli)을 접종하여 발효시킴으로써, 자일로오스(xylose)로부터 리보오스(ribose)를 생산함에 있어서, 상기 대장균은, 트랜스케톨레이즈(transketolase) A, 트랜스케톨레이즈(transketolase) B 및 포도당 인산전이효소(PtsG)의 효소 기능이 소실되도록 형질전환된 재조합 대장균을 사용하고, 상기 자일로오스와 글루코오스를 함유하는 배지는, 자일로오스와 글루코오스의 비율이 3:5~5:3인 것을 특징으로 하는 리보오스(ribose)의 생산방법을 제공한다. The present invention relates to a method for producing ribosomes from xylose by inoculating Escherichia coli into a medium containing xylose and glucose, , Transketolase A, transketolase B and glucose phosphate transferase (PtsG) in the medium containing recombinant Escherichia coli, and the medium containing xylose and glucose , And the ratio of xylose to glucose is 3: 5 to 5: 3.
한편, 본 발명의 리보오스 생산방법에 있어서, 자일로오스와 글루코오스를 함유하는 배지는, 바람직하게 자일로오스와 글루코오스의 비율이 5:5인 것이 좋다. 이 비율에서 최적의 리보오스 생산성을 나타내기 때문이다. On the other hand, in the ribosome production method of the present invention, the medium containing xylose and glucose preferably has a ratio of xylose to glucose of 5: 5. This is because it shows optimal ribose productivity at this ratio.
한편, 본 발명의 리보오스 생산방법에 있어서, 트랜스케톨레이즈(transketolase) A 또는 트랜스케톨레이즈(transketolase) B 또는 포도당 인산전이효소(PtsG)의 효소 기능 소실은, 바람직하게 트랜스케톨레이즈(transketolase) A 또는 트랜스케톨레이즈(transketolase) B 또는 포도당 인산전이효소(PtsG)를 각각 암호화하는 유전자 일부가 파쇄되거나, 유전자 전부가 제거됨으로써 말미암은 것이 좋다. 유전자 일부를 파쇄하거나, 전부를 제거하는 것이, 세포 내에서 여타의 방법으로 효소의 활성을 저해하는 것보다 해당 효소의 활성을 완벽히 제거할 수 있는 방안이기 때문이다. Meanwhile, in the ribosome production method of the present invention, enzyme function loss of transketolase A or transketolase B or glucose phosphate transferase (PtsG) is preferably inhibited by transketolase A or It is preferable that a part of the gene encoding transketolase B or the transglucosyltransferase (PtsG) is broken or all of the gene is removed. It is because the disruption of a part of the gene or the removal of the whole part is a way to completely remove the activity of the enzyme rather than inhibiting the activity of the enzyme in the cell by other methods.
이하, 본 발명의 내용에 대해서 하기에서 더욱 상세히 설명하고자 한다.
Hereinafter, the contents of the present invention will be described in more detail.
이 콜라이로도 불리는 대장균(Escherichia coli)은 산업적으로 왕성히 사용되는 균주이지만, 자일로오스(xylose)로부터 리보오스를 생산하는 방법에 대해서는 아직까지 알려진 바가 없다. 왜냐하면, 야생형 대장균의 경우, 대사공학적으로 자일로오스를 기질로 하여 리보오스를 생산하지 못하기 때문이다. Escherichia coli, also called coli, coli ) is an industrially used strain, but it has not yet been known how to produce ribose from xylose There is no bar. Because, in the case of wild-type Escherichia coli, metabolic engineering does not produce ribose using xylose as a substrate.
따라서, 대장균을 이용하여 자일로오스로부터 리보오스를 생산하기 위해서는 대사공학적 형질전환이 필요한데, 본 발명의 실험에서는 트랜스케톨레이즈(transketolase) A, 트랜스케톨레이즈(transketolase) B 및 포도당 인산전이효소(PtsG)의 효소적 기능을 소실시킴으로써, 리보오스가 생산됨을 확인하였다. 트랜스케톨레이즈(transketolase) A 및 트랜스케톨레이즈(transketolase) B의 소실에 의해서 리보오스의 생산을 위한 대사경로가 대장균 내에 확립되며, 포도당 인산전이효소(PtsG)의 소실에 의해서 글루코오스와 자일로오스의 세포 내 동시 유입이 가능해 진다. Therefore, in order to produce ribose from xylose using E. coli, In the experiment of the present invention, it was confirmed that ribose was produced by eliminating the enzymatic function of transketolase A, transketolase B, and glucose phosphate transferase (PtsG) in metabolic engineering transformation. The metabolic pathway for the production of ribose is established in E. coli by the disappearance of transketolase A and transketolase B, and the production of glucose and xylose by the loss of glucose phosphate transferase (PtsG) Simultaneous inflow is possible.
대장균은 글루코오스가 다른 탄소원과 같이 존재하는 경우, 글루코오스의 소비가 끝날 때까지 다른 탄소원을 소비하지 않는 특성(glucose repression)을 보인다. 따라서, 배지 중에 글루코오스가 존재하는 경우 리보오스 생산을 위한 기질인 자일로오스가 세포 내로 유입되지 못하는데, 이는 결국 리보오스의 생산을 위한 시간의 증대, 즉 생산성의 하락이라는 큰 문제를 불러일으킨다. 본 발명에서는 이와 같은 문제가 PtsG 효소 기능의 소실을 통해 해결될 수 있는 것이다. Escherichia coli exhibits glucose repression that does not consume other carbon sources until glucose is consumed, when glucose is present with other carbon sources. Therefore, in the presence of glucose in the medium, xylose, which is a substrate for ribose production, can not be introduced into cells, resulting in a great problem of increasing time for production of ribose, that is, lowering of productivity. In the present invention, such a problem can be solved through the loss of the PtsG enzyme function.
본 발명에서는 상술한 특성을 갖는 트랜스케톨레이즈(transketolase) A, 트랜스케톨레이즈(transketolase) B 및 포도당 인산전이효소(PtsG)의 효소 기능이 소실되도록 형질전환된 재조합 대장균을 사용하여 리보오스를 생산함에 있어서, 생산량(생산 농도), 생산 수율 및 생산성을 더욱 향상시킬 수 있는 배지 조성, 더 자세히 말하자면 최적의 자일로오스와 글루코오스의 함량을 결정하고자 하였다. 이에 자일로오스 및 글루코오스의 초기 농도를 각각 달리하여 실험하였는데, 하기 본 발명의 실시예 1에서 확인되는 바와 같이, 자일로오스와 글루코오스의 첨가 비율이 3:5~5:3 일 때, 리보오스의 생산 농도, 생산 수율 및 생산성이 모두 우수하게 나타났다. 특히, 5:5일 때 가장 높게 나타났다.
In the present invention, in the production of ribose using recombinant Escherichia coli transformed such that the enzymatic functions of transketolase A, transketolase B and glucose transphase (PtsG) having the above-mentioned characteristics are lost, , The amount of production (concentration of production), the composition of the medium which can further improve the production yield and productivity, and more specifically, the content of xylose and glucose. As shown in Example 1 of the present invention, when the addition ratio of xylose and glucose was 3: 5 to 5: 3, the initial concentration of xylose and glucose was varied. Production density, production yield and productivity were all excellent. Especially, it was highest at 5: 5.
트랜스케톨레이즈(transketolase) A, 트랜스케톨레이즈(transketolase) B 및 포도당 인산전이효소(PtsG)의 효소 기능이 소실되도록 형질전환된 재조합 대장균을 사용하여 리보오스를 생산할 때, 자일로오스와 글루코오스가 3:5~5:3의 비율로 조성된 배지를 사용할 경우, 다른 경우에 비해 향상된 리보오스의 생산 농도, 생산 수율 및 생산성을 나타냈다.
When producing ribose using transformed recombinant Escherichia coli so that the enzymatic functions of transketolase A, transketolase B and glucose transphosphorylase (PtsG) are lost, xylose and glucose are mixed in a ratio of 3: 5 to 5: 3 showed improved productivity, production yield and productivity of ribose compared with the other cases.
도 1은 'PtsG 암호화 유전자 및 트랜스케톨레이즈 B 암호화 유전자를 결실시킨 대장균 SGK014'와 'PtsG 암호와 유전자, 트랜스케톨테이즈 A 암호화 유전자 및 트랜스케톨레이즈 B 암호화 유전자 모두를 결실시킨 SGK016'의 최종 배양액의 HPLC 크로마토그램이다.
도 2는 'PtsG 암호화 유전자, 트랜스케톨테이즈 A 암호화 유전자 및 트랜스케톨레이즈 B 암호화 유전자 모두를 결실시킨 대장균 SGK016'의 최종 배양액과 리보오스 및 리불로스(ribulose) 표준물질의 HPLC 크로마토그램이다.
도 3은 5g/L 자일로스와 5g/L 포도당이 첨가된 기본 배지에서 대장균 SGK016을 발효한 후, 배양액의 각종 분석 인자를 HPLC 크로마토그램을 통해 분석한 결과이다.
FIG. 1 is a schematic diagram of a final culture solution of SGK016 'in which both the PtsG coding gene and the transketolase B coding gene are deleted, and SGK016' in which both the PtsG coding gene and the transketolize A coding gene and the transketolase B coding gene are deleted ≪ / RTI >
FIG. 2 is an HPLC chromatogram of a final culture of Escherichia coli SGK016 'and a ribose and ribulose standard material in which both the PtsG coding gene, the transketolize A coding gene and the transketolase B coding gene are deleted.
FIG. 3 shows results of analysis of various analytical parameters of the culture broth after fermentation of Escherichia coli SGK016 in a basic medium supplemented with 5 g / L xylose and 5 g / L glucose through HPLC chromatogram.
이하, 본 발명의 내용을 하기 실시예를 통해 더욱 상세히 설명하고자 한다. 다만, 본 발명의 권리범위가 하기 실시예에만 한정되는 것은 아니고, 그와 등가의 기술적 사상의 변형까지를 포함한다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the scope of the present invention is not limited to the following embodiments, and includes modifications of equivalent technical ideas.
[[ 제조예Manufacturing example 1: 리보오스 생산을 위한 재조합 대장균의 제조] 1: Preparation of recombinant Escherichia coli for ribose production]
(1) (One) ptsGptsG 유전자의 결실 Gene deletion
리보오스의 생산을 위해 필수적이지는 않으나, 이화물질억제(catabolite repression)을 해제시켜 글루코오스과 자일로오스의 세포 내 동시 유입이 가능하도록, 야생주 대장균 MG1655 내 PtsG를 암호화하는 유전자 ptsG를 결실시켰다. For the production of the ribose, but are not essential, Physicochemical substance inhibiting (catabolite repression) the release was deleted by the ptsG gene coding for the wild state in the E. coli MG1655 PtsG to allow simultaneous inflow cell within the agarose by geulrukoohseugwa characters.
프라이머 DEL-ptsG-F와 DEL-ptsG-R를 사용하고(하기 표 1 참조 요망), 카나마이신 내성 유전자를 함유하고 있는 플라스미드 pKD13을 주형으로 중합효소연쇄반응(PCR)을 수행하여 카나마이신 내성 유전자의 양끝에 ptsG의 5'비번역부위(5' UTR)과 3'비번역부위(3' UTR) 염기서열 39bp를 각각 함유하고 있는 ptsG 유전자 결실용 카나마이신 카세트를 제작하였다. (PCR) using the plasmid pKD13 containing the kanamycin resistance gene as primers using the primers DEL-ptsG-F and DEL-ptsG-R (see Table 1 below) A kanamycin cassette for ptsG gene deletion was prepared which contained the 5 'untranslated region of ptsG (5' UTR) and the 3 'untranslated region (3' UTR) base sequence 39 bp, respectively.
이어, 야생주 대장균 MG1655에 재조합을 통한 유전자 결실 효율을 높이는 람다재조합효소 발현용 플라스미드 pKD46을 도입시킨 후, 유전자도입용 세포(competent cell)을 제작하였고, 상기에서 제작한 ptsG 유전자 결실용 카나마이신 카세트를 전기천공법으로 도입하였다. Next, a plasmid pKD46 for lambda recombinase expression was introduced into wild-type Escherichia coli MG1655 for enhancing gene deletion efficiency through recombination. Then, a competent cell was prepared, and the kanamycin cassette for ptsG gene deletion prepared above was introduced Was introduced by electroporation.
이 세포를 카나마이신 항생제가 포함된 고체배지에서 도말한 후, 37℃에서 배양함으로써 온도민감성 복제원점을 갖고 있는 플라스미드 pKD46를 소실시켰다. The cells were plated in a solid medium containing kanamycin antibiotics and then cultured at 37 ° C to eliminate the plasmid pKD46 having a temperature-sensitive replication origin.
세포 내로 도입된 ptsG 유전자 결실용 카나마이신 카세트가 대장균 염색체의 ptsG 유전자와 재조합되면서 카나마이신 내성 유전자가 ptsG 유전자 자리에 삽입되어, ptsG 유전자가 결실된 변이주 대장균을 카나마이신 포함된 고체배지에서 선별할 수 있었다. The kanamycin cassette for deletion of the ptsG gene introduced into the cell was recombined with the ptsG gene of the E. coli chromosome, so that the kanamycin resistance gene was inserted into the ptsG gene site and the mutant Escherichia coli lacking the ptsG gene could be selected from the solid medium containing kanamycin.
선별된 변이주 대장균은 PCR을 통하여 ptsG 유전자 결실을 확인한 뒤, 카나마이신 내성 유전자 제거를 위하여 FRT 서열특이성 재조합효소를 발현하는 플라스미드 pCP20을 도입시켰다. 상기 본 실시예에서 사용한 카나마이신 내성 유전자의 양쪽에는 FRT 서열이 있어, FRT 서열특이성 재조합효소에 의해 카나마이신 내성 유전자가 제거될 수 있다. The mutant Escherichia coli selected ptsG gene by PCR and then introduced plasmid pCP20 expressing FRT sequence specific recombinase for the removal of kanamycin resistance gene. Both of the kanamycin resistance genes used in the present embodiment have an FRT sequence, and the kanamycin resistance gene can be removed by FRT sequence-specific recombinase.
또한, 플라스미드 pCP20는 온도민감성 복제원점 및 고온 유도성 프로모터를 갖기 때문에, FRT 서열특이성 재조합효소는 높은 온도에서 발현 유도가 된다. 따라서, 43℃에서 배양시킴으로써 플라스미드 pCP20가 소실되고, 카나마이신 내성 유전자가 제거된 ptsG 유전자 결실 변이주 대장균 SGK012를 제작할 수 있었다.
Furthermore, since the plasmid pCP20 has a temperature-sensitive replication origin and a high temperature inducible promoter, the FRT sequence-specific recombinase induces expression at a high temperature. Thus, by culturing at 43 캜, the plasmid pCP20 disappeared, and the ptsG gene deletion mutant Escherichia coli SGK012 in which the kanamycin resistance gene was removed was able to be produced.
(2) (2) ptsGptsG 유전자에 이은 Following the gene 트랜스케톨레이즈Transketolase B 암호화 유전자의 결실 The deletion of the B-encoding gene
변이주 대장균 KSG012에 추가적으로 트랜스케톨레이즈 B를 암호화하는 유전자 tktB를 결실시키기 위해 상기와 동일한 방법을 사용하였다. The same method as described above was used to delete the gene tktB encoding the transketolase B in addition to the mutant Escherichia coli KSG012.
프라이머 DEL-tktB-F와 DEL-tktB-R를 사용하고(하기 표 1 참조 요망), 카나마이신 내성 유전자를 함유하고 있는 플라스미드 pKD13을 주형으로 중합효소연쇄반응(PCR)을 수행하여 카나마이신 내성 유전자의 양끝에 tktB의 5'비번역부위(5'UTR)과 3'비번역부위(3' UTR) 염기서열 39bp를 각각 함유하고 있는 tktB 유전자 결실용 카나마이신 카세트를 제작하였다. PCR was performed using the plasmids pKD13 containing the kanamycin resistance gene as primers using the primers DEL-tktB-F and DEL-tktB-R (see Table 1 below) , A kanamycin cassette for deletion of tktB gene, each containing a 5 'untranslated region (5'UTR) of tktB and a 39bp nucleotide sequence of 3' untranslated region (3 'UTR) was prepared.
이어 상기에서 제작한 변이주 대장균 KSG012에 플라스미드 pKD46을 도입시킨 후 유전자도입용 세포(competent cell)을 제작하였고, 위에서 제작한 tktB 유전자 결실용 카나마이신 카세트를 전기천공법으로 도입하였다. After introducing the plasmid pKD46 into the mutant E. coli KSG012 prepared above, a competent cell was prepared, and the kanamycin cassette for deletion of the tktB gene prepared above was introduced by electroporation.
이 세포를 카나마이신 항생제가 포함된 고체배지에 도말한 뒤, 37℃에서 배양함으로써 플라스미드 pKD46를 소실시켰다. 카나마이신 내성 유전자가 tktB 유전자 자리에 삽입되어 tktB 유전자가 결실된 변이주 대장균을 카나마이신 포함된 고체배지에서 선별할 수 있었다. The cells were plated on a solid medium containing kanamycin antibiotics, and the plasmid pKD46 was abolished by incubation at 37 ° C. The mutant Escherichia coli, in which the kanamycin resistance gene was inserted into the tktB gene locus and deleted the tktB gene, was screened in a solid medium containing kanamycin.
선별된 변이주 대장균은 PCR을 통하여 tktB 유전자 결실을 확인한 뒤, 카나마이신 내성 유전자 제거를 위하여 FRT 서열특이성 재조합효소를 발현하는 플라스미드 pCP20을 도입시켰다. 플라스미드 pCP20이 도입된 변이주 대장균을 43℃에서 배양시킴으로써, 플라스미드 pCP20가 소실되고, 카나마이신 내성 유전자가 제거된 tktB 유전자 결실 변이주 대장균 SGK014를 제작하였다.
The selected mutant Escherichia coli confirmed the deletion of the tktB gene by PCR and then introduced the plasmid pCP20 expressing the FRT sequence-specific recombinase to remove the kanamycin resistance gene. The mutant Escherichia coli into which the plasmid pCP20 was introduced was cultured at 43 占 폚 to thereby produce the tktB gene mutant Escherichia coli SGK014 in which the plasmid pCP20 disappeared and the kanamycin resistance gene was deleted.
(3) (3) ptsGptsG 및 And 트랜스케톨레이즈Transketolase B 암호화 유전자에 이은 B encoding gene 트랜스케톨레이즈Transketolase A 암호화 유전자의 추가적 결실 Additional deletion of the A-encoding gene
변이주 대장균 SGK014에 추가적으로 트랜스케톨레이즈 A 암호화 유전자 tktA 를 결실시키기 위해 상기와 동일한 방법을 사용하였다. The same method as described above was used to delete the transketolase A-encoding gene tktA in addition to mutant Escherichia coli SGK014.
프라이머 DEL-tktA-F와 DEL-tktA-R를 이용하고(하기 표 1 참조 요망), 카나마이신 내성 유전자를 함유하고 있는 플라스미드 pKD13을 주형으로 중합효소연쇄반응(PCR)을 수행하여 카나마이신 내성 유전자의 양끝에 tktA의 5'비번역부위(5' UTR)과 3'비번역부위(3' UTR) 염기서열 39bp를 각각 함유하고 있는 tktA 유전자 결실용 카나마이신 카세트를 제작하였다. PCR was performed using the plasmids pKD13 containing the kanamycin resistance gene as primers using the primers DEL-tktA-F and DEL-tktA-R (see Table 1 below) , A kanamycin cassette for deletion of tktA gene was prepared which contains the 5 'untranslated region (5' UTR) of tktA and the 39 base sequence of 3 'untranslated region (3' UTR)
이어 상기에서 제작한 변이주 대장균 SGK014에 플라스미드 pKD46을 도입시킨 후 유전자도입용 세포(competent cell)을 제작하였고, 위에서 제작한 tktA 유전자 결실용 카나마이신 카세트를 전기천공법으로 도입하였다. 이 세포를 카나마이신 항생제가 포함된 고체배지에 도말한 뒤 37℃에서 배양함으로써, 플라스미드 pKD46를 소실시켰다. After introducing the plasmid pKD46 into the mutant Escherichia coli SGK014 prepared above, a competent cell was prepared, and the kanamycin cassette for deletion of the tktA gene prepared above was introduced by electroporation. The cells were plated on a solid medium containing kanamycin antibiotics and cultured at 37 ° C to eliminate the plasmid pKD46.
카나마이신 내성 유전자가 tktA 유전자 자리에 삽입되어 tktA 유전자가 결실된 변이주 대장균을 카나마이신 포함된 고체배지에서 선별할 수 있었다. The mutant E. coli, in which the kanamycin resistance gene was inserted into the tktA gene locus and deleted the tktA gene, could be selected from the solid medium containing kanamycin.
선별된 변이주 대장균은 PCR을 통하여 tktA 유전자의 결실을 확인한 뒤, 카나마이신 내성 유전자 제거를 위하여 FRT 서열특이성 재조합효소를 발현하는 플라스미드 pCP20을 도입시켰다. 플라스미드 pCP20이 도입된 변이주 대장균을 43℃에서 배양시킴으로써 플라스미드 pCP20가 소실되고 카나마이신 내성 유전자가 제거된 tktA 유전자 결실 변이주 대장균 SGK016를 제작하였다. The selected mutant Escherichia coli confirmed the deletion of the tktA gene by PCR and then introduced the plasmid pCP20 expressing the FRT sequence specific recombinase gene for the removal of the kanamycin resistance gene. The plasmid pCP20-introduced mutant Escherichia coli was cultured at 43 ° C to produce a tktA gene mutant strain Escherichia coli SGK016 in which the plasmid pCP20 disappeared and the kanamycin resistance gene was removed.
상기와 같은 과정을 통해 PtsG 효소, 트랜스케톨레이즈 A 효소, 트랜스케톨레이즈 B 효소의 기능이 소실된 변이주 대장균 SGK016을 최종적으로 제작할 수 있었다. The mutant strain Escherichia coli SGK016 in which the function of PtsG enzyme, transketolase A enzyme, and transketolase B enzyme disappeared was finally produced through the above process.
[[ 실험예Experimental Example 1: One: 제조예Manufacturing example 1에서 제작한 재조합 대장균을 이용한 리보오스의 생산] Production of ribose using recombinant Escherichia coli produced in 1]
상기 제조예 1에서 제작한 변이주 대장균 SGK016을 이용하여 리보오스 생산능을 확인하고자 하였다. The mutant strain Escherichia coli SGK016 produced in Preparation Example 1 was used to confirm the ability to produce ribose.
배양을 위해 글루코오스 5g/L, 자일로오스 5g/L, 효모추출물 5g/L, 트립톤 10g/L, 염화나트륨 10g/L 조성의 배지를 이용하였다. 500mL 배플드 플라스크(baffled flask)를 이용하여, 37℃, 200rpm에서 12시간 배양한 후, 최종 배양액을 취하여 균체 농도, 리보오스, 자일로오스, 글루코오스의 농도를 측정하였다.A culture medium containing 5 g / L of glucose, 5 g / L of xylose, 5 g / L of yeast extract, 10 g / L of tryptone and 10 g / L of sodium chloride was used for culturing. After culturing at 37 DEG C and 200 rpm for 12 hours using a 500 mL baffled flask, the concentration of cells, ribose, xylose and glucose were measured by taking the final culture solution.
균체 농도는 600nm의 파장에서 흡광도를 측정하여 나타내었으며, 리보오스, 자일로오스, 글루코오스, 리불로스 농도는 HPLC로 정량하였다. 정량시, 농도를 알고 있는 표준액을 이용하여 농도와 피크면적(peak area)과의 상관식을 구하고, 이것을 이용하여 피크면적으로부터 각 물질의 농도를 정량하였다. The cell concentration was measured by measuring absorbance at a wavelength of 600 nm, and ribose, xylose, glucose and ribulose concentrations were quantified by HPLC. At the time of quantitation, the correlation between the concentration and the peak area was determined using a standard solution having a known concentration, and the concentration of each substance was determined from the peak area using this.
본 실험에서, 컬럼은 Rezex RHM-Monosaccharide H+(8%) (Phenomenex)를 사용하였으며, 검출기는 RI 검출기를 사용하였다. 이때, 이동상은 3차 증류수이며, 0.4mL/min의 유출속도에 컬럼 온도는 25℃이었다.In this experiment, Rezex RHM-Monosaccharide H + (8%) (Phenomenex) was used as the column and RI detector was used as the detector. At this time, the mobile phase was the third distilled water, and the column temperature was 25 ° C at a flow rate of 0.4 mL / min.
한편, 본 실험에서, 대조구로는 PtsG 및 트랜스케톨레이즈 B의 활성만 소실된 변이주 대장균 SGK014를 사용하였다. 배양 및 분석은 상기와 동일한 조건으로 수행하였다. On the other hand, in this experiment, mutant strain Escherichia coli SGK014 in which only the activity of PtsG and transketolase B was lost was used as a control. Culture and analysis were carried out under the same conditions as above.
실험 결과, 도 1에서 보는 것처럼 PtsG 및 트랜스케톨레이즈 B의 활성이 결실된 변이주 대장균 SGK014의 배양액에서는 리보오스가 검출되지 않았고, PtsG, 트랜스케톨레이즈 A 및 트랜스케톨레이즈 B 모두 소실된 변이주 대장균 SGK016에서만 리보오스가 생성된 것이 확인되었다.As a result of the experiment, ribose was not detected in the culture medium of the mutant Escherichia coli SGK014 in which the activity of PtsG and transketolase B was deleted as shown in Fig. 1, and ribose was detected only in the mutant Escherichia coli SGK016 in which both PtsG, transketolize A and transketolize B were lost. Was produced.
한편, 리보오스의 이성질체인 리불로스(ribulose)는 리보오스 생합성 경로의 중간물질이고, 트랜스케톨레이즈가 소실된 타 미생물에서 생성된다고 알려져 있다. 또한, 리보오스와 구조적으로 유사하여 HPLC 상에서 동일한 체류시간을 보인다고 알려져 있어, 본 실험에서는 두 물질이 분리되는 HPLC 분석조건으로 분석을 수행하였다. On the other hand, it is known that the isomer of ribose, an intermediate of the ribose biosynthetic pathway, is produced from other microorganisms in which transketolase has been lost. In addition, it is known that it is structurally similar to ribose and exhibits the same retention time on HPLC. In this experiment, analysis was performed under the conditions of HPLC analysis in which two substances were separated.
실험 결과, 변이주 대장균 SGK016의 배양액에서 새롭게 생성된 물질은 리보오스 표준물질과 동일한 체류시간을 보였고, 리불로스와 다른 체류시간을 보여주었다. As a result of the experiment, the newly produced material in the culture medium of mutant Escherichia coli SGK016 showed the same residence time as the ribose standard material and showed different residence time with LiBuRoS.
따라서, 본 발명의 변이주 대장균 SGK016의 배양액에서 새롭게 생성된 물질은 리불로스가 아닌 리보오스임을 확인할 수 있었다(도 2).
Therefore, it was confirmed that the substance newly produced in the culture solution of the mutant Escherichia coli SGK016 of the present invention is ribose, which is not ribulose (Fig. 2).
[[ 실시예Example 1: 리보오스 생산을 위한 1: for ribose production 글루코오스과Glucose 자일로오스의Xylose 최적 비율 결정] Determine Optimal Ratio]
(1) 리보오스 생산을 위한 대장균 (1) E. coli for ribose production
본 실시예에서는 상기 실험예 1을 통해 리보오스 생산능이 확인된 대장균 SGK016 균주를 발효 균주로 사용하였다. 대장균 SGK016 균주는 리보오스 생합성을 위해 트랜스케톨레이즈(transketolase) A 와 트랜스케톨레이즈(transketolase) B 유전자가 결실되어 있고, 글루코오스과 자일로오스의 세포 내 동시 유입이 가능하도록 PtsG의 유전자가 추가로 결실된 균주이다.
In this Example, Escherichia coli strain SGK016, in which the ability to produce ribose was confirmed through the above Experimental Example 1, was used as a fermentation strain. Escherichia coli strain SGK016 is a strain in which the transketolase A and transketolase B genes are deleted for ribose biosynthesis and the PtsG gene is further deleted so that glucose and xylose can be co- to be.
(2) 리보오스 생산을 위한 기본 배지 조성 (2) Basic medium composition for ribose production
전 배양 또는 본 배양을 위해 글루코오스 5g/L, 자일로오스 5g/L, 효모추출물 5g/L, 트립톤 10g/L, 염화나트륨 10g/L 조성의 배지를 이용하였다 (표 2). 다만, 본 배양에서는 글루코오스와, 자일로오스의 첨가 비율을 다양하게 조절하면서, 그 변화를 관찰하였다. For the pre-culture or main culture, a medium of 5 g / L of glucose, 5 g / L of xylose, 5 g / L of yeast extract, 10 g / L of tryptone and 10 g / L of sodium chloride was used (Table 2). In this culture, however, the change was observed while various ratios of glucose and xylose were controlled.
(3) 전 배양 방법 (3) Pre-culture method
초저온 냉장고(-80℃)에 10% 글리세롤 용액 속에 보관한 대장균 SGK016을 실온에서 천천히 녹인 후 위 기본 배양 배지에 접종하여 37℃에서 12시간 동안 200 rpm으로 진탕 배양하였다.
Escherichia coli SGK016, which was stored in a 10% glycerol solution, was slowly dissolved in a cryogenic refrigerator (-80 ° C) at room temperature. Then, the cells were inoculated into the above basic culture medium and cultured at 37 ° C for 12 hours with shaking at 200 rpm.
(4) 본 배양 방법 (4) The present culture method
전 배양된 대장균 SGK016을 2 L의 배지가 포함된 5 L 발효기에 전체 부피의 1%가 되게 접종하여 37℃, 500 rpm, 1 vvm 조건으로 배양하였고, pH 조절은 하지 않았다. 배지는 상기 전 배양과 같은 조성의 배지를 사용하였고, 자일로오스와 글루코오스의 비율만 1/5, 3/5, 5/5, 5/3, 5/1 (자일로오스 농도/글루코오스 농도)로 각각 다르게 조성하였다.
The pre-cultured Escherichia coli SGK016 was inoculated in a 5 L fermenter containing 2 L of medium at 1% of the total volume, and cultured at 37 ° C, 500 rpm, 1 vvm, and the pH was not adjusted. The medium used was a medium having the same composition as that of the pre-culture, and only the ratio of xylose to glucose was 1/5, 3/5, 5/5, 5/3, 5/1 (xylose concentration / glucose concentration) Respectively.
(4) 분석 방법 (4) Analysis method
균체 농도는 600 nm의 파장에서 흡광도를 측정하여 나타내었으며, 리보오스, 자일로오스, 글루코오스의 농도는 HPLC로 정량하였다. 정량시, 농도를 알고 있는 표준액을 이용하여 농도와 피크면적(peak area)과의 상관식을 구하고, 이것을 이용하여 피크면적으로부터 각 물질의 농도를 정량하였다. 본 실험에서, 컬럼은 Rezex RHM-Monosaccharide H+(8%) (Phenomenex)를 사용하였으며, 검출기는 RI 검출기를 사용하였다. 이때, 이동상은 3차 증류수이며, 0.4 mL/min의 유출속도에 컬럼 온도는 25℃이었다.
The cell concentration was measured by measuring the absorbance at a wavelength of 600 nm, and the concentration of ribose, xylose and glucose was quantified by HPLC. At the time of quantitation, the correlation between the concentration and the peak area was determined using a standard solution having a known concentration, and the concentration of each substance was determined from the peak area using this. In this experiment, Rezex RHM-Monosaccharide H + (8%) (Phenomenex) was used as the column and RI detector was used as the detector. At this time, the mobile phase was third distilled water, and the column temperature was 25 ° C at a flow rate of 0.4 mL / min.
(5) 첨가되는 자일로오스 (5) The added xylose 와Wow 글루코오스의 비율에 따른 영향 Effect of ratio of glucose
본 실시예에서는 발효기를 이용하여 자일로오스와 글루코오스의 비율을 달리하며 그 영향을 알아보았다. 배양 배지는 자일로오스와 글루코오스의 농도를 1/5, 3/5, 5/5, 5/3, 5/1 (자일로오스 농도/글루코오스 농도) 비율로 각기 달리한 상기의 기본 배지를 사용하였다. In this example, the ratio of xylose to glucose was varied using a fermenter and its effect was examined. The culture medium used was the above-mentioned basic medium in which the concentrations of xylose and glucose were varied at 1/5, 3/5, 5/5, 5/3, and 5/1 (xylose concentration / glucose concentration) Respectively.
실험 결과, 자일로오스와 글루코오스를 3/5~5/3으로 조성된 비율에서 다른 비율에 비해 리보오스의 농도나 수율, 생산성이 우수하게 나타났다. 특히, 5/5의 비율로 배양한 경우가 리보오스 농도나 수율, 생산성 모든 면에서 가장 우수한 결과를 나타냈다. 또한, 글루코오스 비율이 낮아지면 세포 성장이 감소되며, 리보오스 농도, 수율 및 생산성이 감소한 결과를 나타내었다. 글루코오스는 발효 후기에 전 실험군에서 모두 다 소모되었고, 글루코오스 소모 후 자일로오스는 더 이상 리보오스로 전환되지 않았다(도 3). 전체적인 실험 결과는 아래의 표 3과 도 3과 같았다.As a result of experiments, ribose concentration, yield, and productivity were superior to other ratios in the ratio of 3/5 to 5/3 of xylose and glucose. In particular, when cultured at a ratio of 5/5, the results were the best in terms of ribose concentration, yield, and productivity. In addition, lowering of the glucose ratio resulted in decreased cell growth, decreased ribose concentration, yield and productivity. Glucose was consumed in all experimental groups at the end of fermentation, and xylose was no longer converted to ribose after glucose consumption (Fig. 3). The overall test results are shown in Table 3 and FIG. 3 below.
Claims (3)
상기 대장균은, 트랜스케톨레이즈(transketolase) A, 트랜스케톨레이즈(transketolase) B 및 포도당 인산전이효소(PtsG)의 효소 기능이 소실되도록 형질전환된 재조합 대장균을 사용하고,
상기 자일로오스와 글루코오스를 함유하는 배지는, 자일로오스와 글루코오스의 비율이 3:5~5:3인 것을 특징으로 하는 리보오스(ribose)의 생산방법.
In producing a ribose from xylose by inoculating Escherichia coli into a medium containing xylose and glucose,
The Escherichia coli was transformed with recombinant E. coli transformed to eliminate the enzymatic functions of transketolase A, transketolase B and glucose phosphate transferase (PtsG)
Wherein the medium containing xylose and glucose has a ratio of xylose to glucose of from 3: 5 to 5: 3.
상기 자일로오스와 글루코오스를 함유하는 배지는,
자일로오스와 글루코오스의 비율이 5:5인 것을 특징으로 하는 리보오스의 생산방법.
The method according to claim 1,
The culture medium containing xylose and glucose may contain,
Wherein the ratio of xylose to glucose is 5: 5.
상기 트랜스케톨레이즈(transketolase) A 또는 트랜스케톨레이즈(transketolase) B 또는 포도당 인산전이효소(PtsG)의 효소 기능 소실은,
트랜스케톨레이즈(transketolase) A 또는 트랜스케톨레이즈(transketolase) B 또는 포도당 인산전이효소(PtsG)를 각각 암호화하는 유전자 일부가 파쇄되거나, 유전자 전부가 제거됨으로써 말미암은 것을 특징으로 하는 리보오스의 생산방법.The method according to claim 1,
The enzymatic loss of the transketolase A or transketolase B or glucose phosphate transferase (PtsG)
Wherein a part of a gene encoding transketolase A or transketolase B or a transglucosyltransferase (PtsG) is cleaved or all of the gene is removed.
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