KR101483012B1 - Method for production of 3-hydroxypropionic acid using recombinant E. coli with high yield - Google Patents

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Abstract

본 발명은 3-HP 생합성에 관여하는 관련 효소를 실활 또는 과발현시킨 재조합 대장균을 호스트로 이용하고, 글리세롤, 자일로스 또는 포도당을 기질로 사용하여 3-히드록시프로피온산을 고수율로 생산하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for producing 3-hydroxypropionic acid in high yield by using recombinant E. coli inactivated or overexpressed with a related enzyme involved in 3-HP biosynthesis as a host and using glycerol, xylose or glucose as a substrate will be.

Description

재조합 대장균을 이용하여 3-히드록시프로피온산을 고수율로 생산하는 방법{Method for production of 3-hydroxypropionic acid using recombinant E. coli with high yield} Method for production of 3-hydroxypropionic acid using recombinant Escherichia coli at a high yield (Method for production of 3-hydroxypropionic acid using recombinant E. coli with high yield)

본 발명은 재조합 대장균을 이용하여 3-히드록시프로피온산을 고수율로 생산하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 3-HP 생합성에 관여하는 관련 효소를 실활 또는 과발현시킨 재조합 대장균을 호스트로 이용하고, 글리세롤, 자일로스 또는 포도당을 기질로 사용하여 3-히드록시프로피온산을 고수율로 생산하는 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for producing 3-hydroxypropionic acid with high yield using recombinant E. coli, and more particularly, to a method for producing 3-hydroxypropionic acid by using recombinant E. coli inactivated or overexpressed with a related enzyme involved in 3-HP biosynthesis, Glycerol, xylose or glucose as a substrate to produce 3-hydroxypropionic acid in high yield.

3-히드록시프로피온산(3-hydroxypropionic acid, 3-HP) 또는 그 염은 고분자 코팅제의 가교 결합제, 금속 윤활제 및 직물에 대한 정전기 방지제로 주로 사용하고 있고, 유기합성에서 중요한 빌딩 블록(building block)으로 쓰일 수 있다. 3-HP를 전구체로 하여 합성되는 핵심 화합물로는 1,3-프로판디올, 아크릴릭 에시드(acrlici acid), 메틸 아크릴레이트(methyl acrylate), 아크릴아미드(acrylamide), 에틸 3-HP, 말로닉 에시드(malonic acid), 프로피로락톤(propiolactone) 및 아크릴로니트릴(acrylonitrile) 등이 있다. 3-hydroxypropionic acid (3-HP) or a salt thereof is mainly used as an antistatic agent for a crosslinking agent, a metal lubricant and a fabric of a polymer coating agent, and is an important building block in organic synthesis Can be used. The key compounds synthesized from 3-HP as a precursor include 1,3-propanediol, acrlici acid, methyl acrylate, acrylamide, ethyl 3-HP, malonic acid malonic acid, propiolactone, and acrylonitrile.

3-HP는 상기와 같이 다양한 물질의 합성을 위한 전구체로 활용되고 있고, 다양한 응용분야를 갖는데, 세계 시장의 규모가 연간 3.63 백만 톤 정도이다. 3-HP는 현재 US DOE 리스트에 올라 있는 재생 바이오 매스 생산물 관련 12가지 플랫폼 화합물 중 세 번째 위치를 차지할 정도로 중요하다.3-HP is used as a precursor for the synthesis of various materials as described above, and has various application fields. The global market size is about 3.63 million tons per year. 3-HP is important enough to occupy the third position among the 12 platform compounds for regenerative biomass products currently on the US DOE list.

그런데, 상기와 같은 중요하고 유용한 역할을 하는 3-HP의 생합성 경로에 대해서는 연구가 많이 되어 있지 않고, 그나마 연구된 것들 중 대부분의 것들은 글리세롤을 기질로 하여 3-HP를 합성한 것들이다. 하지만, 글리세롤 외에 포도당이나 자일로스로부터 3-HP를 생합성하는 기술에 대한 연구는 거의 이루어지지 않고 있다.
However, there is not much research on the biosynthetic pathway of 3-HP which plays an important and useful role as described above, and most of the researches that have been conducted are syntheses of 3-HP using glycerol as a substrate. However, little research has been conducted on the technology for biosynthesis of 3-HP from glucose or xylose in addition to glycerol.

본 발명자들이 등록받은 대한민국 등록특허 10-1048151호(등록일자 2011년 07월 04일)에는, "글리세롤을 3-히드록시프로피온산(3-hydroxypropionic acid)의 전구체가 되는 3-히드록시프로피온알데히드(3-hydroxypropionaldehyde; 3-HPA)로 전환시키기 위하여, 락토바실러스 브레비스(Lactobacillus brevis) 유래의 글리세롤 데히드라타제를 구성하는 서브 유닛 DHAB1, DHAB2 및 DHAB3 중 DHAB1 및 DHAB2를 각각 암호화하는 오픈리딩프레임의 개시코돈 TTG 및 GTG가 ATG로 각각 변이된 락토바실러스 브레비스 유래의 글리세롤 데히드라타제(glycerol dehydratase; DHAB) 및, 락토바실러스 브레비스 유래의 글리세롤 데히드라타제 리액티바제(glycerol dehydratase reactivase)가 발현되게 형질전환되고; 3-히드록시프로피온알데히드를 3-히드록시프로피온산으로 전환시키는 효소가 발현되도록 형질전환된; 재조합 대장균을 글리세롤이 첨가되고, 포도당이 배양 중 고갈되지 않도록 충분히 존재하는 배지에서 배양하는 것을 특징으로 하는 글리세롤로부터 3-히드록시프로피온산을 생산하는 방법"이 기재되어 있다.Korean Patent No. 10-1048151 (registered on July 04, 2011), which is registered by the present inventors, discloses that "glycerol is replaced with 3-hydroxypropionic aldehyde (3-hydroxypropionic acid) which is a precursor of 3-hydroxypropionic acid DHAB2 and DHAB3 among the subunits DHAB1, DHAB2 and DHAB3 constituting the glycerol dehydratase derived from Lactobacillus brevis, respectively, in order to convert the starting codon TTG (3-HPA) And glycerol dehydratase (DHAB) derived from Lactobacillus brevis, in which GTG is mutated to ATG, respectively, and glycerol dehydratase reactivase derived from Lactobacillus brevis are expressed; - transformed to express an enzyme that converts hydroxypropionaldehyde to 3-hydroxypropionic acid; A method of adding the glycerol and the bacteria, glucose is produced a 3-hydroxy-propionic acid from glycerol, characterized in that culturing in a medium the presence enough not to deplete the culture is "the substrate.

본 발명에서는 글리세롤, 자일로스 또는 포도당을 기질로 사용하여 고수율로 3-HP를 생산할 수 있는 방법을 개발하여 제공하고자 한다.
In the present invention, a method of producing 3-HP at a high yield by using glycerol, xylose or glucose as a substrate is developed and provided.

본 발명은 제1형태로, 글리세롤을 3-히드록시프로피온산(3-hydroxypropionic acid)의 전구체가 되는 3-히드록시프로피온알데히드(3-hydroxypropionaldehyde; 3-HPA)로 전환시키는 글리세롤 데히드라타제(glycerol dehydratase; DHAB)가 발현되도록 형질전환되고; 3-히드록시프로피온알데히드를 3-히드록시프로피온산으로 전환시키는 알데하이드 데하이드로지나아제(aldehyde dehydrogenase)가 발현되도록 형질전환되며; 글리세롤 키나아제(glycerol kinase)와 글리세롤 데하이드로지나아제(glycerol dehydrogenase) 중 어느 하나 또는 이 둘 모두가 활성을 나타내지 못하도록 이들을 각각 암호화하는 유전자가 그 기능이 소실되도록 유전자 일부가 파쇄되거나, 유전자 전부가 제거되도록 형질전환된; 재조합 대장균을 글리세롤이 첨가된 배지에서 배양하는 것을 특징으로 하는 3-히드록시프로피온산의 생산 방법을 제공한다. The first aspect of the present invention is a glycerol dehydratase which converts glycerol to 3-hydroxypropionaldehyde (3-HPA) which is a precursor of 3-hydroxypropionic acid. ; DHAB) is expressed; Is transformed to express an aldehyde dehydrogenase which converts 3-hydroxypropionaldehyde to 3-hydroxypropionic acid; A gene encoding a glycerol kinase and / or a glycerol dehydrogenase, or a gene encoding the glycerol kinase and / or glycerol dehydrogenase, respectively, may not be activated, so that part of the gene is disrupted so that its function is lost, Transformed; And culturing the recombinant E. coli in a medium supplemented with glycerol. The present invention also provides a method for producing 3-hydroxypropionic acid.

본 발명은 제2형태로, 글리세롤을 3-히드록시프로피온산(3-hydroxypropionic acid)의 전구체가 되는 3-히드록시프로피온알데히드(3-hydroxypropionaldehyde; 3-HPA)로 전환시키는 글리세롤 데히드라타제(glycerol dehydratase; DHAB)가 발현되도록 형질전환되고; 3-히드록시프로피온알데히드를 3-히드록시프로피온산으로 전환시키는 알데하이드 데하이드로지나아제(aldehyde dehydrogenase)가 발현되도록 형질전환되며; 글리세롤 키나아제(glycerol kinase)와 글리세롤 데하이드로지나아제(glycerol dehydrogenase) 중 어느 하나 또는 이 둘 모두가 활성을 나타내지 못하도록 이들을 각각 암호화하는 유전자가 그 기능이 소실되도록 유전자 일부가 파쇄되거나, 유전자 전부가 제거되도록 형질전환되고; 디하이드록시아세톤 포스페이트(dihydroxyacetone phosphate)를 글리세롤로 전환하는 글리세롤-3-포스파타아제(glycerol-3-phosphatase)와 글리세롤-3-포스페이트 데하이드로지나아제(glycerol-3-phosphate dehydrogenase)가 발현되도록 형질전환된; 재조합 대장균을 자일로스가 첨가된 배지에서 배양하는 것을 특징으로 하는 3-히드록시프로피온산의 생산 방법을 제공한다. The second aspect of the present invention is a glycerol dehydratase which converts glycerol to 3-hydroxypropionaldehyde (3-HPA) which is a precursor of 3-hydroxypropionic acid. ; DHAB) is expressed; Is transformed to express an aldehyde dehydrogenase which converts 3-hydroxypropionaldehyde to 3-hydroxypropionic acid; A gene encoding a glycerol kinase and / or a glycerol dehydrogenase, or a gene encoding the glycerol kinase and / or glycerol dehydrogenase, respectively, may not be activated, so that part of the gene is disrupted so that its function is lost, Transformed; The glycerol-3-phosphatase and glycerol-3-phosphate dehydrogenase, which convert dihydroxyacetone phosphate into glycerol, are designed to express glycerol-3-phosphate dehydrogenase Converted; And culturing the recombinant E. coli in a medium supplemented with xylose. The present invention also provides a method for producing 3-hydroxypropionic acid.

본 발명은 제3형태로, 글리세롤을 3-히드록시프로피온산(3-hydroxypropionic acid)의 전구체가 되는 3-히드록시프로피온알데히드(3-hydroxypropionaldehyde; 3-HPA)로 전환시키는 글리세롤 데히드라타제(glycerol dehydratase; DHAB)가 발현되도록 형질전환되고; 3-히드록시프로피온알데히드를 3-히드록시프로피온산으로 전환시키는 알데하이드 데하이드로지나아제(aldehyde dehydrogenase)가 발현되도록 형질전환되며; 글리세롤 키나아제(glycerol kinase)와 글리세롤 데하이드로지나아제(glycerol dehydrogenase) 중 어느 하나 또는 이 둘 모두가 활성을 나타내지 못하도록 이들을 각각 암호화하는 유전자가 그 기능이 소실되도록 유전자 일부가 파쇄되거나, 유전자 전부가 제거되도록 형질전환되고; 디하이드록시아세톤 포스페이트(dihydroxyacetone phosphate)를 글리세롤로 전환하는 글리세롤-3-포스파타아제(glycerol-3-phosphatase)와 글리세롤-3-포스페이트 데하이드로지나아제(glycerol-3-phosphate dehydrogenase)가 발현되도록 형질전환된; 재조합 대장균을 글루코스가 첨가된 배지에서 배양하는 것을 특징으로 하는 3-히드록시프로피온산의 생산 방법을 제공한다. The third aspect of the present invention is a glycerol dehydratase which converts glycerol to 3-hydroxypropionaldehyde (3-HPA) which is a precursor of 3-hydroxypropionic acid. ; DHAB) is expressed; Is transformed to express an aldehyde dehydrogenase which converts 3-hydroxypropionaldehyde to 3-hydroxypropionic acid; A gene encoding a glycerol kinase and / or a glycerol dehydrogenase, or a gene encoding the glycerol kinase and / or glycerol dehydrogenase, respectively, may not be activated, so that part of the gene is disrupted so that its function is lost, Transformed; The glycerol-3-phosphatase and glycerol-3-phosphate dehydrogenase, which convert dihydroxyacetone phosphate into glycerol, are designed to express glycerol-3-phosphate dehydrogenase Converted; And culturing the recombinant E. coli in a medium supplemented with glucose. The present invention also provides a method for producing 3-hydroxypropionic acid.

한편, 본 발명의 제1형태 또는 제2형태 또는 제3형태에 있어서, 상기 대장균은 바람직하게 1,3-프로판다이올 데하이드로지나아제(1,3-propanediol dehydrogenase, yqhD)가 활성을 나타내지 못하도록 이를 암호화하는 유전자가 그 기능이 소실되도록 유전자 일부가 파쇄되거나, 유전자 전부가 제거되도록 추가로 형질전환된 것이 좋다.On the other hand, in the first, second, or third aspect of the present invention, the Escherichia coli preferably is selected from the group consisting of 1,3-propanediol dehydrogenase ( yqhD ) It is preferable that the gene encoding the gene is further transformed so that a part of the gene is disrupted so that the function thereof is lost or the whole gene is removed.

한편, 본 발명의 제1형태 또는 제2형태 또는 제3형태에 있어서, 상기 재조합 대장균은, 바람직하게 3-HPA를 3-HP로 전환시키는 역할을 하는 자체 보유의 알데하이드 데하이드로지나아제(aldehyde dehydrogenase) 암호화 유전자가 제거되고, 슈도모나스 애루지노사(Pseudomonas aeruginosa) 유래의 알데하이드 데하이드로지나아제 유전자가 도입된 것이 바람직하다. On the other hand, in the first, second or third aspect of the present invention, the recombinant E. coli preferably has a self-contained aldehyde dehydrogenase (hereinafter referred to as " aldehyde dehydrogenase " ) encoding gene is removed, Pseudomonas her labor Rouge (Pseudomonas aeruginosa- derived aldehyde dehydrogenase gene is preferably introduced.

한편, 본 발명의 제1형태 또는 제2형태 또는 제3형태에 있어서, 상기 배지는 바람직하게 보효소 B12가 첨가된 것이 좋다. 글리세롤 데히드라타제는 글리세롤을 3-히드록시프로피온알데히드로 전환하는 효소로서, 본 발명에서는 락토바실러스 브레비스(Lactobacillus brevis) 유래의 것을 사용한다. 글리세롤 데히드라타제는 B12-의존성으로서, 반응을 위해 반드시 B12가 필요하기 때문이다.On the other hand, in the first, second or third aspect of the present invention, it is preferable that the medium is added with coenzyme B 12 . Glycerol having hydratase is an enzyme that converted glycerol to 3-hydroxy propionaldehyde, in the present invention, Lactobacillus brevis (Lactobacillus brevis . Glycerol dehydratase is B 12 -dependent because B 12 is required for the reaction.

한편, 본 발명의 제1형태 또는 제2형태 또는 제3형태에 있어서, 상기 대장균은, 글리세롤 데히드라타제 리액티바제(glycerol dehydratase reactivase)가 발현되도록 추가적으로 형질전환된 것이 좋은데, 발현된 글리세롤 데히드라타제(glycerol dehydratase; DHAB)의 활성을 지속적으로 유지시켜 줄 수 있기 때문이다. On the other hand, in the first, second or third aspect of the present invention, the Escherichia coli is further transformed so that glycerol dehydratase reactivase is expressed, wherein the expressed glycerol dehydra Because it can maintain the activity of glycerol dehydratase (DHAB) constantly.

본 발명에서는 글리세롤로부터 고농도의 3-HP를 얻기 위해 글리세롤 대사에 관여하는 글리세롤 키나아제(glycerol kinase, glpK), 글리세롤 데하이드로지나아제(glycerol dehydrogenase, gldA) 유전자를 람다 레드 리컴비나아제(λ red recombinase) 방법을 이용하여 파쇄하였다. 또한, 3-HP의 전구체인 3-히드록시프로피온알데히드(3-hydroxypropionaldehyde; 3-HPA)에서 생산될 수 있는 또 다른 대사산물인 1,3-PDO(propanediol) 생산을 억제하기 위해 1,3-프로판다이올 데하이드로지나아제(1,3-propanediol dehydrogenase, yqhD) 유전자를 같은 방법으로 파쇄하였다. 이를 통해 구축된 여러 균주 중 BL21 star (DE3) Δ glpK Δ yqhD/pELDRR/pCEa 균주와 BL21 star (DE3) Δ glpK Δ gldA/pELDRR /pCEa 균주는 기존 균주에 비해 3-HP의 수율이 각각 3.6배, 5.2배 증가하였다. In the present invention, glycerol kinase ( glpK ), glycerol dehydrogenase ( gldA ) genes involved in glycerol metabolism are treated with lambda red recombinase to obtain high concentration of 3-HP from glycerol. Method. In order to inhibit the production of 1,3-PDO (propanediol), another metabolite that can be produced from 3-hydroxypropionaldehyde (3-HPA), a precursor of 3-HP, The 1,3-propanediol dehydrogenase ( yqhD ) gene was disrupted by the same method. This multiple strains of BL21 star (DE3) established by Δ glpK Δ yqhD / pELDRR / pCEa strain and BL21 star (DE3) Δ glpK Δ gldA / pELDRR / pCEa strain of 3-HP yield 3.6 times respectively as compared to existing strains , And 5.2 times, respectively.

한편, 기존 균주의 경우, 3-HPA를 3-HP로 전환시키는 역할을 하는 알데하이드 데하이드로지나아제(aldehyde dehydrogenase) 유전자의 역가가 글리세롤 데하이드라타아제(glycerol dehydratase)의 역가에 비해 현저히 낮아서 독성이 있는 대사체인 3-HPA가 균주 내에 축적되는 문제점이 있었다. 본 발명에서는 기존에 사용하던 대장균(E. coli) 유래의 알데하이드 데하이드로지나아제(aldehyde dehydrogenase)보다 역가가 높은 슈도모나스 애루지노사(Pseudomonas aeruginosa)유래의 알데하이드 데하이드로지나아제 유전자를 도입시킴으로써 수율을 1.27배 더 증가시켰다.On the other hand, in the case of the existing strains, the activity of the aldehyde dehydrogenase gene, which functions to convert 3-HPA to 3-HP, is significantly lower than that of glycerol dehydratase, 3-HPA, which is a metabolic pathway, is accumulated in the strain. In the present invention, Escherichia coli (E. coli) Pseudomonas lover than the high activity Kinase (aldehyde dehydrogenase) through to the hydro-derived aldehyde was used in the existing industrial Rouge (Pseudomonas The yield was increased 1.27 times by introducing the aldehyde dehydrogenase gene derived from the aeruginosa .

이후, 자일로스를 기질로 하여 3-HP를 생산하기 위하여 추가적으로 디하이드록시아세톤 포스페이트(dihydroxyacetone phosphate)를 글리세롤로 전환하는 글리세롤-3-포스파타아제(glycerol-3-phosphatase)와 글리세롤-3-포스페이트 데하이드로지나아제(glycerol-3-phosphate dehydrogenase) 유전자를 pCDFduet-1 벡터에 클로닝하여 형질전환 하였다. 이를 통해 구축된 균주 중 BL21 star (DE3) Δ glpKΔyqhD/pELDRR/pCaGPDGPP 균주와 BL21 star (DE3) Δ glpKΔ gldA/pELDRR/pCaGPDGPP 균주는 자일로스로부터 3-HP를 각각 13.2 g/L와 22.2 g/L로 생산하였다.Thereafter, glycerol-3-phosphatase and glycerol-3-phosphatase, which further convert dihydroxyacetone phosphate to glycerol to produce 3-HP using xylose as a substrate, The glycerol-3-phosphate dehydrogenase gene was cloned into pCDFduet-1 vector and transformed. This, the BL21 star (DE3) of the strains built with Δ glp K Δyqh D / pELDRR / pCaGPDGPP strain and BL21 star (DE3) Δ glp K Δ gld A / pELDRR / pCaGPDGPP strain is 13.2 to 3-HP from xylose each g / L and 22.2 g / L, respectively.

한편, 도 1은 3-HP 생산을 위한 본 발명 재조합 대장균 내 대사경로를 보여준다. 도 1에서, "X"가 표시된 유전자는 해당 유전자가 전부 또는 일부 파쇄되어 그 활성이 발휘되지 못함을 의미하고, 파란색 타원으로 표시된 유전자는 해당 유전자가 신규로 발현되거나 또는 과발현된 것이다. Figure 1, on the other hand, shows the metabolic pathway in the recombinant E. coli of the present invention for 3-HP production. In Fig. 1, the gene indicated by "X" means that the gene is completely or partially disrupted and its activity is not exerted, and the gene indicated by the blue ellipse is a newly expressed or overexpressed gene.

한편, 본 발명에서는, 글리세롤을 3-히드록시프로피온산(3-hydroxypropionic acid)의 전구체가 되는 3-히드록시프로피온알데히드(3-hydroxypropionaldehyde; 3-HPA)로 전환시키기 위하여, 글리세롤 데히드라타제(glycerol dehydratase; DHAB)를 발현시키는데, 대장균에는 이 효소가 존재하지 않기 때문에 다른 미생물 유래의 것을 클로닝해서 사용해야 한다. 다양한 미생물 유래 글리세롤 데히드라타제의 클로닝 및 대장균 내 발현은 미국등록특허 US 7067300를 참조하여 당업계의 상식으로부터 수행할 수 있다(Suryang Kwak, Yong-Cheol Park, Jin-Ho Seo : Biosynthesis of 3-hydroxypropionic acid from glycerol in recombinant Escherichia coli expressing Lactobacillus brevis dhaB and dhaR gene clusters and E. coli K-12 aldH, 2012 online published), (Subramanian Mohan Raj, Sunghoon Park : Production of 3-hydroxypropionic acid from glycerol by a novel recombinant Escherichia coli BL21 strain, Process Biochemistry , 2008, 1440-1446). 일 예로는 본 발명자들이 등록받은 대한민국 등록특허 10-1048151호(등록일자 2011년 07월 04일)에서 사용한 바와 같이 락토바실러스 브레비스(Lactobacillus brevis) 유래의 것을 사용할 수 있다. 다만, 다른 미생물 유래의 효소를 대장균에서 발현시킬 경우, 해당 효소의 개시코돈을 대장균에서 개시 가능한 개시코돈(ATG)으로 바꿔줄 필요도 있는데, 이에 관한 지식 및 기술은 유전공학에 관한 당업계의 상식으로부터 자명하게 수득 및 수행할 수 있는 바이므로 구체적인 기재는 생략하기로 한다. In the present invention, in order to convert glycerol to 3-hydroxypropionaldehyde (3-HPA) which is a precursor of 3-hydroxypropionic acid, glycerol dehydratase ; DHAB). Since Escherichia coli does not have this enzyme, clones derived from other microorganisms should be cloned. Cloning and expression in E. coli of a variety of microbial glycerol dehydratases can be performed from common sense in the art with reference to U.S. Pat. No. 7,067,300 (Suryang Kwak, Yong-Cheol Park, Jin-Ho Seo: Biosynthesis of 3-hydroxypropionic acid from glycerol in recombinant Escherichia coli expressing Lactobacillus brevis dhaB and dhaR gene clusters and Escherichia coli K-12 aldH, 2012 online (Subramanian Mohan Raj, Sunghoon Park: Production of 3-hydroxypropionic acid from glycerol by recombinant Escherichia coli BL21 strain, Process Biochemistry, 2008, 1440-1446). As an example, as used in Korean Registered Patent No. 10-1048151 (registered on July 04, 2011), which the present inventors have registered, Lactobacillus brevis brevis can be used. However, when an enzyme derived from another microorganism is expressed in Escherichia coli, it is necessary to convert the initiation codon of the enzyme into an initiation codon (ATG) that can be initiated in Escherichia coli. And thus the detailed description thereof will be omitted.

한편, 본 발명에서는 디하이드록시아세톤 포스페이트(DHAP, dihydroxyacetone phosphate)로부터 글리세롤을 생산하기 위해 글리세롤-3-포스파타아제(glycerol-3-phosphatase)와 글리세롤-3-포스페이트 데하이드로지나아제(glycerol-3-phosphate dehydrogenase)를 발현시키는데, 대장균에는 이 효소가 존재하지 않기 때문에 다른 미생물 유래의 것을 클로닝해서 발현시켜야 한다(M. Hartlep, A.-P. Zeng : Study of two-stage processes for the microbial production of 1,3-propanediol from glucose, Appl Microbiol Biotechnol, 2002, 60:60-66). 일 예로는 사카로마이세스 세레비지애(Saccharomyces cerevisiae)의 것을 사용할 수 있다. 유전자의 클로닝 및 대장균 내 발현은 상기에서 설명한 바와 같이 당업계의 상식 및 기술로부터 용이하게 수행할 수 있으므로, 이에 관한 기재는 생략하기로 한다. In the present invention, glycerol-3-phosphatase and glycerol-3-phosphate dehydrogenase are used to produce glycerol from dihydroxyacetone phosphate (DHAP) -phosphate dehydrogenase. Since Escherichia coli does not have this enzyme, it must be cloned and expressed from other microorganisms (M. Hartlep, A.-P. Zeng : Study of two-stage processes for the microbial production of 1,3-propanediol from glucose, Appl Microbiol Biotechnol, 2002, 60: 60-66). As an example, Saccharomyces cerevisiae can be used. The cloning and expression of the gene in E. coli can be easily carried out from the common knowledge and skill in the art as described above, so that description thereof will be omitted.

한편, 본 발명에서 사용한 형질전환의 방법은 유전공학계에 알려진 공지의 방법을 통해 수행할 수 있으므로, 이에 대한 구체적인 기재도 생략하기로 한다.
In the meantime, the method of transformation used in the present invention can be carried out by a known method known in the genetic engineering system, so that detailed description thereof will be omitted.

상기 본 발명의 제1형태, 제2형태, 제3형태에 의할 경우, 산업적으로 유용한 3-히드록시프로피온산(3-HP)을 글리세롤, 자일로스, 글루코스로부터 각각 고수율로 생산할 수 있다.
According to the first, second and third embodiments of the present invention, industrially useful 3-hydroxypropionic acid (3-HP) can be produced from glycerol, xylose and glucose in high yields, respectively.

도 1은 3-HP 생산을 위한 본 발명 재조합 대장균 내 대사경로를 보여준다.
도 2는 람다 레드 리컴비나아제(λ red recombinase) 방법을 이용한 유전자 파쇄 모식도이다.
도 3은 본 발명에서 구축한 벡터 pCPa72의 벡터맵이다.
도 4는 본 발명에서 구축한 벡터 pCaGPDGPP의 벡터맵이다.
도 5는 본 발명에서 구축한 네 가지 균주의 유가식 배양결과(도 5a, 도 5a, 도 5c, 도 5d)이다. 5a: BL21 star (DE3) /pELDRR/pCEa, 5b: BL21 star (DE3) ΔglpK/pELDRR/pCEa, 5c: BL21 star (DE3) Δ glpK Δ gldA/pELDRR/pCEa, 5d: BL21 star (DE3) Δ glpK Δ yqhD/pELDRR/pCEa.
도 6은 이 콜라이(E. coli) 유래의 알데하이드 데하이드로지나아제와 슈도모나스 애루지노사 유래의 알데하이드 데하이드로지나아제의 비효소역가를 비교한 결과이다.
도 7은 슈도모나스 애루지노사 유래의 알데하이드 데하이드로지나아제를 도입한 BL21 star (DE3) Δ glpK Δ yqhD/pELDRR/pCPa72 균주의 유가식 배양 결과이다.
도 8은 BL21 star (DE3) Δ glpK/pCaGPDGPP 균주의 회분식 배양 결과이다.
도 9는 BL21 star (DE3) Δ glpgldA/pELDRR/pCaGPDGPP 균주의 유가식 배양 결과이다.
도 10은 BL21 star (DE3) Δ glpKΔ yqhD/pELDRR/pCaGPDGPP 균주의 유가식 배양 결과이다.
도 11은 포도당 배지에서 BL21 star (DE3) Δ glpK Δ yqhD/pELDRR/pCa72 균주(도 11a), BL21 star (DE3) Δ glpK Δ gldA/pELDRR/pCa72 균주(도 11b), BL21 star (DE3) Δ glpK Δ yqhD/pELDRR/pCaGPDGPP 균주(도 11c), BL21 star (DE3) Δ glpK ΔgldA/pELDRR/pCaGPDGPP 균주(도 11d)의 회분식 배양결과이다.
Figure 1 shows the metabolic pathway in the present recombinant E. coli for 3-HP production.
2 is a schematic diagram of gene disruption using the lambda red recombinase method.
3 is a vector map of the vector pCPa72 constructed in the present invention.
4 is a vector map of the vector pCaGPDGPP constructed in the present invention.
FIG. 5 shows the results of the fed-batch culture of the four strains constructed in the present invention (FIGS. 5A, 5A, 5C and 5D). 5a: BL21 star (DE3) / pELDRR / pCEa, 5b: BL21 star (DE3) ΔglpK / pELDRR / pCEa, 5c: BL21 star (DE3) Δ glpK Δ gldA / pELDRR / pCEa, 5d: BL21 star (DE3) Δ glpK DELTA yqhD / pELDRR / pCEa.
Fig. 6 is a result of comparing the non-enzyme activity of an aldehyde dehydrogenase derived from E. coli with an aldehyde dehydrogenase derived from Pseudomonas aeruginosa.
Figure 7 is introduced through the hydro-azepin to the Pseudomonas Ke Rouge labor-derived aldehyde BL21 star (DE3) Δ glpK Δ is a fed-batch culture the results of the yqhD / pELDRR / pCPa72 strain.
Figure 8 is a batch culture results in the BL21 star (DE3) Δ glpK / pCaGPDGPP strain.
9 is BL21 star (DE3) Δ glp KΔ is a fed-batch culture results of gldA / pELDRR / pCaGPDGPP strain.
10 is BL21 star (DE3) Δ glp K Δ is a fed-batch culture the results of the yqhD / pELDRR / pCaGPDGPP strain.
11 is BL21 star (DE3) in the glucose medium Δ glpK Δ yqhD / pELDRR / pCa72 strain (Fig. 11a), BL21 star (DE3) Δ glpK Δ gldA / pELDRR / pCa72 strain (Fig. 11b), BL21 star (DE3) Δ glpK Δ yqhD / pELDRR / pCaGPDGPP strain (Fig. 11c), a batch culture results in the BL21 star (DE3) Δ glpK ΔgldA / pELDRR / pCaGPDGPP strain (Fig. 11d).

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.

[[ 실시예Example 1: 재조합 대장균의 제조] 1: Production of recombinant Escherichia coli]

1) 글리세롤 1) Glycerol 키나아제Kinase (( glycerolglycerol kinasekinase ), 글리세롤 데하이드로지나아제(), Glycerol dehydrogenase ( glycerolglycerol dehydrogenase), 1,3- dehydrogenase), 1,3- 프로판다이올Propanediol 데하이드로지나아게(1,3- Dehydrogenase (1,3- propanediolpropanediol dehydrogenase) 유전자의 파쇄 dehydrogenase) gene

모균주인 BL21 star(DE3)의 글리세롤 키나아제(glycerol kinase, glpK), 글리세롤 데하이드로지나아제(glycerol dehydrogenase, gldA), 1,3-프로판다이올 데하이드로지나아제(1,3-propanediol dehydrogenase, yqhD) 유전자의 파쇄를 위해 람다 레드 리컴비나아제(λ red recombinase) 방법(Kirill A. Datsenko, Barry L. Wanner and Wanner : One-step inactivation of chromosomal genes in Escherichia coli K-12 using PCR products, PNAS, 2000, 12:6640-6645)을 사용하였다. 도 2는 람다 레드 리컴비나아제(λ red recombinase) 방법을 이용한 유전자 파쇄 모식도이다. Glycerol kinase of the parent strain BL21 star (DE3) (glycerol kinase , glpK), through dihydro having glycerol kinase (glycerol dehydrogenase, gldA), having come through dihydro-1,3-dimethyl propane dehydratase (1,3-propanediol dehydrogenase, yqhD ). For the disruption of the gene, the lambda red recombinase method (Kirill A. Datsenko, Barry L. Wanner and Wanner: One-step inactivation of chromosomal genes in Escherichia coli K-12 using PCR products, PNAS, 2000, 12: 6640-6645). 2 is a schematic diagram of gene disruption using the lambda red recombinase method.

먼저, 카나마이신 저항성 카세트(kanamycin resistance cassettes)를 얻기 위해 하기 표 1 에 나열된 프라이머들을 이용하여 pKD13 (Kirill A. Datsenko, Barry L. Wanner and Wanner : One-step inactivation of chromosomal genes in Escherichia coli K-12 using PCR products, PNAS, 2000, 12:6640-6645)을 주형으로 PCR (polymerase chain reaction)을 수행하였다. 이렇게 얻어진 카나마이신 저항성 카세트를 pKD46 (Kirill A. Datsenko, Barry L. Wanner and Wanner : One-step inactivation of chromosomal genes in Escherichia coli K-12 using PCR products, PNAS, 2000, 12:6640-6645)이 도입된 대장균 BL21 star (DE3)에 형질전환하여 유전자들(glpK , gldA , yqhD)을 파쇄하였다. 표 1에 나열된 프라이머들을 이용하여 콜로니 PCR을 통해 타겟 유전자가 파쇄된 것으로 확인한 균주에 pCP20(Kirill A. Datsenko, Barry L. Wanner and Wanner : One-step inactivation of chromosomal genes in Escherichia coli K-12 using PCR products, PNAS, 2000, 12:6640-6645)을 도입하여 카나마이신 저항성 카세트를 제거하였다(도 2).First, kanamycin-resistance cassette pKD13 (using the primers listed in Table 1 to obtain (kanamycin resistance cassettes) Kirill A. Datsenko , Barry L. Wanner and Wanner: One-step inactivation of chromosomal genes in Escherichia coli K-12 using PCR products, PNAS, 2000, 12: 6640-6645) was used as a template for polymerase chain reaction (PCR). The thus-obtained kanamycin-resistant cassette pKD46 (Kirill A. Datsenko, Barry L. Wanner and Wanner: One-step inactivation of chromosomal genes in Escherichia coli K-12 using PCR products, PNAS, 2000, 12: 6640-6645) Genes ( glpK , gldA , yqhD ) were disrupted by transformation into E. coli BL21 star (DE3). In order to confirm that the target gene was disrupted by colony PCR using the primers listed in Table 1, pCP20 (Kirill A. Datsenko, Barry L. Wanner and Wanner: One-step inactivation of chromosomal genes in Escherichia coli K-12 using PCR products, PNAS, 2000, 12: 6640-6645) was introduced to remove the kanamycin resistance cassette (Fig. 2).

[표 1][Table 1]

글리세롤 키나아제, 글리세롤 데하이드로지나아제, 1,3-프로판다이올 데하이드로지나아제 유전자의 파쇄를 위해 사용한 균주, 프라이머, 벡터Glycerol kinase, glycerol dehydrogenase, a strain used for the disruption of the 1,3-propanediol dehydrogenase gene, a primer, a vector

Figure 112013006318770-pat00001

Figure 112013006318770-pat00001

실험 결과, BL21 star (DE3) Δ glpK , BL21 star (DE3) Δ glpK Δ gldA , BL21 star (DE3) Δ glpK Δ yqhD 균주가 구축되었다.
Experimental results, BL21 star (DE3) Δ glpK, BL21 star (DE3) Δ Δ gldA glpK, BL21 star (DE3) Δ Δ glpK yqhD The strain was constructed.

2) 슈도모나스  2) Pseudomonas 애루지노사Aruzinosa (( PseudomonasPseudomonas aeruginosaaeruginosa ) 유래의 Originating 알데하이드Aldehyde 데하이드로지나아제( Dehydrogenase ( aldehydealdehyde dehydrogenasedehydrogenase ) 유전자 ) gene 클로닝Cloning

슈도모나스 애루지노사(Pseudomonas aeruginosa) 유래의 알데하이드 데하이드로지나아제(aldehyde dehydrogenase)를 암호화하는 PSPA _3072 유전자를 PCR을 통해 증폭한 뒤 pCDFDuet-1 벡터에 도입하였다. 그 결과, pCDFDuet-1-PSPA _3072 (pCPa72)벡터가 구축되었다(표 2)(도 3). 도 3은 구축된 벡터 pCPa72의 벡터맵이다. Pseudomonas Alejino (Pseudomonas aeruginosa) Encoding an aldehyde dehydrogenase derived from an aldehyde dehydrogenasePSPA _3072The gene was amplified by PCR and then introduced into the pCDFDuet-1 vector. As a result, pCDFDuet-1-PSPA _3072 (pCPa72) vector was constructed (Table 2) (Figure 3). 3 is a vector map of the constructed vector pCPa72.

[표 2][Table 2]

알데하이드 데하이드로지나아제 유전자 도입에 사용한 균주, 프라이머, 벡터The strains, primers, vectors used for gene introduction of aldehyde dehydrogenase

Figure 112013006318770-pat00002
Figure 112013006318770-pat00002

*밑줄 친 서열은 제한효소 자리이다.
* The underlined sequence is the restriction enzyme site.

3) 글리세롤-3-포스파타아제( 3) Glycerol-3-phosphatase ( glycerolglycerol -3--3- phosphatase포스화제 )와 글리세롤-3-) And glycerol-3- 포스페이트Phosphate 데하이드로지나아제( Dehydrogenase ( glycerolglycerol -3--3- phosphatephosphate dehydrogenasedehydrogenase ) 유전자의 ) Of the gene 클로닝Cloning

사카로마이세스 세레비지애(Saccharomyces cerevisiae) D-452-2 유래의 글리세롤-3-포스파타아제(glycerol-3-phosphatase)와 글리세롤-3-포스페이트 데하이드로지나아제(glycerol-3-phosphate dehydrogenase)를 각각 암호화하는 GPP2GPD1 유전자를 PCR을 통해 증폭한 뒤, 위 실시예 1의 2)에서 구축된 pCPa72 벡터의 MCS2 (Multi Cloning Site 2)에 클로닝하였다. 그 결과, pCPa72-GPD1-GPP2 (pCaGPDGPP)벡터가 구축되었다(표 3, 도 4). 도 4는 구축된 벡터 pCaGPDGPP의 벡터맵이다. Saccharomyces cerevisiae) D-452-2-derived glycerol-3-phosphatase (glycerol-3-phosphatase) and glycerol-3-phosphate dehydro through dehydratase (glycerol-3-phosphate dehydrogenase) and GPP2 the GPD1 encoding each The gene was amplified by PCR and cloned into MCS2 (Multi Cloning Site 2) of pCPa72 vector constructed in 2) of Example 1 above. As a result, the pCPa72-GPD1-GPP2 (pCaGPDGPP) vector was constructed (Table 3, Fig. 4). Figure 4 is a vector map of the constructed vector pCaGPDGPP.

[표 3][Table 3]

글리세롤-3-포스파타아제와 글리세롤-3-포스페이트 데하이드로지나아제 유전자의 도입에 사용한 균주, 프라이머, 벡터A strain, a primer, and a vector used for introducing glycerol-3-phosphatase and glycerol-3-phosphate dehydrogenase gene

Figure 112013006318770-pat00003
Figure 112013006318770-pat00003

*밑줄 친 서열은 제한효소 자리이다.
* The underlined sequence is the restriction enzyme site.

4) 형질전환을 통한 재조합 대장균 구축 4) Construction of recombinant E. coli through transformation

상기 실시예 1의 2), 3)에서 구축한 벡터를 이전 특허에서 구축한 pET29-dhaB-dhaR (pELDRR) (대한민국 등록특허 10-1048151 중 참고도 7 참조 요망) 벡터와 함께 상기 실시예 1의 1)에서 구축된 균주들에 형질전환하여 재조합 대장균을 구축하였다. 이때, 사용한 균주와 플라스미드는 다음과 같다(표 4, 표 5).The vector constructed in 2) and 3) of Example 1 above was mixed with the vector of pET29-dhaB-dhaR (pELDRR) (refer to Reference 7 in Korean Patent No. 10-1048151) 1) to construct recombinant E. coli. The strains and plasmids used were as follows (Table 4, Table 5).

[표 4][Table 4]

형질전환에 사용된 균주Strain used for transformation

Figure 112013006318770-pat00004

Figure 112013006318770-pat00004

[표 5][Table 5]

형질전환에 사용된 플라스미드The plasmid used for transformation

Figure 112013006318770-pat00005
Figure 112013006318770-pat00005

* Kanr : Kanamycin 저항성 유전자, Sm r : Streptomycin/Spectinomycin 저항성 유전자
* Kan r : Kanamycin resistance gene, Sm r : Streptomycin / Spectinomycin resistance gene

[[ 실시예Example 2: 유전자 파쇄 효과를 확인하기 위한 재조합 대장균의  2: Recombinant Escherichia coli to confirm the gene disruption effect 유가식Oil price formula 배양-기질로 글리세롤 사용-] Culture - using glycerol as substrate -]

상기 실시예 1의 1)에서 시행한 유전자 파쇄 효과를 알아보기 위해 a: BL21 star (DE3) /pELDRR/pCEa, b: BL21 star (DE3) Δ glpK /pELDRR/pCEa, c: BL21 star (DE3) Δ glpK Δ gldA/pELDRR/pCEa, d: BL21 star (DE3) Δ glpK Δ yqhD /pELDRR/pCEa 의 네 가지 균주에 대해 pH-stat 유가식 배양을 실시하였다. 이때, 상기 네 가지 균주에 도입된 pCEa 벡터는 본 발명자들이 등록을 받은 대한민국 등록특허 10-1048151호의 참고도 7에 기재된 벡터로서, 이 콜라이(E. coli) K12 유래의 알데하이드 데하이드로지나아제 유전자가 클로닝되어 삽입된 것이다. (DE3) / pELDRR / pCEa, b: BL21 star (DE3) ? GlpK (DE3) in order to examine the gene disruption effect in 1) / pELDRR / pCEa, c: BL21 star (DE3) ? glpK ? gldA / pELDRR / pCEa, d: BL21 star (DE3) ? glpK ? yqhD / pELDRR / pCEa were carried out by pH-stat fed-batch culture. The pCEa vector introduced into the four strains was the vector described in Reference 7 in Korean Patent No. 10-1048151, which was registered by the inventors of the present invention. The pCEa vector was obtained by using the E. coli K12-derived aldehyde dehydrogenase gene Cloned and inserted.

발효는 2.5 L jar 발효기에서 1 L 부피로 수행하였다. 배지는 포도당 20 g/L 첨가된 리젠버그(Riesenberg medium) 배지를 사용하였으며, 항생제는 카나마이신(kanamycin) 50 mg/L, 스트렙토마이신(streptomycin) 50 mg/L가 사용되었다. 배양 중 공기는 1 vvm의 속도로 공급하였고, 교반은 12,000~13,000 rpm으로 수행하였으며, 배양온도는 발현 유도 전 37℃, 발현 유도 후 25℃로 하였다. pH는 28% 암모니아 워터(Ammonia water)를 공급하여 6.8이 되도록 조절하였다. Fermentation was performed in a 1 L volume in a 2.5 L jar fermenter. The culture medium was a Riesenberg medium supplemented with 20 g / L glucose. Kanamycin 50 mg / L and streptomycin 50 mg / L were used as antibiotics. During the culture, air was supplied at a rate of 1 vvm, stirring was performed at 12,000 ~ 13,000 rpm, and incubation temperature was 37 ° C before induction of expression and 25 ° C after induction of expression. The pH was adjusted to 6.8 by feeding 28% ammonia water.

배지 내에 당이 고갈된 시점부터 800 g/L 포도당과 14 g/L MgSO4·7H2O로 구성된 용액(Feeding solution)을 공급하였다. O.D600값이 100~120이 되었을 때 IPTG (Isopropyl-β-D-thio-galactoside) 0.2mM와 coenzyme B12 (glycerol dehydratase의 cofactor) 20μM을 첨가하여 발현유도를 하였고, 발현유도 후에는 coenzyme B12 의 분해를 막기 위해 불빛을 차단하여 주었다. 또한, 발현 유도시에 3-HP의 기질인 글리세롤 60 g/L를 덤핑하였다.From the point when the sugar was depleted in the medium, a feeding solution consisting of 800 g / L glucose and 14 g / L MgSO 4 · 7H 2 O was supplied. When the OD 600 value reached 100-120, expression was induced by adding 0.2 μM IPTG (isopropyl-β-D-thio-galactoside) and 20 μM coenzyme B 12 (glycerol dehydratase cofactor). After induction of expression, coenzyme B 12 I cut off the light to prevent the decomposition of. In addition, 60 g / L of glycerol, a substrate of 3-HP, was dumped upon induction of expression.

배양 결과는 도 5와 같았다. BL21 star (DE3) Δ glpK/pELDRR/pCEa 균주는 glpK가 파쇄됨으로써 글리세롤이 세포성장에 이용되는 것이 억제되어, 기존 BL21 star (DE3) pELDRR/pCEa 균주에 비해 3-HP 생산량 약 2배 증가하였으며, BL21 star (DE3) Δ glpK/pELDRR/pCEa 균주에서 추가적으로 yqhD 유전자를 파쇄시킨 ΔglpKΔyqhD/pELDRR/pCEa 균주는 1,3-프로판다이올(propanediol)의 생산량이 감소하여 3-HP 생산량이 약 50% 증가하였다. 도 5의 a 내지 d는 상기 네 가지 균주의 유가식 배양 결과(a, b, c, d)이다. The result of culturing was as shown in Fig. BL21 star (DE3) Δ glpK / pELDRR / pCEa strain is suppressed from being glycerol is used in the cell growth by being glpK is crushed, the old BL21 star (DE3) 3-HP production was increased approximately 2-fold compared to pELDRR / pCEa strain, the BL21 star (DE3) Δ glpK / pELDRR / Δ glpK Δ yqhD / pELDRR / pCEa strain pCEa strains was crushed for further yqhD gene is to reduce the production of 1,3-propanediol (propanediol) 3-HP production from about Respectively. 5 (a) to 5 (d) show the results (a, b, c, d) of the fermentation of the four strains.

[실[room 시예Sime 3: 슈도모나스  3: Pseudomonas 애루지노사Aruzinosa 유래의  Derived 알데하이드Aldehyde 데하이드로지나아제Dehydrogenase 유전자 도입 효과 확인-기질로 글리세롤 사용-] Checking the effect of gene transfer - using glycerol as substrate -]

상기 실시예 1의 2)에서 실시한 슈도모나스 애루지노사 유래의 알데하이드 데하이드로지나아제 유전자 도입 효과를 확인하기 위하여 유가식 배양을 실시하였고, 알데하이드 데하이드로지나아제의 역가를 측정하였다. Pseudomonas aeruginosa administered in Example 1, 2) In order to confirm the genealogical effect of aldehyde dehydrogenase derived from E. coli, the fermentation was carried out and the activity of aldehyde dehydrogenase was measured.

역가 측정은 베르그마이어 방법(Bergmeyer and Gawehn 1974)을 약간 변형한 방식으로 이루어졌다. 50 mM 포타슘 포스페이트 버퍼(pH 7.0), 0.4 mM NAD+, 5 mM MgCl2, 0.4 mM DTT, 50 mM 3-HPA 조성으로 이루어진 200 μL의 시료를 마이크로플레이트 리더(microplate reader, Molecular Devices Co., Sunnyvale, CA, USA)로 분석하였으며, 30℃, 340 nm에서 환원되는 NAD+양을 측정하였다. 1 unit 의 ALDH 역가는 1분에 1마이크로몰의 NAD+을 NADH로 환원시키는데 필요한 효소의 양으로 정의하였으며 비효소역가(Specific enzyme activity, U/ mg protein)값은 ALDH 역가를 세포 단백질 농도로 나눠준 값으로 정의하였다. Titration was done in a slightly modified version of Bergmeyer and Gawehn (1974). A 200 μL sample consisting of 50 mM potassium phosphate buffer (pH 7.0), 0.4 mM NAD + , 5 mM MgCl 2, 0.4 mM DTT and 50 mM 3-HPA was transferred to a microplate reader (Molecular Devices Co., Sunnyvale , CA, USA) and the amount of NAD + reduced at 30 ° C and 340 nm was measured. One unit of ALDH was defined as the amount of enzyme required to reduce 1 micromolar of NAD + to NADH per minute. Specific enzyme activity (U / mg protein) values were calculated by dividing the ALDH titer by the cell protein concentration Respectively.

유가식 배양의 배양 조건은 상기 실시예 2에서 명시한 유가식 배양 조건과 동일하게 하였다. The culture conditions of the fed-batch culture were the same as the fed-batch culture conditions described in Example 2 above.

역가 측정과 유가식 배양의 결과는 도 6, 도 7과 같았다. 도 6은 이 콜라이(E. coli) 유래의 알데하이드 데하이드로지나아제와 슈도모나스 애루지노사 유래의 알데하이드 데하이드로지나아제의 비효소역가를 비교한 결과이다. 도 7은 슈도모나스 애루지노사 유래의 알데하이드 데하이드로지나아제를 도입한 BL21 star (DE3) Δ glpK Δ yqhD/pELDRR/pCPa72 균주의 유가식 배양 결과이다. The results of the titration and fed-batch culture were as shown in Figs. 6 and 7. FIG. 6 is a graphE. coli) Derived from aldehyde dehydrogenase and aldehyde dehydrogenase derived from Pseudomonas aeruginosa. FIG. 7 is a graph showing the effect of BL21 star (DE3) -adrenoceptor-derived aldehyde dehydrogenase derived from Pseudomonas aeruginosaΔ glpK Δ yqhD/ pELDRR / pCPa72 strain.

슈도모나스 애루지노사 유래의 알데하이드 데하이드로지나아제는 이. 콜라이(E. coli) 유래의 알데하이드 데하이드로지나아제와 비교하여 약 1.42배 높은 역가를 보였다. 슈도모나스 애루지노사 유래의 알데하이드 데하이드로지나아제를 도입한 균주를 유가식 배양한 결과, 이 콜라이(E. coli) 유래의 알데하이드 데하이드로지나아제를 도입한 균주에 비해 3-HP 생산량이 57.38 g/L약 30% 증가하였으며, 수율(M 3-HP/M glycerol) 또한 0.93으로 약 27% 증가하였다.
Pseudomonas Alejino The resulting aldehyde dehydrogenase is referred to as < RTI ID = 0.0 > Showed about 1.42-fold higher potency as compared to the aldehyde dehydrogenase derived from E. coli . Pseudomonas Ke Rouge through dihydro having aldehyde of industrial origin result of the introduction of the strain azepin fed-batch culture, the E. coli (E. coli) The 3-HP production compared to the aldehyde dehydro strain introduced through the dehydratase derived from 57.38 g / L, and the yield (M 3 -HP / M glycerol) was also increased by about 27% to 0.93.

[[ 실시예Example 4: 글리세롤-3-포스파타아제( 4: glycerol-3-phosphatase ( glycerolglycerol -3--3- phosphatase포스화제 )와 글리세롤-3-) And glycerol-3- 포스Force 페이트 Pate 데하이드로지나아제Dehydrogenase (( glycerolglycerol -3--3- phosphatephosphate dehydrogenasedehydrogenase ) 유전자 도입 효과 확인-기질로 ) Confirmation of gene transfer effect - 자일로스Xylose 사용-] use-]

상기 실시예 1의 3)에서 실시한 글리세롤-3-포스파타아제와 글리세롤-3-포스페이트 데하이드로지나아제 유전자 GPD1, GPP2의 도입 효과를 확인하기 위하여 회분식 배양과 유가식 배양을 실시하였다. To confirm the effect of introducing glycerol-3-phosphatase and glycerol-3-phosphate dehydrogenase genes GPD1 and GPP2 in 3) of Example 1, batch culture and fed-batch culture were carried out.

회분식 배양은 100 mL 부피로 수행하였다. 배지는 자일로스 10 g/L와 함께 이스트 익스트랙트 5g/L가 첨가된 리젠버그 배지(Riesenberg medium)를 사용하였다. 항생제는 스트렙토마이신 50 mg/L가 사용되었다. 도입 효소의 발현 유도(induction)는 O.D600 값이 0.8~1이 되었을 때 IPTG 0.2 Mm을 첨가하여 수행했다. 발현유도 전까지는 37℃, 발현 후에는 25℃에서 배양하였으며, 산소 교반을 위해 250 rpm에서 배양을 수행하였다.The batch culture was carried out in a volume of 100 mL. The medium used was Riesenberg medium supplemented with 10 g / L of xylose and 5 g / L of yeast extract. Streptomycin 50 mg / L was used as an antibiotic. Induction of the introduced enzyme was performed by adding 0.2 Mm of IPTG when the OD 600 value became 0.8 ~ 1. The cells were cultured at 37 ° C until expression induction and at 25 ° C after expression, and cultured at 250 rpm for oxygen agitation.

한편, 유가식 배양은 2.5 L jar 발효기에서 1 L 부피로 수행하였다. 배지는 자일로스 20 g/L와 함께 이스트 익스트랙트가 5g/L가 첨가된 리젠버그 배지를 사용하였으며, 항생제는 카나마이신 50 mg/L, 스트렙토마이신 50 mg/L가 사용되었다. 전배양은 회분식 배양조건과 동일하되, 카나마이신 50 mg/L, 스트렙토마이신 50 mg/L을 첨가하였고, 발현 유도를 하지 않은 상태에서 12시간 배양하였다. 배양 중 공기는 1 vvm의 속도로 공급하였고, 교반은 12,000~13,000 rpm으로 수행하였으며, 배양온도는 발현 유도 전은 37℃, 발현 유도 후에는 25℃로 하였다. pH는 28% 암모니아 워터(Ammonia water)를 공급하여 6.74~6.82가 되도록 조절하였다.On the other hand, fed-batch culture was performed in a 1 L volume in a 2.5 L jar fermenter. The medium used was Regenberg medium supplemented with 20 g / L of xylose and 5 g / L of yeast extract, and 50 mg / L of kanamycin and 50 mg / L of streptomycin were used as antibiotics. The preculture was the same as the batch culture condition except that 50 mg / L of kanamycin and 50 mg / L of streptomycin were added and cultured for 12 hours without expression induction. During the culture, air was supplied at a rate of 1 vvm, stirring was performed at 12,000 ~ 13,000 rpm, and the incubation temperature was 37 ° C before expression induction and 25 ° C after expression induction. The pH was adjusted to 6.74 to 6.82 by feeding 28% ammonia water.

배지 내에 당이 고갈된 시점부터 600 g/L 자일로스와 14 g/L MgSO4·7H2O로 구성된 피딩용액(Feeding solution)을 0.75 g/L·h 속도로 컨스턴트 피딩(Constant feeding) 해주었다. 그리고 O.D600값이 3.0~8.0이 되었을 때 IPTG 0.2 mM와 coenzyme B12(glycerol dehydratase의 cofactor) 20μM을 첨가하여 발현유도를 하였고, 발현유도 후에는 coenzyme B12 의 분해를 막기 위해 불빛을 차단하여 주었다. From the point where the sugar is depleted in the medium, a feeding solution composed of 600 g / L xylose and 14 g / L MgSO 4 · 7H 2 O is constantly fed at a rate of 0.75 g / L · h . When the OD 600 value was 3.0 ~ 8.0, 20 μM of IPTG and coenzyme B 12 (cofactor of glycerol dehydratase) were added to induce expression, and after induction of expression, light was blocked to prevent degradation of coenzyme B 12 .

자일로스 배지에서 실시한 BL21 star (DE3) Δ glpK/pCaGPDGPP 균주의 회분식 배양 결과는 도 8과 같았는데, GPD1, GPP2 도입 전과 달리 글리세롤이 생산되어 축적되는 양상을 보였다. 도 8은 BL21 star (DE3) Δ glpK/pCaGPDGPP 균주의 회분식 배양 결과이다. Xylene were BL21 star (DE3) Δ glpK / batch culture results in pCaGPDGPP strain pattern to accumulate glycerol is produced unlike before 8 and seemed, GPD1, GPP2 introduced conducted by Los medium. Figure 8 is a batch culture results in the BL21 star (DE3) Δ glpK / pCaGPDGPP strain.

이에 따라 pCaGPDGPP 플라스미드를 BL21 star (DE3) Δ glpK Δ gldA/pELDRR와 BL21 star (DE3) Δ glpKΔ yqhD/pELDRR에 도입하여 유가식 배양을 실시하였다. 그 결과는 도 9, 도 10과 같았는데 glpK, yqhD 결핍 돌연변이 재조합 대장균은 120시간 동안 13.2 g/L의 3-HP를 생산하였으며, glpK , gldA 결핍 돌연변이 재조합 대장균은 223시간 동안 22.2 g/L의 3-HP를 생산하였다. 도 9는 BL21 star (DE3) Δ glpg l dA/pELDRR/pCaGPDGPP 균주의 유가식 배양 결과이다. 도 10은 BL21 star (DE3) Δ glpKΔ yqhD/pELDRR/pCaGPDGPP 균주의 유가식 배양 결과이다.
Thus by introducing a plasmid in pCaGPDGPP star BL21 (DE3) Δ Δ gldA glpK / pELDRR and BL21 star (DE3) Δ glp K Δ yqh D / pELD RR was subjected to fed-batch culture according. The result is 9, seemed to Figure 10 glp K, yqh D-deficient mutant recombinant E. coli was producing 3-HP of 13.2 g / L for 120 hours, glpK, gldA deficient mutant recombinant E. coli was 22.2 g / L for 223 hours Of 3-HP. 9 is BL21 star (DE3) is a fed-batch culture results in Δ glpg l dA / pELDRR / pCaGPDGPP strain. 10 is BL21 star (DE3) Δ glp K Δ is a fed-batch culture the results of the yqhD / pELDRR / pCaGPDGPP strain.

[[ 실시예Example 5: 기질로 포도당을 사용하여 3- 5: Using glucose as a substrate, 3- HPHP 생산] production]

포도당으로부터 3-HP를 생산하기 위하여 회분식 배양을 실시하였다. 회분식 배양은 100 mL 부피로 수행하였다. 배지는 포도당 10 g/L와 함께 이스트 익스트랙트 5 g/L가 첨가된 리젠버그 배지(Riesenberg medium)를 사용하였다. 항생제는 스트렙토마이신 50 mg/L가 사용되었다. 도입 효소의 발현 유도(induction)는 O.D600 값이 0.8~1이 되었을 때 IPTG 0.2 Mm을 첨가하여 수행했다. 발현유도 전까지는 37℃, 발현 후에는 25℃에서 배양하였으며, 산소 교반을 위해 250 rpm에서 배양을 수행하였다.Batch cultures were performed to produce 3-HP from glucose. The batch culture was carried out in a volume of 100 mL. The medium used was Riesenberg medium supplemented with 10 g / L of glucose and 5 g / L of yeast extract. Streptomycin 50 mg / L was used as an antibiotic. Induction of the introduced enzyme was performed by adding 0.2 Mm of IPTG when the OD 600 value became 0.8 ~ 1. The cells were cultured at 37 ° C until expression induction and at 25 ° C after expression, and cultured at 250 rpm for oxygen agitation.

포도당 배지에서 실시한 BL21 star (DE3) Δ glpK Δ yqh pELDRR/pCa72, BL21 star (DE3) Δ glpK Δ gldA/pELDRR/pCa72, BL21 star (DE3) Δ glpK Δ yqhD/pELDRR/ pCaGPDGPP, BL21 star (DE3) Δ glpK Δ gldA/pELDRR/pCaGPDGPP 균주의 회분식 배양결과는 도 11의 a~d와 같았다. 도 11a는 포도당 배지에서 BL21 star (DE3) Δ glpK ΔyqhD/pELDRR/pCa72 균주의 회분식 배양 결과이다. 도 11b는 포도당 배지에서 BL21 star (DE3) Δ glpK Δ gldA/pELDRR/pCa72 균주의 회분식 배양결과이다. 도 11c는 포도당 배지에서 BL21 star (DE3) Δ glpK Δ yqhD/pELDRR/pCaGPDGPP 균주의 회분식 배양결과이다. 도 11d는 포도당 배지에서 BL21 star (DE3) Δ glpK ΔgldA/pELDRR/pCaGPDGPP 균주의 회분식 배양결과이다. Conducted by the glucose medium BL21 star (DE3) Δ glpK Δ yqh pELDRR / pCa72, BL21 star (DE3) Δ glpK Δ gldA / pELDRR / pCa72, BL21 star (DE3) Δ glpK Δ yqhD / pELDRR / pCaGPDGPP, BL21 star (DE3) The results of the batch culture of Δ glpK Δ gldA / pELDRR / pCaGPDGPP strain were as shown in FIGS. Figure 11a is from the glucose medium BL21 star (DE3) is a batch culture results in Δ glpK ΔyqhD / pELDRR / pCa72 strain. Figure 11b is in the glucose medium BL21 star (DE3) Δ glpK Δ is a batch culture results in the gldA / pELDRR / pCa72 strain. Figure 11c is in the glucose medium BL21 star (DE3) Δ glpK Δ is a batch culture results in yqhD / pELDRR / pCaGPDGPP strain. Figure 11d is in the glucose medium BL21 star (DE3) is a batch culture results in Δ glpK ΔgldA / pELDRR / pCaGPDGPP strain.

실험 결과, GPD와 GPP가 도입된 BL21 star (DE3) Δ glpK ΔyqhD/pELDRR/pCaGPDGPP와 BL21 star (DE3) Δ glpK Δ gldA/pELDRR/pCaGPDGPP 균주에서만 3-HP가 생산되었고, BL21 star (DE3) Δ glpK Δ yqhD/pELDRR/pCa72, BL21 star (DE3) Δ glpK Δ gldA/pELDRR/pCa72 균주는 글리세롤을 만드는 경로가 없기 때문에 3-HP를 생산하지 못하였다. The experimental results, GPD and the GPP introduction BL21 star (DE3) Δ glpK ΔyqhD / pELDRR / pCaGPDGPP and BL21 star (DE3) Δ glpK Δ gldA / pELDRR / pCaGPDGPP only 3-HP has been producing strain, BL21 star (DE3) Δ Δ yqhD glpK / pELDRR / pCa72, BL21 star (DE3) Δ Δ gldA glpK / pELDRR / pCa72 strain did not produce 3-HP, because the path to create a glycerol.

한편, BL21 star (DE3) Δ glpK Δ yqhD/pELDRR/pCaGPDGPP와 BL21 star (DE3) Δg l pKΔ gldA/pELDRR/pCaGPDGPP 균주는 10 g/L의 포도당으로부터 3-HP를 각각 0.7 g/L, 0.6 g/L 생산하였다.On the other hand, BL21 star (DE3) Δ glpK Δ yqhD / pELDRR / pCaGPDGPP and BL21 star (DE3) Δg l pKΔ gldA / pELDRR / pCaGPDGPP strain is 0.7 g / L, 0.6 g of 3-HP from glucose of 10 g / L, respectively / L.

Claims (7)

삭제delete 글리세롤을 3-히드록시프로피온산(3-hydroxypropionic acid)의 전구체가 되는 3-히드록시프로피온알데히드(3-hydroxypropionaldehyde; 3-HPA)로 전환시키는 글리세롤 데히드라타제(glycerol dehydratase; DHAB)가 발현되도록 형질전환되고;
3-히드록시프로피온알데히드를 3-히드록시프로피온산으로 전환시키는 알데하이드 데하이드로지나아제(aldehyde dehydrogenase)가 발현되도록 형질전환되며;
글리세롤 키나아제(glycerol kinase)가 활성을 나타내지 못하도록 또는 글리세롤 키나아제(glycerol kinase)와 글리세롤 데하이드로지나아제(glycerol dehydrogenase) 모두가 활성을 나타내지 못하도록, 이들을 각각 암호화하는 유전자가 그 기능이 소실되도록 유전자 일부가 파쇄되거나, 유전자 전부가 제거되도록 형질전환되고;
디하이드록시아세톤 포스페이트(dihydroxyacetone phosphate)를 글리세롤로 전환하는 글리세롤-3-포스파타아제(glycerol-3-phosphatase)와 글리세롤-3-포스페이트 데하이드로지나아제(glycerol-3-phosphate dehydrogenase)가 발현되도록 형질전환된;
재조합 대장균을 자일로스가 첨가된 배지에서 배양하는 것을 특징으로 하는 3-히드록시프로피온산의 생산 방법.
Glycerol dehydratase (DHAB), which converts glycerol to 3-hydroxypropionaldehyde (3-HPA), which is a precursor of 3-hydroxypropionic acid, Being;
Is transformed to express an aldehyde dehydrogenase which converts 3-hydroxypropionaldehyde to 3-hydroxypropionic acid;
In order that the glycerol kinase does not exhibit activity or that both the glycerol kinase and the glycerol dehydrogenase do not exhibit activity, the gene encoding each of them is disrupted so that the function thereof is lost. Or all of the gene is removed;
The glycerol-3-phosphatase and glycerol-3-phosphate dehydrogenase, which convert dihydroxyacetone phosphate into glycerol, are designed to express glycerol-3-phosphate dehydrogenase Converted;
Wherein the recombinant Escherichia coli is cultured in a medium supplemented with xylose.
삭제delete 제2항에 있어서,
상기 재조합 대장균은,
3-HPA를 3-HP로 전환시키는 역할을 하는 자체 보유의 알데하이드 데하이드로지나아제(aldehyde dehydrogenase) 암호화 유전자가 제거되고, 슈도모나스 애루지노사(Pseudomonas aeruginosa) 유래의 알데하이드 데하이드로지나아제 유전자가 도입된 것을 특징으로 하는 3-히드록시프로피온산의 생산 방법.
3. The method of claim 2,
The recombinant Escherichia coli,
The aldehyde dehydrogenase coding gene, which is responsible for converting 3-HPA to 3-HP, is removed, and an aldehyde dehydrogenase gene derived from Pseudomonas aeruginosa is introduced ≪ RTI ID = 0.0 > 3-hydroxypropionic < / RTI > acid.
제2항에 있어서,
상기 대장균은,
1,3-프로판다이올 데하이드로지나아제(1,3-propanediol dehydrogenase, yqhD)가 활성을 나타내지 못하도록 이를 암호화하는 유전자가 그 기능이 소실되도록 유전자 일부가 파쇄되거나, 유전자 전부가 제거되도록 추가로 형질전환된 것을 특징으로 하는 3-히드록시프로피온산의 생산 방법.
3. The method of claim 2,
The above-
In order to prevent 1,3-propanediol dehydrogenase ( yqhD ) from exhibiting activity, a gene coding for the gene may be partially disrupted such that its function is lost, ≪ RTI ID = 0.0 > 3-hydroxypropionic < / RTI > acid.
제2항에 있어서,
상기 배지는,
보효소 B12가 첨가된 것을 특징으로 하는 3-히드록시프로피온산의 생산 방법.
3. The method of claim 2,
The above-
Wherein the coenzyme B 12 is added.
제2항에 있어서,
상기 대장균은,
글리세롤 데히드라타제 리액티바제(glycerol dehydratase reactivase)가 발현되도록 추가적으로 형질전환된 것을 특징으로 하는 3-히드록시프로피온산의 생산 방법.
3. The method of claim 2,
The above-
Glycerol dehydratase < / RTI > reactivase is further transformed to express the glycerol dehydratase reactivase.
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