KR101575208B1 - Microalgae Chlorella strain high-producing starch and lipid isolated from arctic ocean and uses thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기능성 전분 및 지질을 고농도로 축적하는 신규 미세조류 클로렐라(Chlorella sp.)에 관한 것으로, 본 발명에 따른 클로렐라 ArM29B 세포주는 배양 중에 고농도로 전분 및 지질을 축적하는 세포주로 확인되었으며, 다양한 온도조건에서 배양이 가능하며, 세포 내 중성기름 방울을 특이적으로 염색할 수 있는 나일 레드(nile red) 분석법으로 고농도의 지질을 축적하는 것을 확인함으로써, 바이오디젤 및 기능성 지질생산의 소재로 사용될 수 있다. 또한 본 세포주 클로렐라 ArM29B 세포주는 배양 중에 지질을 고농도로 축적하므로 바이오디젤용 미세조류로 적당하고, 결빙온도 이상에서는 모두 잘 자라므로 배양시 온도 조건을 특별히 맞출 필요가 없고, 봄 여름 가을 겨울 모두 잘 자라므로 연중 배양 및 생산이 가능하다.The present invention relates to a novel microalgae Chlorella sp. Which accumulates functional starch and lipid at a high concentration. The chlorella ArM29B cell line according to the present invention has been identified as a cell line that accumulates starch and lipid at high concentration during culture, And can be used as a material for the production of biodiesel and functional lipids by confirming accumulation of high concentration of lipid by nile red assay capable of specifically staining droplets of neutral oil in the cell . In addition, the present cell line Chlorella ArM29B cell line is suitable for microalgae for biodiesel because it accumulates lipids at a high concentration during cultivation. Since it grows well above the freezing temperature, it is not necessary to set the temperature condition during cultivation. Therefore, cultivation and production are possible throughout the year.

Description

북극 해양에서 분리한 전분 및 지질 고생산 미세조류 클로렐라 세포주 및 이의 용도{Microalgae Chlorella strain high-producing starch and lipid isolated from arctic ocean and uses thereof}Microalgae Chlorella strain high-producing starch and lipid isolated from arctic ocean and uses thereof,

본 발명은 기능성 전분 및 지질을 고농도로 축적하는 미세조류 클로렐라 세포주 및 이의 용도에 관한 것으로, 상세하게는 바이오디젤, 기능성 지질 생산에 사용할 수 있는 미세조류 클로렐라 세포주에 관한 것이다. 본 발명에 따른 클로렐라 ArM29B 세포주는 배양 중에 고농도로 전분 및 지질을 축적하는 세포주로 확인되었으며, 다양한 온도조건에서 배양이 가능하며, 세포 내 중성기름 방울을 특이적으로 염색할 수 있는 나일 레드(nile red) 분석법으로 고농도의 지질을 축적하는 것을 확인함으로써, 산업적으로 매우 유용한 미세조류이다.The present invention relates to a microalgae Chlorella cell line for accumulating functional starch and lipid at a high concentration and a use thereof, and more particularly to a microalgae Chlorella cell line which can be used for production of biodiesel and functional lipids. The chlorella ArM29B cell line according to the present invention has been identified as a cell line that accumulates starch and lipid at a high concentration during culturing and can be cultured under various temperature conditions and can be used for nile red which can specifically stain neutral oil droplets ) Method, it is an industrially very useful microalgae.

최근 원유가격의 급격한 상승으로 생물자원을 활용한 대체 에너지 개발, 특히 생물연료(바이오에탄올, 바이오디젤) 생산이 주목을 받고 있지만, 작물을 이용한 생물연료의 생산은 경작지 확대에 따른 생태계 파괴, 식량부족 등의 문제를 야기한다. 그러나 광합성 미생물인 미세조류(microalgae)의 태양에너지 이용효율은 5% 정도로, 육상식물의 0.2%에 비해 약 25배 정도 높으며, 이산화탄소 고정화 속도는 소나무의 15배로 매우 효율적이다.Recently, the rapid rise in crude oil prices has attracted attention to the development of alternative energy using biomass, especially biofuel (bioethanol, biodiesel) production. However, the production of biofuel using crops has been affected by the destruction of ecosystems due to the expansion of cultivated land, And the like. However, microalgae, a photosynthetic microorganism, has a solar energy utilization efficiency of about 5%, about 25 times higher than that of 0.2% of land plants, and the carbon dioxide immobilization rate is 15 times higher than that of pine trees.

또한, 미세조류의 단위면적당 바이오디젤 생산(오일 함량이 30%인 경우)은 약 58,700 L/ha로 대두의 446 L/ha에 비해 130배에 달한다. 미세조류는 유휴 경작지를 이용한 배양, 균주개량의 용이성, 식량문제와 무관 등의 여러 가지 장점으로 인하여 장기적으로는 화석연료로부터 생산되는 디젤을 대체할 바이오디젤을 생산할 수 있는 유일한 자원으로 평가되고 있다. 또한 이산화탄소의 생물학적 전환 및 처리는 자연계 물질순환의 기본 원리인 광합성(photosynthesis)을 이용하는 것으로써 환경친화적 방법이며, 공정이 상온·상압에서 이루어지고, 생산된 바이오매스(biomass)를 유용물질로 활용한다는 장점이 있다.In addition, biodiesel production (with 30% oil content) per unit area of microalgae is about 58,700 L / ha, which is 130 times higher than 446 L / ha of soybean. The microalgae have been evaluated as the only resource capable of producing biodiesel to replace diesel produced from fossil fuels in the long term due to various advantages such as cultivation using idle cultivated land, ease of strain improvement, and irrespective of food problems. In addition, the biological conversion and treatment of carbon dioxide is an environmentally friendly method by using photosynthesis, which is the basic principle of natural material circulation. The process is carried out at room temperature and atmospheric pressure, and biomass produced is used as a useful substance There are advantages.

최근, 바이오에너지에 대한 수요 급증에 따른 경제성 있는 바이오에너지 생산의 소재(생물재료)가 요구되는데, 현재까지 미세조류 이용 바이오디젤 연구의 대부분이 지질생산을 많이 할 수 있는 종의 선발 및 지질 생산 조건에 집중되어 있으며, 세포 비파괴 추출 공법 및 세포 고밀도 배양 공법을 통해 지질 고생산 미세조류 클로렐라 및 클라미도모나스 세포주를 대량 배양하여 바이오연료와 같은 신재생에너지, 식품첨가물이나 의료소재와 같은 바이오 화합물 그리고 베타카로티노이드와 같은 항산화 물질을 대량으로 생산할 수 있는 사업이 진행되고 있다.In recent years, bio-energy production materials (biomaterials) have been demanded as a result of the surge in demand for bio-energy. Most of the studies of micro-algae biodiesel have been conducted for selecting species capable of producing lipids and producing lipids , And mass production of lipid-producing microalgae chlorella and clamidomonas cell lines through cell non-destructive extraction method and cell high-density cultivation method enables biocomponents such as bio-fuels such as renewable energy, food additives and medical materials, A project to produce large quantities of antioxidants such as carotenoids is underway.

현재, 항산화물질, 식품 첨가물 사료 등으로 사용될 수 있는 미세조류(Chlorella, Dunalliela, Haematococcus, Spirilluna 등)의 대량 배양 및 이용 기술이 개발되어 있으므로, 바이오디젤용 미세조류 대량배양에 적용이 가능하다. 높은 지질 함량 때문에 바이오디젤 생산에 있어서 가장 주목받아 온 미세조류 (특히, Botryococcus, Schiochytrium 등)의 경우, 주로 지질 함량을 높이기 위한 최적의 배양 조건을 찾는데 연구개발이 집중되고 있다. 또한 지질을 높은 농도로 축적하는 미세조류의 경우 전형적으로 세포 내에 지질체(lipid body)를 축적한다. 지금까지의 연구 결과에 의하면, 종에 따라 지질의 최적 생산조건에는 많은 차이가 있으며, 일반적으로는 23℃ 정도의 수온에서, 질소원 공급에 제한을 주고, 이산화탄소의 농도를 높여 주는 것이 지질의 합성을 증가시켜 주는 것으로 밝혀져 있다.At present, it is possible to apply to large-scale cultivation of microalgae for biodiesel, since mass cultivation and utilization techniques of microalgae (Chlorella, Dunalliela, Haematococcus, Spirilluna, etc.) which can be used as antioxidants and food additives feeds have been developed. In the case of microalgae (especially, Botryococcus, Schiochytrium, etc.), which has been the most noted in the production of biodiesel due to high lipid content, R & D is being concentrated mainly on finding optimal culture conditions for increasing the lipid content. In addition, microalgae accumulating lipids at high concentrations typically accumulate lipid bodies in the cells. According to the results thus far, there are many differences in optimum production conditions of lipids depending on the species. In general, at a temperature of about 23 ° C, limiting the supply of nitrogen source and increasing the concentration of carbon dioxide, .

그러나, 지질을 고농도로 축적하는 미세조류는 일부에 한정되어 있으며, 최적의 온도 및 특정 배양조건에서 지질을 축적하는 것이 일반적이다.However, microalgae accumulating lipid at a high concentration is limited to a part, and it is general to accumulate lipid under optimum temperature and specific culture conditions.

한편, 한국공개특허 제2011-0125576호에는 북극 해양에서 분리한 지질 고생산 미세조류 클라미도모나스 세포주 및 이의 용도가 개시되어 있고, 일본등록특허 제3004510호에는 미세조류로부터의 에탄올 제조 프로세스가 개시되어 있으나, 본 발명에서와 같이 북극 해양에서 분리한 전분 및 지질 고생산 미세조류 클로렐라 세포주 및 이의 용도에 대해서는 밝혀진 바가 없다.Korean Patent Laid-Open Publication No. 2011-0125576 discloses a lipid-producing microalgae clamidomonas cell line isolated from Arctic Ocean and its use. Japanese Patent Registration No. 3004510 discloses a process for producing ethanol from microalgae However, starch and lipid-producing microalgae Chlorella cell lines isolated from Arctic Ocean as in the present invention and their uses have not been disclosed.

본 발명은 상기와 같은 요구에 의해 도출된 것으로서, 본 발명은 다양한 온도조건에서 생장가능하면서 고농도로 전분 및 지질을 축적하여 바이오디젤 및 기능성 지질생산의 소재를 제공하는데 그 목적이 있다.It is an object of the present invention to provide a material for producing biodiesel and functional lipids by accumulating starch and lipids at a high concentration while being able to grow under various temperature conditions.

따라서, 본 발명자들은 지질함량이 높아서 고급 지방산 생산 및 바이오에너지용으로 개발가능한 미세조류를 선발하기 위하여, 극지 미세조류 중 클로렐라 세포주들을 GC 분석법, 나일 레드(nile red) 염색법으로 스크리닝하여, 다양한 온도조건에서 고농도의 전분 및 지질을 축적하며 잘 자라는 클로렐라 ArM29B 세포주를 선발함으로써, 본 발명을 완성하였다.Accordingly, the present inventors screened chlorella cell lines of polar microalgae by GC analysis and nile red staining method to select microalgae that can be developed for high fatty acid production and bio energy because of their high lipid content, The present inventors completed the present invention by selecting a chlorella ArM29B cell line which accumulates high concentrations of starch and lipid and grows well.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 북극 해양 유래 지질 고생산 미세조류인 클로렐라 ArM29B(Chlorella sp. ArM29B) 세포주를 제공한다. In order to solve the above problems, the present invention provides a Chlorella sp. ArM29B cell line, which is a microalgae produced from Arctic Ocean.

또한, 본 발명은 상기 세포주 또는 이의 배양액을 유효성분으로 포함하는 지질 제조용 미생물 제제를 제공한다. The present invention also provides a microorganism preparation for preparing a lipid comprising the cell line or a culture solution thereof as an active ingredient.

또한, 본 발명은 상기 세포주를 배양하고, 그 배양액으로부터 지질을 분리하는 것을 특징으로 하는 지질의 제조 방법을 제공한다.The present invention also provides a method for producing a lipid characterized in that the cell line is cultured and lipids are separated from the culture.

또한, 본 발명은 상기 방법에 의해 제조되며, 주요 지방산으로서 올레익산(C18:1) 및 리놀레익산(C18:2)을 포함하며, 올레익산(C18:1) 및 리놀레익산(C18:2)을 전체 지질 중량 기준으로 50~60% 함유하고, 다가 불포화지방산을 전체 지질 중량 기준으로 10% 이하로 함유하는 지질을 제공한다.(C18: 1) and linoleic acid (C18: 2) as main fatty acids and oleic acid (C18: 1) and linoleic acid ) In a total lipid weight basis of 50 to 60% and a polyunsaturated fatty acid content of 10% or less based on the total lipid weight.

또한, 본 발명은 상기 세포주를 배양하는 단계, 상기 배양액으로부터 지질을 분리하는 단계 및 상기 지질을 트랜스에스테르화시켜 지방산 에스테르 및 글리세롤을 생성하는 단계를 포함하는 바이오디젤의 제조 방법을 제공한다. The present invention also provides a method for producing biodiesel comprising culturing the cell line, separating lipids from the culture, and transesterifying the lipids to produce fatty acid esters and glycerol.

또한, 본 발명은 상기 세포주를 배양하는 단계, 상기 배양액으로부터 지질을 분리하는 단계 및 상기 지질을 트랜스에스테르화시켜 지방산 에스테르 및 글리세롤을 생성하는 단계를 포함하는 글리세롤의 제조 방법을 제공한다. The present invention also provides a method for producing glycerol comprising culturing the cell line, separating lipid from the culture, and transesterifying the lipid to produce a fatty acid ester and glycerol.

본 발명에 따른 클로렐라 ArM29B 세포주는 배양 중에 고농도로 전분 및 지질을 축적하는 세포주로 확인되었으며, 다양한 온도조건에서 배양이 가능하며, 세포 내 중성기름 방울을 특이적으로 염색할 수 있는 나일 레드(nile red) 분석법으로 고농도의 지질을 축적하는 것을 확인함으로써, 바이오디젤 및 기능성 지질생산의 소재로 사용될 수 있다.The chlorella ArM29B cell line according to the present invention has been identified as a cell line that accumulates starch and lipid at a high concentration during culturing and can be cultured under various temperature conditions and can be used for nile red which can specifically stain neutral oil droplets ) Method, it can be used as a material for biodiesel and functional lipid production.

또한 클로렐라 ArM29B 세포주는 배양 중에 지질을 고농도로 축적하므로 바이오디젤용 미세조류로 적당하고, 결빙온도 이상에서는 모두 잘 자라므로 배양시 온도 조건을 특별히 맞출 필요가 없고, 봄 여름 가을 겨울 모두 잘 자라므로 연중 배양 및 생산이 경제적으로 가능하다.In addition, since the chlorella ArM29B cell line accumulates lipids at a high concentration during cultivation, it is suitable for microalgae for biodiesel. Since it grows well above the freezing temperature, it is not necessary to set the temperature condition during cultivation. Cultivation and production are economically feasible.

도 1은 클로렐라 ArM29B 세포주(Chlorella sp. ArM29B)로 동정한 결과이다. ArM29B 및 Chlorella sp.인 클로렐라 소로키니아나(Chlorella sorokiniana , HM101339), 클로렐라 피레노이도사(Chlorella pyrenoidosa , AB240145), 아우제노클로렐라 프로토테코이데스(Auxenochlorella protothecoides , EU038285), 클로렐라 베리아빌리스(Chlorella variabilis , AB260903) 및 클로렐라 불가리스(Chlorella vulgaris, AB260909)의 rbcL 유전자의 서열 비교를 나타낸다.
도 2는 다양한 온도에서 본 발명의 클로렐라 ArM29B 세포주 성장률의 분석 결과를 나타낸다. 대조구는 클로렐라 불가리스(Chlorella vulgaris)가 사용되었다. 데이터는 평균±SD (n = 3)로 나타내었다.
도 3은 클로렐라 ArM29B 세포주의 옥외 배양결과로서 온도가 가장 높을 때의 온도가 수온 36℃에 달하는 조건에서 생장하는 것을 나타낸다.
도 4는 클로렐라 ArM29B 세포주의 질소 결핍 조건에서 배양된 세포의 전자현미경 관찰시 전분립(starch granules) 및 지질 유적(droplets)을 관찰한 결과이다. (a)는 ArM29B 세포의 공초점 현미경 관찰 결과로, 바는 5㎛를 나타낸다. (B)는 ArM29B 세포의 TEM 분석 결과로, 바는 1㎛를 나타낸다 ; S는 전분 과립, L은 지질 유적. (C)는 ArM29B의 지질 유적을 나일 레드 염색으로 관찰한 결과이다. 황색 및 적색은 지질 유적 및 엽록체를 각각 나타낸다.
도 5는 클로렐라 ArM29B 세포주에서 지방산 구성을 분석한 결과이다. 각 지방산 및 전체 지방산은 mg/세포 건중량으로 나타내었다.
도 6은 클로렐라 ArM29B 세포주에서 배양 기간에 따른 세포 내 전분 및 지방산 함량 변화를 나타낸다.
Fig. 1 shows the result of identification with Chlorella ArM29B cell line ( Chlorella sp. ArM29B). ArM29B and Chlorella sp. Chlorella Thoreau Kearney Ana (Chlorella sorokiniana, HM101339), Chlorella guru Pierre Noi (Chlorella pyrenoidosa , AB240145), Auxenochlorella protothecoides , EU038285), Chlorella variabilis, shows a sequence comparison of the rbc L gene of AB260903) and Chlorella vulgaris (Chlorella vulgaris, AB260909).
Figure 2 shows the results of analysis of the growth rate of chlorella ArM29B cell line of the present invention at various temperatures. Chlorella vulgaris was used as a control. Data are presented as means ± SD (n = 3).
Fig. 3 shows that the temperature at the highest temperature as a result of the outdoor culture of the chlorella ArM29B cell line grows at a temperature of 36 캜.
FIG. 4 shows the result of observing starch granules and lipplets in electron microscopic observation of cells cultured under the nitrogen-deficient condition of chlorella ArM29B cell line. (a) is a result of a confocal microscopic observation of ArM29B cells, and bar indicates 5 mu m. (B) is a result of TEM analysis of ArM29B cells, and bar indicates 1 mu m; S is starch granule, L is lipid remnant. (C) is the result of observing the lipid remnants of ArM29B with Nile red staining. Yellow and red represent lipid remnants and chloroplasts, respectively.
FIG. 5 shows the result of analysis of the fatty acid composition in the chlorella ArM29B cell line. Each fatty acid and total fatty acid was expressed in mg / cell dry weight.
FIG. 6 shows changes in intracellular starch and fatty acid content in the chlorella ArM29B cell line according to the culture period.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 북극 해양 유래 전분 및 지질 고생산 미세조류인 클로렐라(Chlorella sp.) 세포주를 제공한다. 상기 세포주는 바람직하게는 클로렐라 ArM29B(Chlorella sp. ArM29B) 세포주(KCTC 12331BP)이다.In order to accomplish the object of the present invention, the present invention provides a Chlorella sp. Cell line, which is an arctic marine starch and lipid-producing microalgae. The cell line is preferably a Chlorella sp. ArM29B cell line (KCTC 12331BP).

상기 클로렐라 ArM29B 세포주는 북극해의 해빙으로부터 시료를 수집하고, 아가(agar) 배지 상에 도말하여 형성된 단일 콜로니를 선발하여, 18S rDNA 및 rbcL 유전자 서열분석을 통하여 동정 되었으며, 전분 및 지질 고생산 클로렐라 ArM29B 세포주를 확인하였다. 상기 전분 및 지질 고생산 클로렐라 ArM29B 세포주를 한국생명공학연구원(KCTC)에 2012년 12월 3일자로 기탁하였다(기탁번호: KCTC 12331BP).The chlorella ArM29B cell line was sampled from sea ice of the Arctic Ocean, and single colonies formed by streaking on an agar medium were selected and identified through 18S rDNA and rbcL gene sequencing analysis. Starch and lipid-producing chlorella ArM29B cell lines Respectively. The above starch and lipid-producing chlorella ArM29B cell line was deposited at KCTC on Dec. 3, 2012 (Accession No .: KCTC 12331BP).

본 발명의 일 구현 예에 따른 클로렐라 세포주에서, 상기 세포주는 전분 및 지질을 고농도로 축적할 수 있으며, 바람직하게는 세포주의 전분 및 지질 생산량은 각각 세포주 건중량당 25~35% 및 35~45%일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 세포주의 전분 및 지질 생산량은 각각 세포주 건중량당 30% 및 39%일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. In a chlorella cell line according to one embodiment of the present invention, the cell line can accumulate starch and lipid at a high concentration, and preferably the starch and lipid yields of the cell line are 25-35% and 35-45% And more preferably the starch and lipid yields of the cell line may be 30% and 39%, respectively, per cell line dry weight, but are not limited thereto.

본 발명의 일 구현 예에 따른 클로렐라 세포주에서, 상기 세포주는 다양한 배양 온도에서 전분 및 지질을 고농도로 축적할 수 있으며, 바람직하게는 상기 배양 온도는 4℃ 내지 36℃일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. In a chlorella cell line according to an embodiment of the present invention, the cell line can accumulate starch and lipid at a high concentration at various culture temperatures, and preferably the culture temperature may be 4 to 36 ° C, Do not.

본 발명의 일 구현 예에 따른 클로렐라 세포주에서, 상기 세포주는 주요 지방산으로서 올레익산(C18:1) 및 리놀레익산(C18:2)을 포함하는 지질을 생산할 수 있으며, 바람직하게는 상기 올레익산(C18:1) 및 리놀레익산(C18:2)의 함량은 전체 지질 중량 기준으로 50~60%일 수 있고, 가장 바람직하게는 53~55%일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 또한, 상기 세포주는 다가 불포화지방산(PUFA, Polyhydric unsaturated fatty acid)의 함량이 전체 지질 중량 기준으로 10% 이하일 수 있으며, 가장 바람직하게는 전체 지질 중량 기준으로 6~7%일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In a chlorella cell line according to an embodiment of the present invention, the cell line can produce lipids containing oleic acid (C18: 1) and linoleic acid (C18: 2) as major fatty acids, preferably oleic acid C18: 1) and linoleic acid (C18: 2) may be 50 to 60%, and most preferably 53 to 55%, based on the total lipid weight. In addition, the cell line may have a content of polyhydric unsaturated fatty acid (PUFA) of 10% or less based on the total lipid weight, and most preferably 6 to 7% of the total lipid weight, Do not.

본 발명의 일 구현 예에 따른 클로렐라 세포주에서, 상기 세포주는 민물 및 바닷물 모두에서 잘 자랄 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In a chlorella cell line according to one embodiment of the present invention, the cell line may grow well in both fresh water and seawater, but is not limited thereto.

또한, 본 발명은 상기 세포주 또는 이의 배양액을 유효성분으로 포함하는 지질 제조용 미생물 제제를 제공한다. 상기 미생물 제제는 클로렐라 ArM29B 세포주를 유효성분으로 포함할 수 있으며, 바이오오일의 대량 생산에 효과적으로 이용될 수 있다. 상기 대량 생산된 바이오오일은 트랜스에스테르화 과정을 통해 바이오디젤을 생산하는데 이용될 수 있다. The present invention also provides a microorganism preparation for preparing a lipid comprising the cell line or a culture solution thereof as an active ingredient. The microorganism preparation may contain chlorella ArM29B cell line as an active ingredient, and can be effectively used for mass production of bio oil. The mass produced bio-oil can be used to produce biodiesel through a trans-esterification process.

본 발명의 일 구현 예에 따른 미생물 제제에서, 상기 지질은 올레익산(C18:1) 및 리놀레익산(C18:2)을 전체 지질 중량 기준으로 50~60% 함유하고, 다가 불포화지방산을 전체 지질 중량 기준으로 10% 이하로 함유할 수 있으며, 바람직하게는 올레익산(C18:1) 및 리놀레익산(C18:2)을 전체 지질 중량 기준으로 53~55% 함유하고, 다가 불포화지방산을 전체 지질 중량 기준으로 6~7%로 함유할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In the microbial formulation according to one embodiment of the present invention, the lipid comprises oleic acid (C18: 1) and linoleic acid (C18: 2) in an amount of 50 to 60% by weight of the total lipid, polyunsaturated fatty acid (C18: 1) and linoleic acid (C18: 2) in an amount of 53 to 55% based on the total lipid weight, and the polyunsaturated fatty acid is used as a whole lipid But it is not limited thereto.

또한, 본 발명은 상기 세포주를 배양하고, 그 배양액으로부터 지질을 분리하는 것을 특징으로 하는 지질의 제조 방법을 제공한다. 상기 세포주는 다양한 배양 온도에서 지질을 고농도로 축적할 수 있으며, 상기 배양 온도는 바람직하게는 4℃ 내지 36℃일 수 있다. 세포주 배양액으로부터 지질을 분리하는 방법은 당업계에 공지된 임의의 방법을 이용할 수 있다. The present invention also provides a method for producing a lipid characterized in that the cell line is cultured and lipids are separated from the culture. The cell line can accumulate lipids at high concentrations at various culturing temperatures, and the culturing temperature may preferably be 4 ° C to 36 ° C. Any method known in the art can be used as a method for separating lipids from the cell culture medium.

본 발명은 또한, 상기 지질의 제조 방법에 의해 제조된 지질을 제공한다. The present invention also provides a lipid produced by the method for producing the lipid.

본 발명의 일 구현 예에 따른 지질은 주요 지방산으로서 올레익산(C18:1) 및 리놀레익산(C18:2)을 포함하며, 올레익산(C18:1) 및 리놀레익산(C18:2)을 전체 지질 중량 기준으로 50~60% 함유하고, 다가 불포화지방산을 전체 지질 중량 기준으로 10% 이하로 함유할 수 있고, 바람직하게는 올레익산(C18:1) 및 리놀레익산(C18:2)을 전체 지질 중량 기준으로 53~55% 함유하고, 다가 불포화지방산을 전체 지질 중량 기준으로 6~7%로 함유할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The lipid according to one embodiment of the present invention contains oleic acid (C18: 1) and linoleic acid (C18: 2) as major fatty acids, oleic acid (C18: 1) and linoleic acid (C18: 1) and linoleic acid (C18: 2) can be contained in an amount of 50 to 60%, based on the total lipid weight, of polyunsaturated fatty acids, 53 to 55% based on the total lipid weight, and may contain, but not limited to, polyunsaturated fatty acids by 6 to 7% by weight of total lipids.

본 발명은 또한, 본 발명의 세포주를 배양하는 단계;The present invention also provides a method for producing a cell line, comprising: culturing the cell line of the present invention;

상기 배양액으로부터 지질을 분리하는 단계; 및Separating the lipid from the culture liquid; And

상기 지질을 트랜스에스테르화시켜 지방산 에스테르 및 글리세롤을 생성하는 단계를 포함하는 바이오디젤의 제조 방법을 제공한다.And transesterifying the lipid to produce a fatty acid ester and glycerol.

본 발명의 방법에서, 세포주의 배양은 바람직하게는 4℃ 내지 36℃의 온도에서 수행할 수 있다. 세포주 배양 배지는 당업계에서 일반적으로 통용되는 배지를 이용할 수 있다. 상기 지방산 에스테르는 바람직하게는, 메틸 에스테르 또는 에틸 에스테르일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 상기 바이오디젤은 바이오매스에 포함된 지방산의 트랜스에스테르화 과정에 의해 메틸 에스테르 또는 에틸 에스테르 형태로 생산될 수 있으며, 상기 트랜스에스테르화 과정의 부산물로 글리세롤이 생성될 수 있다.In the method of the present invention, the cultivation of the cell line is preferably carried out at a temperature of 4 ° C to 36 ° C. The cell culture medium may be a medium commonly used in the art. The fatty acid ester is preferably, but not limited to, a methyl ester or an ethyl ester. The biodiesel can be produced in the form of methyl ester or ethyl ester by transesterification of the fatty acid contained in the biomass, and glycerol can be produced as a by-product of the transesterification process.

상기 트랜스에스테르화 과정은 바이오매스에 포함된 지방의 크고 가지를 낸 분자 구조를 정규 디젤 엔진이 요구하는 작고 직선 사슬의 분자로 변형시키는 방법을 말한다. 상기 트랜스에스테르화 과정의 유화제로서 Triton X-100 또는 Tween 60 등을 첨가할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 상기 유화제는 바이오오일의 계면 안정을 도모하고 잘 혼합되도록 하여 반응 수율을 높여서 바이오디젤의 회수 비용을 절약할 수 있게 한다. 또한, 상기 트랜스에스테르화 과정의 반응 촉매제로서 수산화나트륨 또는 수산화칼륨을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. The transesterification process refers to a method of transforming a large branched molecular structure of fat contained in biomass into a small, linear chain molecule required by a regular diesel engine. As the emulsifier in the transesterification process, Triton X-100 or Tween 60 may be added, but the present invention is not limited thereto. The emulsifier can be used to stabilize the interface of the bio-oil and mix well, thereby increasing the reaction yield and thus saving the biodiesel recovery cost. In addition, sodium hydroxide or potassium hydroxide may be used as a reaction catalyst in the transesterification process, but the present invention is not limited thereto.

상기 바이오디젤은 바이오연료로서 하기의 장점을 가질 수 있다; (1) 바이오연료는 일반적인 바이오매스 자원으로부터 손쉽게 얻을 수 있다. (2) 바이오연료는 연소에 있어서 이산화탄소의 순환을 나타낸다. (3) 바이오연료는 환경 친화적인 잠재력을 갖는다. (4) 바이오연료를 사용함으로써 환경, 경제 및 소비자에게 많은 이익을 준다. (5) 바이오연료는 미생물에 의해 무해한 물질로 분해될 수 있고, 지속가능성에 기여한다. The biodiesel may have the following advantages as a biofuel: (1) Biofuels can easily be obtained from common biomass resources. (2) Biofuels indicate the circulation of carbon dioxide in combustion. (3) Biofuels have the potential to be environmentally friendly. (4) By using biofuels, environmental, economic and consumer benefits are gained. (5) Biofuels can be decomposed into harmless substances by microorganisms, contributing to sustainability.

본 발명은 또한, 본 발명의 세포주를 배양하는 단계;The present invention also provides a method for producing a cell line, comprising: culturing the cell line of the present invention;

상기 배양액으로부터 지질을 분리하는 단계; 및Separating the lipid from the culture liquid; And

상기 지질을 트랜스에스테르화시켜 지방산 에스테르 및 글리세롤을 생성하는 단계를 포함하는 글리세롤의 제조 방법을 제공한다. And transesterifying the lipid to produce a fatty acid ester and glycerol.

본 발명의 방법에서, 세포주의 배양 온도 및 배지 및 지질 분리 방법은 전술한 바와 같다.In the method of the present invention, the culture temperature and culture medium of the cell line and the method of lipid separation are as described above.

상기 글리세롤은 윤활제, 연고나 좌약과 같은 약품의 제조, 관장제, 식품이나 화장품의 건조방지제 또는 정미제, 부동액, 냉각제, 도료, 안료, 인쇄 잉크, 투명비누의 제조, 실험실의 분석 시약, 용제, 셀로판, 접착제, 알키드 수지 또는 다이나마이트 등의 제조에 이용될 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
The glycerol can be used as a lubricant, a preparation of medicine such as an ointment or a suppository, an antioxidant, an antiseptic agent for food or cosmetics or an antiseptic agent, antifreeze, coolant, paint, pigment, printing ink, transparent soap, , An adhesive, an alkyd resin or a dynamite, but the present invention is not limited thereto.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples. However, the following examples are illustrative of the present invention, and the present invention is not limited to the following examples.

실험방법Experimental Method

북극 미세조류 ArM29B 분리Isolation of Arctic microalgae ArM29B

다산기지의 해빙(sea ice) 상에서 채취한 샘플을 아가 배지에 배양한 뒤 연속 희석하여 미세조류를 분리하였다. 이후 분리된 녹색 미세조류 군체를 Tris-acetate-phosphate(TAP) 배지(Harris 1989 The chlamydomonas sourcebook: a comprehensive guide to biology and laboratory use. Academic Press, San Diego, CA, 780)에서 배양하여 선발된 하나의 무균 라인을 현미경하에서 분석하고 ArM29B라 명명하였다. 이후 게놈 DNA를 분리하여 Hoham 등(Hoham et al. 2002 J. Phycol. 38, 1051-1064)의 방법에 따라 PCR 증폭으로 rbcL 유전자를 증폭하고 염기서열을 결정하였다. NCBI 데이터베이스에 BLASTN 검색 (http://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi) 및 ClustalW2-Multiple Sequence Alignment (http://www.ebi.ac.uk/Tools/msa/clustalw2/) 분석 방법으로 ArM29B 및 근연종들의 rbcL 염기서열을 비교하였다.
Samples collected on sea ice of Dasan Station were cultured on agar medium and serially diluted to separate microalgae. The isolated green microalgae were then cultured in Tris-acetate-phosphate (TAP) medium (Harris 1989, Chlamydomonas sourcebook: a comprehensive guide to biology and laboratory use, Academic Press, San Diego, CA, 780) The aseptic line was analyzed under a microscope and named ArM29B. Then, the genomic DNA was isolated and the rbcL gene was amplified by PCR amplification according to the method of Hoham et al. (Hoham et al. 2002 J. Phycol. 38, 1051-1064) and the base sequence was determined. BLASTN search ( http://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi ) and ClustalW2-Multiple Sequence Alignment ( http://www.ebi.ac.uk/Tools/msa/clustalw2/ ) in the NCBI database. The rbcL nucleotide sequences of ArM29B and related species were compared by the analytical method.

배양조건Culture conditions

본 발명에서는 ArM29B 및 클로렐라 불가리스 UTEX 395(Chlorella vulgaris UTEX 395)를 사용하였다. ArM29B 세포는 300 mM NaCl이 첨가된 TAP 배지에서 자랄 수 있었으나, NaCl이 첨가되지 않은 경우 더 잘 자랐다. 생장속도를 분석하기 위하여, 약 2×105 세포를 50ml TAP 액체 배지에 접종하여 4, 15, 25℃ 온도조건에서 200 rpm으로 현탁배양하면서 40μmolm-2s-1의 연속 광조건 하에서 배양하였다. 세포의 증식 정도를 흡광도(OD750)로 9일 동안 매 24시간마다 측정하였다. 지방산 분석에는 약 2×105 세포를 질소 결핍 TAP (TAP 염에서 NH4Cl 제거) 배지 50㎖에 접종하여 25℃에서 배양하며 12일째, 15일째 세포를 수확하여 분석에 사용하였다.
In the present invention ArM29B and Chlorella vulgaris UTEX 395 (Chlorella vulgaris UTEX 395) was used. ArM29B cells were able to grow on TAP medium supplemented with 300 mM NaCl, but grew better when NaCl was not added. To analyze the growth rate, about 2 × 10 5 cells were inoculated into 50 ml TAP liquid medium and cultured under continuous light condition of 40 μmolm -2 s -1 while suspending at 200 rpm at 4, 15, 25 ° C temperature condition. The degree of cell proliferation was measured every 24 hours for 9 days by absorbance (OD 750 ). For fatty acid analysis, about 2 x 10 5 cells were inoculated in 50 ml of nitrogen-deficient TAP (NH 4 Cl-removed from TAP salt) medium and cultured at 25 ° C. The cells were harvested at day 12 and 15 days after harvesting.

지방산 분석Fatty acid analysis

동결건조된 20mg의 세포를 Sasser (1990 Identification of bacteria by gas chromatography of cellular fatty acids. Microbial ID Inc., Newark, Del)의 방법에 따라 전체 지질을 분리하였다. 이후 Hexane/methyl tert-butyl ether (1:1)을 사용하여 지방산을 추출하였다. 지방산 분석은 GC(YL 6100 GC, Young Lin, Korea)를 사용하였다. 검출기는 불꽃이온화검출기(FID)를 사용하였으며, 각 지방산의 성분(각 FAME)은 Supelco® 37 Component FAME Mix (시그마, USA)를 사용하여 동정 및 양을 결정하였다.
20 mg of the lyophilized cells were separated according to the method of Sasser (1990 Identification of bacteria by gas chromatography of cellular fatty acids. Microbial ID Inc., Newark, Del.). Hexane / methyl tert-butyl ether (1: 1) was then used to extract fatty acids. The fatty acid analysis was performed using GC (YL 6100 GC, Young Lin, Korea). The detector was a flame ionization detector (FID) and the components of each fatty acid (each FAME) were identified and quantified using the Supelco 37 Component FAME Mix (Sigma, USA).

전자현미경 분석/TEM(Electron Microscopy Analysis / TEM ( TransmissionTransmission electronelectron microscopymicroscopy ))

질소원 결핍 배지에서 7일간 배양된 세포를 250 mM 포스페이트 버퍼(pH 7.0)로 2회 수세하고 2.5%(v/v) 글루타르알데히드/1%(v/v) 오스뮴 테트라옥시드(osmium tetraoxide) 용액에 고정하였다. 탈수를 위하여 농도 구배의 에탄올(50-100%)을 사용하였다. 시료를 스퍼 레진(Spurr's resin)에 포매하여(embedding) 울트라마이크로톰(ultramicrotome, Ultracut UCT, LEICA, Germany)을 사용하여 박편을 제작하고 우라닐 아세테이트로 염색하였다. 준비된 시료를 TEM(transmission electron microscope, Tecnai, FEI, 네덜란드)으로 관찰하였다.
Cells cultured for 7 days in a nitrogen source-deficient medium were washed twice with 250 mM phosphate buffer (pH 7.0) and washed with 2.5% (v / v) glutaraldehyde / 1% (v / v) osmium tetraoxide solution . A concentration gradient of ethanol (50-100%) was used for dehydration. Samples were embedding in Spurr's resin and the slices were made using ultramicrotome (Ultracut UCT, LEICA, Germany) and stained with uranyl acetate. The prepared samples were observed with a TEM (transmission electron microscope, Tecnai, FEI, Netherlands).

나일 Nile 레드Red 염색법에 의한 지질 유적( Lipid Remains by Dyeing dropletdroplet ) 관찰) observe

세포를 나일 레드(1㎍/ml, 9-diethylamino-5H-benzo [a]phenoxazine-5-one; Sigma-Aldrich, USA)가 첨가된 아세톤에 넣어 30분간 반응하여 염색하였다. 염색된 세포 내 지질을 공초점 현미경 (Zeiss LSM 5 PASCAL confocal microscope system with PASCAL version 4.0 software (Jena, Germany))으로 관찰하였다.
Cells were stained with acetone containing 1 μg / ml of 9-diethylamino-5H-benzo [a] phenoxazine-5-one (Sigma-Aldrich, USA) for 30 min. The stained intracellular lipids were observed with a confocal microscope (Zeiss LSM 5 PASCAL confocal microscope system with PASCAL version 4.0 software (Jena, Germany)).

실시예Example 1. 클로렐라  1. Chlorella ArM29BArM29B 의 분리 및 동정Isolation and identification

ArM29B의 rbcL 염기서열은 클로렐라 종들과 매우 높은 상동성(identity)를 나타냈다; 클로렐라 피레노이도사(Chlorella pyrenoidosa , 96%), 클로렐라 불가리스(Chlorella vulgaris , 94%)(도 1). 그러나 클라미도모나스(Chlamydomonas) 및 세네데스무스(Senedesmus) 등을 포함하는 다른 미세조류와는 90% 이하의 상동성을 보였다. 따라서 ArM29B는 클로렐라 종(Chlorella sp.)으로 분류되었다. 다양한 온도에서 생장속도를 비교한 결과 조사한 모든 온도에서 대조구인 클로렐라 불가리스보다 빠른 생장을 보였다(도 2). 특히 ArM29B의 자연서식지는 극지임에도 불구하고 25℃에서도 빠르게 생장하였으며(도 2), 실외배양에서는 수온 36℃에서도 생장하였다(도 3).
The rbcL nucleotide sequence of ArM29B showed very high homology with chlorella species; Chlorella pyrenoidosa , 96%), Chlorella vulgaris , 94%) (Fig. 1). However, it showed 90% or less homology with other microalgae including Chlamydomonas and Senedesmus . Therefore, ArM29B was classified as Chlorella sp. Growth rates at various temperatures were compared with those of the control, chlorella bulgaris, at all the temperatures examined (FIG. 2). In particular, the natural habitat of ArM29B was rapidly growing even at 25 ° C (Fig. 2) in spite of polarity, and grown at 36 ° C in outdoor culture (Fig. 3).

실시예Example 2. 클로렐라 ArM29B 세포주의 상대적 지질함량 분석 2. Analysis of relative lipid content of chlorella ArM29B cell line

ArM29B 세포는 직경이 4-8㎛인 구형이고, 편모를 가지지 않았다. 질소 결핍 조건에서 배양된 세포는 전자현미경 관찰시 전분립(starch granules) 및 지질 유적(droplets)으로 꽉 차 있었다(도 4). GC 분석으로 지방산을 분석한 결과 전체 지방산의 함량은 건중량의 39%이고 주요 지방산은 C16:0, C18:1 및 C18:2이다(도 5). C18:1 및 C18:2 지방산은 54%로 매우 높았으며, 3개 이상의 이중결합을 가지는 다가 불포화지방산(PUFA, Polyhydric unsaturated fatty acid)의 함량은 7%로 매우 낮았다. 이처럼 PUFA의 함량이 낮고, C18:1 및 C18:2 지방산의 함량이 높은 것은 바이오디젤 생산에 이용하기에 매우 우수함을 나타낸다.ArM29B cells were spherical with a diameter of 4-8 탆 and had no flagella. Cells cultured under nitrogen depletion conditions were filled with starch granules and lipplets upon electron microscopy (Fig. 4). Analysis of fatty acids by GC analysis showed that the total fatty acid content was 39% of the dry weight and the major fatty acids were C16: 0, C18: 1 and C18: 2 (FIG. 5). The contents of C18: 1 and C18: 2 fatty acids were 54% and the content of polyhydric unsaturated fatty acids (PUFAs) with 3 or more double bonds was very low at 7%. The low content of PUFA and the high contents of C18: 1 and C18: 2 fatty acids indicate that they are excellent for use in the production of biodiesel.

또한, 클로렐라 ArM29B 세포주에서 배양 기간에 따른 세포 내 전분 및 지방산 함량 변화를 분석한 결과(도 6), 건중량당 전분 함량은 30%까지 증가하다가 배양 7일 후에는 전분 함량은 감소한 반면, 지방산 함량은 배양 초기에 서서히 증가하다가 배양 7일 후부터 급격히 증가하여 건중량당 지방산 함량은 39%까지 증가하였다.In addition, the starch content in the chlorella ArM29B cell line was increased to 30% of the starch content per dry weight (Fig. 6), and the starch content decreased after 7 days of culture. On the other hand, It grew slowly at the early stage of culture and increased rapidly after 7 days of culture, and the fatty acid content per dry weight increased to 39%.

한국생명공학연구원Korea Biotechnology Research Institute KCTC12331BPKCTC12331BP 2012120320121203

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기탁번호가 KCTC 12331BP인 것을 특징으로 하는 북극 해양 유래 전분 및 지질 생산 미세조류인 클로렐라 ArM29B(Chlorella sp. ArM29B) 세포주.The Chlorella sp. ArM29B cell line, an Arctic marine starch and lipid production microalgae, characterized by the deposit number KCTC 12331BP. 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 세포주의 전분 및 지질 생산량은 각각 세포주 건중량당 25~35% 및 35~45%인 것을 특징으로 하는 세포주.The cell line according to claim 1, wherein the starch and lipid production amount of the cell line is 25 to 35% and 35 to 45%, respectively, per cell weight. 제1항에 있어서, 상기 세포주는 4℃ 내지 36℃의 배양 온도에서 잘 자라는 것을 특징으로 하는 세포주.The cell line according to claim 1, wherein the cell line grows well at a culturing temperature of 4 ° C to 36 ° C. 제1항에 있어서, 상기 세포주는 주요 지방산으로서 올레익산(C18:1) 및 리놀레익산(C18:2)을 포함하는 것을 특징으로 하는 세포주.The cell line according to claim 1, wherein the cell line comprises oleic acid (C18: 1) and linoleic acid (C18: 2) as major fatty acids. 제5항에 있어서, 상기 올레익산(C18:1) 및 리놀레익산(C18:2)의 함량은 전체 지질 중량 기준으로 50~60%인 것을 특징으로 하는 세포주.6. The cell line according to claim 5, wherein the content of oleic acid (C18: 1) and linoleic acid (C18: 2) is 50 to 60% based on the total lipid weight. 제1항에 있어서, 상기 세포주는 민물 및 바닷물 모두에서 잘 자라는 것을 특징으로 하는 세포주.The cell line according to claim 1, wherein the cell line grows well in both fresh water and seawater. 제1항에 있어서, 상기 세포주는 다가 불포화지방산의 함량이 전체 지질 중량 기준으로 10% 이하인 것을 특징으로 하는 세포주.The cell line according to claim 1, wherein the cell line has a polyunsaturated fatty acid content of 10% or less based on the total lipid weight. 제1항, 제3항 내지 제8항 중 어느 한 항의 세포주 또는 이의 배양액을 유효성분으로 포함하는 지질 제조용 미생물 제제.9. A microorganism preparation for producing a lipid comprising the cell line of any one of claims 1 to 8 or a culture thereof as an active ingredient. 제9항에 있어서, 상기 지질은 올레익산(C18:1) 및 리놀레익산(C18:2)을 전체 지질 중량 기준으로 50~60% 함유하고, 다가 불포화지방산을 전체 지질 중량 기준으로 10% 이하로 함유하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 지질 제조용 미생물 제제.10. The method of claim 9, wherein the lipid comprises oleic acid (C18: 1) and linoleic acid (C18: 2) in an amount of 50 to 60% by weight of total lipids, polyunsaturated fatty acids in an amount of 10% Wherein the microorganism is a microorganism. 제1항, 제3항 내지 제8항 중 어느 한 항의 세포주를 배양하고, 그 배양액으로부터 지질을 분리하는 것을 특징으로 하는 지질의 제조 방법.9. A method for producing a lipid comprising culturing the cell line according to any one of claims 1 to 8 and separating lipids from the culture. 제11항에 있어서, 상기 세포주의 배양은 4℃ 내지 36℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 지질의 제조 방법.12. The method of claim 11, wherein the culturing of the cell line is performed at a temperature of from 4 캜 to 36 캜. 제11항의 방법에 의해 제조되며, 주요 지방산으로서 올레익산(C18:1) 및 리놀레익산(C18:2)을 포함하며, 올레익산(C18:1) 및 리놀레익산(C18:2)을 전체 지질 중량 기준으로 50~60% 함유하고, 다가 불포화지방산을 전체 지질 중량 기준으로 10% 이하로 함유하는 것을 특징으로 하는 지질.A process for preparing oleic acid (C18: 1) and linoleic acid (C18: 2), which comprises oleic acid (C18: 1) and linoleic acid (C18: 2) Wherein the lipid comprises 50 to 60% by weight of lipid, and the polyunsaturated fatty acid contains 10% or less by weight of the total lipid. 제1항, 제3항 내지 제8항 중 어느 한 항의 세포주를 배양하여 배양액을 얻는 단계;
상기 배양액으로부터 지질을 분리하는 단계; 및
상기 지질을 트랜스에스테르화시켜 지방산 에스테르 및 글리세롤을 생성하는 단계를 포함하는 바이오디젤의 제조 방법.
9. A method for producing a cell line, comprising culturing the cell line of any one of claims 1 to 8 to obtain a culture solution;
Separating the lipid from the culture liquid; And
And transesterifying the lipid to produce a fatty acid ester and glycerol.
제1항, 제3항 내지 제8항 중 어느 한 항의 세포주를 배양하여 배양액을 얻는 단계;
상기 배양액으로부터 지질을 분리하는 단계; 및
상기 지질을 트랜스에스테르화시켜 지방산 에스테르 및 글리세롤을 생성하는 단계를 포함하는 글리세롤의 제조 방법.
9. A method for producing a cell line, comprising culturing the cell line of any one of claims 1 to 8 to obtain a culture solution;
Separating the lipid from the culture liquid; And
Transesterifying the lipid to produce a fatty acid ester and glycerol.
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