KR101734957B1 - Highly efficient Recombinant Escherichia coli strains for co-production of hydrogen and ethanol and highly efficient method for co-production of hydrogen and ethanol from glucose - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수소 및 에탄올의 동시 생산을 위한 고효율 유전자 재조합 대장균 균주 및 포도당을 이용한 수소 및 에탄올의 고효율 동시 생산 방법에 관한 것으로서, 본 발명에서 고효율의 수소와 에탄올의 동시 생산을 위해 대장균의 해당경로를 변형하였으며, 이들 변이주의 적응진화 또는 율속 단계의 효소 과발현으로 혐기 조건에서 세포 성장이 가능하게 하고 수소와 에탄올의 동시 생산이 이루어지게 하였다. 본 발명에 따른 재조합 대장균은 포도당을 이용한 발효로부터 수소와 에탄올을 고효율로 동시 생산하였다. 포도당으로부터 수소와 에탄올의 최대 생산 수율은 각각 약 1.7 및 1.4 mol/mol이었다. 에탄올 생산 수율의 경우 야생 균주 대비 적어도 70 % 이상 증가한 것이다. 또한 본 발명을 통해 확보된 PP 경로의 활성화 균주는 PP 경로를 통해 생산되는 NAD(P)H와 같은 환원력이 요구되는 생물연료나 유용한 케미칼 생산 연구에 활용될 수 있을 것이다.The present invention relates to a method for simultaneous production of hydrogen and ethanol using high-efficiency recombinant E. coli strain and glucose for the simultaneous production of hydrogen and ethanol. In the present invention, These mutants enable the cell growth in the anaerobic condition and the simultaneous production of hydrogen and ethanol by the overexpression of the enzymes in the adaptive evolution or rate step of these mutants. The recombinant E. coli according to the present invention simultaneously produced hydrogen and ethanol with high efficiency from fermentation using glucose. The maximum yields of hydrogen and ethanol from glucose were about 1.7 and 1.4 mol / mol, respectively. The yield of ethanol production was at least 70% higher than that of wild strains. In addition, the activating strain of the PP pathway obtained by the present invention can be used for research on the production of biofuel or useful chemicals such as NAD (P) H produced through the PP pathway, which requires a reducing power.

Description

수소 및 에탄올의 동시 생산을 위한 고효율 유전자 재조합 대장균 균주 및 포도당을 이용한 수소 및 에탄올의 고효율 동시 생산 방법{Highly efficient Recombinant Escherichia coli strains for co-production of hydrogen and ethanol and highly efficient method for co-production of hydrogen and ethanol from glucose}FIELD OF THE INVENTION [0001] The present invention relates to a high-efficiency recombinant Escherichia coli strains for co-production of hydrogen and ethanol, and ethanol from glucose}

본 발명은 수소 및 에탄올의 동시 생산을 위한 고효율 유전자 재조합 대장균 균주 및 포도당을 이용한 수소 및 에탄올의 고효율 동시 생산 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for simultaneous production of hydrogen and ethanol using high efficiency recombinant E. coli strain and glucose for the simultaneous production of hydrogen and ethanol.

생물학적 수소 생산 방법에는 광분해 (Photolysis), 광발효 (Photo-fermentation), 혐기 발효 (Dark fermentation), 수성가스 반응 (Water-gas shift reaction) 등 여러 가지 형태가 있다. 이 중 혐기 발효를 통한 수소 생산은 여러 가지 생물학적 생산 방법 중에서 가장 현실적인 생물학적 공정으로 인정되고 있다. 하지만 포도당 대비 낮은 수소 생산 수율 때문에 산업적 적용에 많은 어려움이 있으며, 이를 해결하기 위한 대사공학 및 효소공학 분야의 연구가 활발히 진행되어 왔다. 대장균과 같은 통성 혐기성 미생물의 경우 산소와 같은 외부 전자 수용체가 공급되지 않는 혐기 발효 조건에서 일반적으로 젖산 (lactate), 초산 (acetate), 숙신산 (succinate), 개미산 (formate), 이산화탄소, 수소 등 다양한 발효 산물을 생산하는 혼합산 발효(mixed-acid fermentation)를 한다. 이 때 수소와 같이 생산되는 에탄올 또한 각광 받는 바이오연료 중 하나이다. 포도당은 엠덴-마이어호프-파나스(Embden-Meyerhof-Parnas: EMP)와 같은 해당과정을 거쳐 중간 대사산물인 피루브산(pyruvate)으로 전환되고, 피루브산은 다시 피루브산-개미산 분해효소 (pyruate -formate lyase: PFL)에 의해 아세틸-CoA (acetyl-coA) 및 개미산으로 분해된다. 일반적인 발효 조건에서 야생 대장균 균주는 동일한 몰(equimolar ratio)의 아세트산과 에탄올을 생산하고, 개미산은 포름산 분해효소(Formate-hydrogen lyase: FHL) 복합체에 의해 수소 및 이산화탄소로 분해된다. 수소생산 수율을 향상시키기 위해 현재까지 개미산 생산 경로와 경쟁하는 반응 경로들을 결실시키는 연구들이 상당히 진행되었다. 예를 들어 피루브산에서 젖산 생산을 촉매하는 젖산 탈수소효소 (lactate dehydrogenase, LDH)를 결실하거나, 피루브산의 전구체인 포스포엔올리루브산 (phosphoenolpyruvate:PEP)에서 숙신산으로의 전환을 촉매하는 푸마르산 환원효소(fumarate reductase)를 결실하는 연구들이 진행되었다. 또한 생산된 수소를 다시 소모하는 수소 소비효소 (uptake hydrogenase)를 결실하여 수소생산 수율을 증가시켜 왔다. 하지만 이러한 노력에도 불구하고 수소생산의 이론 수율인 포도당 mol 당 2 mol 수소, 즉 2 mol H2/mol glucose를 초과할 수 없는 한계를 지닌다.Biological hydrogen production methods include photolysis, photo-fermentation, anaerobic fermentation (dark fermentation), and water-gas shift reaction. Among them, hydrogen production through anaerobic fermentation is recognized as the most realistic biological process among various biological production methods. However, because of the low yield of hydrogen production compared to glucose, there are many difficulties in industrial application. Researches on metabolic engineering and enzyme engineering have been actively carried out to solve this problem. In the case of anaerobic microorganisms such as Escherichia coli, various fermentations such as lactate, acetate, succinate, formate, carbon dioxide and hydrogen are generally used under anaerobic fermentation conditions in which no external electron acceptor such as oxygen is supplied. Mixed-acid fermentation to produce the product. At this time, ethanol, which is produced with hydrogen, is also one of the spotlight biofuels. Glucose is converted to the intermediate metabolite pyruvate via corresponding processes such as Embden-Meyerhof-Parnas (EMP), and pyruvate is again converted to pyruvate-formate lyase PFL) to acetyl-CoA and formic acid. Under typical fermentation conditions, wild-type E. coli strains produce equimolar ratios of acetic acid and ethanol, and formic acid is degraded into hydrogen and carbon dioxide by a formate-hydrogen lyase (FHL) complex. There have been considerable studies to eliminate the reaction pathways that compete with the formic acid production pathway so far to improve the yield of hydrogen production. For example, lactate dehydrogenase (LDH), which catalyzes the production of lactic acid in pyruvic acid, may be deleted, or fumaric acid reductase (FFA), which catalyzes the conversion of pyruvic acid, phosphoenolpyruvate (PEP) fumarate reductase). In addition, the yield of hydrogen production has been increased by eliminating the uptake hydrogenase that consumes the produced hydrogen again. However, despite these efforts, the theoretical yield of hydrogen production is limited to not exceed 2 mol hydrogen per mole of glucose, that is, 2 mol H2 / mol glucose.

한편, 이론 수율의 한계를 극복하기 위하여 대장균과 같은 중온성 미생물을 호스트로 사용하여 수소 생산을 향상시키기 위한 합성 생물학 기법도 연구되었다. NAD(P)H로부터 전자를 받을 수 있는 특정 수소화효소 (hydrogenase)를 도입하여 수소 생산 향상을 시도하는 방법이 대표적이다. 그러나 NAD(P)H 의존형 수소화효소는 수소 분압이 극도로 낮은 조건이나 또는 높은 온도에서 그 활성이 나타나는 열역학적, 동력학적 문제들을 가지고 있다. 이러한 연구들을 통해 보고된 수소생산은 단지 NAD(P)H를 전자 주게로 사용할 수 있다는 개념 정도만 확인하였을 뿐 수소 생산 수율이 매우 낮았다. 특징적으로 현재까지의 연구를 통해 생산된 모든 균주는 포도당과 같은 사용된 원료가 가진 에너지 함량과 비교하여 매우 낮은 에너지 회수율을 보여준다.In order to overcome the limit of theoretical yield, synthetic biology techniques have been studied to improve hydrogen production by using mesophilic microorganisms such as E. coli as a host. A typical method is to introduce a specific hydrogenation enzyme capable of receiving electrons from NAD (P) H to improve hydrogen production. However, the NAD (P) H-dependent hydrogenase has thermodynamic and kinetic problems in which the hydrogen partial pressure is extremely low or its activity appears at high temperatures. Hydrogen production reported through these studies only confirmed the concept that NAD (P) H could be used as an electron donor, and the yield of hydrogen production was very low. Characteristically, all of the strains produced through the present study show very low energy recovery compared to the energy content of the raw materials such as glucose.

낮은 수소 생산 수율과 에너지 회수율을 극복하기 위한 또 다른 방안으로 이 단계 (two-stage) 발효 공정도 활발히 연구되었다. 이 중 대표적인 것이 일 단계 수소 생산 및 이 단계 메탄 생산, 이른바 Hythane 공정이다. 이 공정에서는 1단계에서 수소와 유기산을 빠른 속도로 생산하고 2단계에서는 1단계에서 생산된 유기산을 이용하여 메탄을 생산하는 공정이다. 이 공정은 상당한 수준으로 연구가 진행되었고 일부 상업화도 진행되었다. 그러나 메탄을 생산하는데 오랜 시간이 소요되고 유기산의 메탄 전환에는 많은 환원력이 필요하며, 또한 메탄의 가치가 수소보다 현저히 낮다는 단점을 지닌다. 특히 1단계 수소 발효와 2 단계 메탄 발효의 속도차이 때문에 2단계 메탄 발효조가 1단계 발효조보다 보통 3-4배 이상 커야한다는 문제점도 지적되고 있다. 또 다른 2단계 공정으로 1, 2단계 모두 수소 생산을 위한 공정이 있다. 이 경우 1 단계는 혐기 발효, 2단계는 광발효로 진행된다. 이 경우 1단계 및 2 단계 모두 수소를 생산한다는 장점이 있다. 또한 2단계 수소 생산을 위한 환원력을 광으로부터 얻을 수 있다는 장점이 있다. 그러나 광발효의 경우 메탄발효 보다 속도가 더욱 느리고 광생물반응기의 제작에 많은 비용이 들기 때문에 상업적 규모로는 연구되지 못하였다. 이 외에도 2단 수소 생산 반응기로 1단계 혐기 발효, 2단계 전기화학 반응기가 연구된 바 있다. 이 경우는 느린 광생물 반응을 대체하기 위하여 2 단계 반응에서 전기적으로 에너지를 공급하여 (anode에서 유기산 등을 산화시킬 때 나오는 낮은 potential의 전자를 activation 시킴) 양성자를 수소로 환원시키는 것이다. 이 반응기 역시 작은 규모에서 그 개념을 보여 주는 데는 성공하였지만 전기화학 반응기의 특성상 대규모 반응기를 경제적으로 설계 운영하는데는 성공하지 못하였다. 종합적으로 이러한 노력은 모두 혐기 발효의 낮은 수소 생산 및 에너지 회수율 문제를 해결하기 위해 2단계 반응기를 쓴다는 공통점이 있었다. Two-stage fermentation processes have also been actively studied as an alternative to overcome low hydrogen yield and energy recovery. Typical of these is the one-stage hydrogen production and this stage methane production, the Hythane process. In this process, hydrogen and organic acid are produced at a high rate in the first stage, and methane is produced in the second stage by using the organic acid produced in the first stage. This process has been conducted at a considerable level and some commercialization has proceeded. However, it takes a long time to produce methane, the methane conversion of organic acid requires a lot of reducing power, and the methane value is significantly lower than that of hydrogen. In particular, it is pointed out that the two-step methane fermentation tank needs to be 3-4 times larger than the first-stage fermentation tank because of the difference in the rate of the first stage hydrogen fermentation and the second stage methane fermentation. In another two-stage process, there are processes for hydrogen production in both stages 1 and 2. In this case, the first stage is anaerobic fermentation, and the second stage is photo fermentation. In this case, both stages 1 and 2 have the advantage of producing hydrogen. In addition, there is an advantage that the reducing power for the second stage hydrogen production can be obtained from light. However, light fermentation is slower than methane fermentation and has not been studied on a commercial scale because it is expensive to produce a photobioreactor. In addition, the first stage anaerobic fermentation and the second stage electrochemical reactor have been studied as a two stage hydrogen production reactor. In this case, in order to replace the slow photobioreactor, it is necessary to reduce the proton to hydrogen by electrically supplying energy in the second step reaction (activating low potential electrons when oxidizing the organic acid etc. at the anode). This reactor also succeeded in showing its concept on a small scale, but due to the nature of the electrochemical reactor, it failed to economically design and operate a large scale reactor. Overall, all of these efforts have in common use of a two-stage reactor to address the problem of low hydrogen production and energy recovery in anaerobic fermentation.

한국공개특허 10-2011-0000775(2011.01.06 공개)Korean Patent Laid-open No. 10-2011-0000775 (published Jan. 6, 2011)

본 발명의 목적은 혐기 배양 조건에서 수소 및 에탄올을 동시에 고효율로 생산하는 Escherichia coli SH5p_Z 재조합 균주(KCTC 12762BP) 또는 Escherichia coli SH8AE 재조합 균주(KCTC 12764BP)를 제공하는 데에 있다.An object of the present invention is Escherichia to produce a high efficiency at the same time hydrogen and ethanol under anaerobic culture conditions SH5p_Z coli recombinant strain (KCTC 12762BP) or Escherichia coli recombinant strains SH8AE to provide a (KCTC 12764BP).

본 발명의 다른 목적은 상기 Escherichia coli SH5p_Z 재조합 균주(KCTC 12762BP)에 6-인산글루코네이트 탈수소효소 (6-phosphogluconate dehydrogenase; Gnd)를 형질도입하여 과발현시킨, 혐기 배양 조건에서 수소 및 에탄올을 동시에 고효율로 생산하는 Escherichia coli SH5p_ZG 재조합 균주(KCTC 12763BP)를 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a method for producing the Escherichia SH5p_Z coli recombinant strain (KCTC 12762BP) to the 6-phosphate gluconate dehydrogenase; were introduced by the over-expression transformants (6-phosphogluconate dehydrogenase Gnd), Escherichia , which at the same time with high efficiency production of hydrogen and ethanol under anaerobic culture conditions coli SH5p_ZG recombinant strain (KCTC 12763BP).

본 발명의 또 다른 목적은 상기 Escherichia coli SH8AE 재조합 균주(KCTC 12764BP)에 포도당-6-인산탈수소효소 (glucose-6-phosphate dehydrogenase; Zwf) 및 6-인산글루코네이트 탈수소효소 (6-phosphogluconate dehydrogenase; Gnd)를 형질도입하여 과발현시킨, 혐기 배양 조건에서 수소 및 에탄올을 동시에 고효율로 생산하는 Escherichia coli SH8AE_ZG 재조합 균주(KCTC 12765BP)를 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a method for producing the Escherichia An overexpression of an E. coli SH8AE recombinant strain (KCTC 12764BP) by transfection with glucose-6-phosphate dehydrogenase (Zwf) and 6-phosphogluconate dehydrogenase (Gnd) Escherichia , which produces hydrogen and ethanol simultaneously under high culture conditions coli SH8AE_ZG recombinant strain (KCTC 12765BP).

본 발명의 또 다른 목적은 상기 재조합 균주를 배양하여 수소 및 에탄올의 고효율 동시 생산방법을 제공하는 데 있다.It is another object of the present invention to provide a method for simultaneously producing hydrogen and ethanol at a high efficiency by culturing the recombinant strain.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 혐기 배양 조건에서 수소 및 에탄올을 동시에 고효율로 생산하는 Escherichia coli SH5p_Z 재조합 균주(KCTC 12762BP)를 제공한다.In order to accomplish the above object, the present invention provides a method for producing hydrogen and ethanol simultaneously in an anaerobic culture condition using Escherichia coli SH5p_Z provides a recombinant strain (KCTC 12762BP).

또한, 본 발명은 상기 재조합 균주에 6-인산글루코네이트 탈수소효소 (6-phosphogluconate dehydrogenase; Gnd)를 형질도입하여 과발현시킨, 혐기 배양 조건에서 수소 및 에탄올을 동시에 고효율로 생산하는 Escherichia coli SH5p_ZG 재조합 균주(KCTC 12763BP)를 제공한다.The present invention also relates to a method of producing Escherichia coli (Escherichia coli) which produces both hydrogen and ethanol at high efficiency under anaerobic culture conditions by overexpressing 6-phosphogluconate dehydrogenase (Gnd) The E. coli SH5p_ZG recombinant strain (KCTC 12763BP) is provided.

또한, 본 발명은 혐기 배양 조건에서 수소 및 에탄올을 동시에 고효율로 생산하는 Escherichia coli SH8AE 재조합 균주(KCTC 12764BP)을 제공한다.In addition, the present invention relates to a method for producing hydrogen and ethanol simultaneously in an anaerobic culture condition with Escherichia E. coli SH8AE recombinant strain (KCTC 12764BP).

또한, 본 발명은 상기 재조합 균주에 포도당-6-인산탈수소효소 (glucose-6-phosphate dehydrogenase; Zwf) 및 6-인산글루코네이트 탈수소효소 (6-phosphogluconate dehydrogenase; Gnd)를 형질도입하여 과발현시킨, 혐기 배양 조건에서 수소 및 에탄올을 동시에 고효율로 생산하는 Escherichia coli SH8AE_ZG 재조합 균주(KCTC 12765BP)를 제공한다.The present invention also relates to a method for producing a recombinant microorganism by overexpressing the recombinant strain by transfecting glucose-6-phosphate dehydrogenase (Zwf) and 6-phosphogluconate dehydrogenase (Gnd) Escherichia , which produces hydrogen and ethanol simultaneously under high culture conditions The E. coli SH8AE_ZG recombinant strain (KCTC 12765BP) is provided.

또한, 본 발명은 상기 재조합 균주를 탄소원이 포함된 배지에서 배양하는 단계; 및 상기 배양한 배양액으로부터 수소 및 에탄올을 동시에 수득하는 단계를 포함하는 수소 및 에탄올의 고효율 동시 생산방법을 제공한다.Also, the present invention provides a method for producing a recombinant microorganism, comprising: culturing the recombinant strain in a medium containing a carbon source; And simultaneously obtaining hydrogen and ethanol from the cultured culture liquid. The present invention also provides a method for simultaneously producing hydrogen and ethanol at a high efficiency.

본 발명은 수소 및 에탄올의 동시 생산을 위한 고효율 유전자 재조합 대장균 균주 및 포도당을 이용한 수소 및 에탄올의 고효율 동시 생산 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 재조합 대장균 균주를 이용하여 수소 및 에탄올의 효율적인 동시 생산이 가능하다. 이는 유용한 대체 생물 연료 생산에 있어 원료 물질 대비 에너지 회수율이 향상된 고효율의 1 단계 발효 공정의 개발을 의미한다. 또한 혐기 조건에서 PP 경로가 활성화된 균주는 향후 PP 경로를 통해 생산되는 NAD(P)H를 환원력으로 필요로 하는 다양한 케미칼 생산에 활용될 수 있다. The present invention relates to a method for simultaneous production of hydrogen and ethanol using a high-efficiency recombinant E. coli strain and glucose for simultaneous production of hydrogen and ethanol, and an efficient simultaneous production of hydrogen and ethanol using the recombinant E. coli strain according to the present invention It is possible. This means the development of a high-efficiency, one-stage fermentation process with improved energy recovery for raw materials in useful alternative biofuel production. In addition, PP pathway - activated strains in anaerobic conditions can be used for the production of various chemicals that require NAD (P) H produced by the PP pathway in the future as reductive power.

도 1은 대장균의 포도당 대사를 위한 세 가지 해당경로와 수소 및 에탄올의 동시 생산을 위한 반응 경로를 간략화 하여 보여준다. 본 발명에서 활성화 하고자 하는 PP 경로는 점선으로 둘러싸인 박스 안에 표시하였다. 약어: GLU, glucose; G6P, glucose-6-phosaphate; F6P, fructose-6-phosphate; 6PG, 6-phosphogluconate; F6P, fructose-6-phosphate; G3P, glyceraldehyde-3-phosphate; PG, phosphoglycerate; PEP, phosphoenolpyruvate; PYR, pyruvate; AcCoA, acetyl-CoA; FOR, formate; ACE, acetate; ETH, ethanol; 6PG, 6-phospho gluconate; RL5P, Ribulose-5-phosphate; X5P, xylulose-5-phosphate; R5P, ribose-5-phosphate; S7P, sedoheptuloas-7-phosphate; E4P, erythrose-4-phosphate; KDPG, 2-keto-3-deoxy-6-phosphogluconate.
도 2는 SH8 균주의 적응진화(adaptive evolution)을 통한 세포 성장속도의 변화를 보여준다.
도 3은 SH5ped 균주에 동시 과발현한 Zwf, Gnd 단백질의 발현을 SDS-PAGE로 조사한 결과이다. 세포 파쇄액 내 가용성 단백질을 분리하여 분석하였다. 1: 단백질 marker, 2: 비교균주 (0 mM IPTG), 3: 인덕션 균주 (0.1 mM IPTG)
도 4는 SH5pZ와 SH5pZG의 포도당 발효를 통해 최종 얻어진 에탄올 및 아세트산 생산 수율의 변화를 보여준다.
도 5는 SH5pZ와 SH5pZG의 발효 대사산물 분석을 통해 in silico 모델링을 통한 Metabolic Flux Analysis (MFA) 결과를 보여준다.
Figure 1 shows a simplified representation of three corresponding pathways for glucose metabolism in E. coli and a reaction pathway for the simultaneous production of hydrogen and ethanol. In the present invention, the PP path to be activated is indicated in a box surrounded by a dotted line. Abbreviation: GLU, glucose; G6P, glucose-6-phosaphate; F6P, fructose-6-phosphate; 6PG, 6-phosphogluconate; F6P, fructose-6-phosphate; G3P, glyceraldehyde-3-phosphate; PG, phosphoglycerate; PEP, phosphoenolpyruvate; PYR, pyruvate; AcCoA, acetyl-CoA; FOR, formate; ACE, acetate; ETH, ethanol; 6PG, 6-phospho gluconate; RL5P, Ribulose-5-phosphate; X5P, xylulose-5-phosphate; R5P, ribose-5-phosphate; S7P, sedoheptuloas-7-phosphate; E4P, erythrose-4-phosphate; KDPG, 2-keto-3-deoxy-6-phosphogluconate.
Figure 2 shows the change in cell growth rate through adaptive evolution of the SH8 strain.
FIG. 3 shows the results of SDS-PAGE of the expression of Zwf and Gnd proteins simultaneously overexpressed in the SH5ped strain. Soluble proteins in cell lysate were isolated and analyzed. 1: protein marker, 2: comparative strain (0 mM IPTG), 3: induction strain (0.1 mM IPTG)
Figure 4 shows the yields of ethanol and acetic acid production yields obtained through glucose fermentation of SH5pZ and SH5pZG.
Figure 5 shows the results of Metabolic Flux Analysis (MFA) through in silico modeling through analysis of fermentation metabolites of SH5pZ and SH5pZG.

이에 본 발명자들은 1 단계 반응기를 이용하는 생물학적 방법으로는 수소를 고 효율, 고 에너지 수율로 생산하는 것이 불가능하다는 것을 인지하고, 2 단계 반응기를 대체하는 새로운 개념으로 하나의 반응기에서 하나의 균주를 통해 수소와 에탄올을 동시에 생산하는 방법을 제안하게 되었다. 즉 통성 혐기성 미생물이 수소와 동시에 에탄올, 아세트산 등을 생산하는 데 착안하여, 수소 생산은 변화시키지 않으면서 아세트산의 생산을 에탄올로 바꾸는 방법을 연구 개발하게 되었다. 이 경우 수소는 기체이고 에탄올은 액체이므로 분리 정제에 특별한 어려움이 없으며 저급 에너지원인 메탄대신 에탄올을 생산한다는 장점, 값비싼 광생물 반응기나 전기화학 반응기를 사용하지 않고 하나의 혐기 반응기만을 사용한다는 등의 장점이 있다. 본 발명에서는 이를 위해 포도당 대사 경로가 수정된 다양한 유전자 재조합 대장균 균주를 개발하고, 실제 발효를 통해 그 성능을 확인하였다. 구체적으로, 선행 연구에서 개발한 유전자 결실 대장균 균주인 SH5 균주를 모균주로 사용하여, 아세트산 생산을 막고 대신 에탄올 생산을 극대화하기 위한 다양한 전략들을 시도하였다. 이 전략의 핵심은 아세틸-CoA에서 아세트산으로 전환되는 탄소 흐름을 에탄올로 전환해 주는 것이다(도 1). 이를 위해 해야 하는 첫 번째 일은 아세트산 생산 경로의 유전자를 결실하는 것이었다. 하지만 이 전략은 전혀 도움이 되지 않았다. 그 이유는 크게 두 가지인데, 첫째, 아세트산 생산 경로는 혐기 조건에서 ATP를 공급하는 중요한 수단이며, 둘째, 아세트산 경로를 차단한다 하더라도 에탄올 생산을 위해서는 NADH와 같은 환원력을 추가로 필요로 하기 때문이다. 특히 아세틸-CoA에서 에탄올을 1몰 생산하기 위해서는 2몰의 NADH를 요구하며 따라서 이의 공급은 반드시 필요하다. 한편 NAD(P)H의 공급을 극대화하는 전략은 (i) EMP 경로가 아닌 오탄당 인산 (Pentose phosphate: PP) 회로를 이용하거나, (ii) TCA 회로 (TriCarboxylic Acid Cycle)를 사용하는 것이다. 하지만 TCA 회로는 호기 조건에서만 작용하며 혐기조건에서 작용하는 효소를 필요로 하는 수소와 에탄올의 동시 생산에 이를 이용하는 것은 불가능하다. 따라서 EMP 경로의 (부분적) 비활성화를 통해 PP 경로를 활성화시키고 이를 통해 NAD(P)H의 공급을 향상시키는 것이 현실적인 전략이라 할 수 있다. Therefore, the present inventors have recognized that it is impossible to produce hydrogen with high efficiency and high energy yield by a biological method using a one-stage reactor, and as a new concept replacing a two-stage reactor, And ethanol at the same time. In other words, considering that the coarse anaerobic microorganism produces hydrogen and ethanol, acetic acid and the like simultaneously, researching and developing a method of converting the production of acetic acid into ethanol without changing the hydrogen production. In this case, since hydrogen is a gas and ethanol is a liquid, there is no particular difficulty in separation and purification, and it is advantageous to produce ethanol instead of low-energy energy methane, and to use only one anaerobic reactor without using expensive photobioreactors or electrochemical reactors There are advantages. In the present invention, various recombinant E. coli strains with modified glucose metabolism pathway were developed and its performance was confirmed through actual fermentation. Specifically, we have tried various strategies to maximize ethanol production instead of acetic acid production by using strain SH5, a gene-deficient E. coli strain developed in the previous research, as a parent strain. The key to this strategy is to convert the carbon stream from acetyl-CoA to acetic acid to ethanol (Figure 1). The first thing to do for this was to lose the genes of the acetic acid production pathway. But this strategy did not help at all. First, the acetic acid production pathway is an important means of supplying ATP under anaerobic conditions. Second, even if the acetic acid pathway is blocked, it requires additional reducing power such as NADH for ethanol production. Particularly, in order to produce 1 mole of ethanol from acetyl-CoA, 2 moles of NADH is required and thus supply thereof is indispensable. On the other hand, the strategy for maximizing the supply of NAD (P) H is (i) using a pentose phosphate (PP) circuit rather than an EMP pathway, or (ii) using a TCA circuit (TriCarboxylic Acid Cycle). However, it is impossible to use the TCA circuit for the simultaneous production of hydrogen and ethanol, which only works under aerobic conditions and requires enzymes to function in anaerobic conditions. Therefore, it is a practical strategy to activate the PP path through (partial) deactivation of the EMP path and thereby improve the supply of NAD (P) H.

본 발명에서는 PP 경로를 포도당의 해당 경로로 사용함으로써 에탄올 생산에 필요한 환원력을 충분히 생산하고자 하였다. 대부분 미생물들이 가장 선호하는 해당과정인 EMP 경로 대신 PP 경로를 활성화시키는 것은 쉬운 일이 아니다. 더구나 혐기 조건에서 PP 경로를 활성화 시키는 연구는 세계적으로 아직까지 시도된 바가 없다. 본 발명에서는 EMP 경로를 막기 위해 EMP를 이끄는 핵심 효소인 인산포도당이성화 (phosphoglucose isomerase, Pgi) 효소 또는 인산-프럭토스 키나아제 (phosphofructokinase, Pfk) 효소의 비활성화 전략을 사용하였다. Pgi의 경우 포도당-6-인산에서 프럭토스-6-인산으로의 양방향 반응을 촉매하는 유일한 효소로 이 효소의 결실은 EMP 경로를 완전히 차단시킨다. 한편 Pfk는 프럭토스(과당)-6-인산에서 프럭토스(과당)-1,6-이인산으로의 정반응을 촉매하는 효소로 아이소자임(isozyme)으로 PfkA와 PfkB가 존재한다. 이 중 PfkA가 major 아이소자임으로 알려져 있다. 또한 PP 경로의 율속 반응으로 알려진 포도당-6-인산탈수소효소 (glucose-6-phosphate dehydrogenase; Zwf)와 6-인산글루코네이트 탈수소효소 (6-phosphogluconate dehydrogenase; Gnd)의 과발현을 통해 동시 생산의 수율에 미치는 영향을 조사하였다.
In the present invention, by using the PP pathway as the corresponding pathway of glucose, the present inventor produced sufficient reducing power necessary for ethanol production. It is not easy to activate the PP pathway instead of the EMP pathway, which is the most preferred pathway for most microorganisms. Moreover, research to activate PP pathway in anaerobic conditions has not been attempted worldwide yet. In the present invention, the inactivation strategy of phosphoglucose isomerase (Pgi) enzyme or phosphofructokinase (Pfk) enzyme, which is a key enzyme that drives EMP, is used to prevent EMP pathway. Pgi is the only enzyme that catalyzes the bidirectional reaction from glucose-6-phosphate to fructose-6-phosphate, and the deletion of this enzyme completely blocks the EMP pathway. On the other hand, Pfk is an enzyme that catalyzes the normal reaction of fructose (fructose) -1,6-phosphate to fructose (fructose) -6-phosphate, and PfkA and PfkB are isozyme. Of these, PfkA is known to be the major child element. The overproduction of glucose-6-phosphate dehydrogenase (Zwf) and 6-phosphogluconate dehydrogenase (Gnd), also known as the rate-limiting reaction of PP pathway, .

본 발명은 혐기 배양 조건에서 수소 및 에탄올을 동시에 고효율로 생산하는 Escherichia coli SH5p_Z 재조합 균주(KCTC 12762BP)을 제공한다.The present invention provides Escherichia coli SH5p_Z recombinant strain (KCTC 12762BP) which simultaneously produces hydrogen and ethanol at high efficiency under anaerobic culture conditions.

상세하게는, 상기 재조합 균주는 hycA, hyaAB, hybBC, ldhA, frdABpgi 유전자가 결실된 Escherichia coli BW25113 균주(Escherichia coli hycA hyaAB hybBC ldhA frdAB pgi; Escherichia coli SH5p)에 포도당-6-인산탈수소효소 (glucose-6-phosphate dehydrogenase; Zwf)를 형질도입하여 과발현시킬 수 있다. Specifically, the recombinant strains include hycA , hyaAB , hybBC , ldhA , frdAB, and pgi Escherichia with genetic defects E. coli BW25113 strain ( Escherichia coli ? hycA ? hyaAB ? hybBC ? ldhA ? frdAB ? pgi ; Escherichia E. coli SH5p) can be overexpressed by transfection with glucose-6-phosphate dehydrogenase (Zwf).

특히, 본 발명에서 사용한 모균주인 SH5 균주는 본 발명자들이 선행 연구에서 개발한 유전자 결실 대장균 균주이다(international journal of hydrogen energy 34 (2009) 7417-7427).In particular, the strain SH5, which is the parent strain used in the present invention, is a gene-deleted E. coli strain developed by the present inventors in a previous study (international journal of hydrogen energy 34 (2009) 7417-7427).

한편, 본 발명에서 사용한 균주는 표 1에 자세하게 설명되어 있다. 특히, Escherichia coli SH5p 균주는 hycA, hyaAB, hybBC, ldhA, frdABpgi 유전자가 결실된 Escherichia coli BW25113 균주(Escherichia coli hycA hyaAB hybBC △ldhA△ frdAB pgi)이다. On the other hand, the strains used in the present invention are described in detail in Table 1. Especially, Escherichia coli SH5p strains contain hycA , hyaAB , hybBC , ldhA , frdAB and pgi Escherichia with genetic defects E. coli BW25113 strain ( Escherichia coli ? hycA ? hyaAB ? hybBC ? ldhA? frdAB ? pgi ).

hycA는 포름산 분해효소(Formate-Hydrogen Lyase; FhlA)의 조절유전자이고, hyaAB hybBC는 수소화효소(hydrogenase)를 코딩하고 있으며, ldhA는 락테이트 디하이드로게나제(lactate dehydrogenase)를 코딩하고 있다. 또한, frdAB는 푸마레이트 리덕타제(fumarate reductase)를 코딩하고 있고, pgi는 인산포도당이성화효소 (phosphoglucose isomerase)를 코딩하고 있다.
hycA is a regulatory gene of formate-hydrogen lyase (FhlA), hyaAB and hybBC are coding for hydrogenase, and ldhA is coding for lactate dehydrogenase. In addition, frdAB is encoding a fumarate reductase and pgi is encoding a phosphoglucose isomerase.

또한, 본 발명은 상기 Escherichia coli SH5p_Z 재조합 균주(KCTC 12762BP)에 6-인산글루코네이트 탈수소효소 (6-phosphogluconate dehydrogenase; Gnd)를 형질도입하여 과발현시킨, 혐기 배양 조건에서 수소 및 에탄올을 동시에 고효율로 생산하는 Escherichia coli SH5p_ZG 재조합 균주(KCTC 12763BP)를 제공한다.
In addition, the present invention relates to the above Escherichia SH5p_Z coli recombinant strain (KCTC 12762BP) to the 6-phosphate gluconate dehydrogenase; were introduced by the over-expression transformants (6-phosphogluconate dehydrogenase Gnd), Escherichia , which at the same time with high efficiency production of hydrogen and ethanol under anaerobic culture conditions The E. coli SH5p_ZG recombinant strain (KCTC 12763BP) is provided.

또한, 본 발명은 혐기 배양 조건에서 수소 및 에탄올을 동시에 고효율로 생산하는 Escherichia coli SH8AE 재조합 균주(KCTC 12764BP)를 제공한다. In addition, the present invention relates to a method for producing hydrogen and ethanol simultaneously in an anaerobic culture condition with Escherichia coli SH8AE provides a recombinant strain (KCTC 12764BP).

상세하게는, 상기 재조합 균주는 hycA, hyaAB, hybBC, ldhA, frdAB, pta -ackApfkA 유전자가 결실된 Escherichia coli BW25113 균주(Escherichia coli hycA hyaAB hybBC ldhA frdAB pta - ackA pfkA; Escherichia coli SH8)의 적응 진화(adaptive evolution)를 통해 제작된 균주일 수 있다.Specifically, the recombinant strains include hycA , hyaAB , hybBC , ldhA , frdAB , pta -ackA and pfkA Escherichia with genetic defects E. coli BW25113 strain ( Escherichia coli ? hycA ? hyaAB ? hybBC ? ldhA ? frdAB ? pta - ackA ? pfkA ; Escherichia The strains may be produced by the adaptive evolution (adaptive evolution) of coli SH8).

한편, Escherichia coli SH8 균주는 hycA, hyaAB, hybBC, ldhA, frdAB, pta -ackApfkA 유전자가 결실된 Escherichia coli BW25113 균주(Escherichia coli △h y cA△ hyaAB hybBC ldhA frdAB pta - ackA pfkA)이다. pta - ackA는 포스포트랜스아세틸라제(phosphotransacetylase)-아세테이트 키나아제(acetate kinase)를 코딩하고 있고, pfkA는 인산-프럭토스 키나아제 (phosphofructokinase)를 코딩하고 있다. Meanwhile, Escherichia The E. coli SH8 strains include hycA , hyaAB , hybBC , ldhA , frdAB , pta -ackA and pfkA Escherichia with genetic defects E. coli BW25113 strain ( Escherichia an ackA pfkA) - coli h y cA hyaAB hybBC ldhA frdAB pta. pta - ackA encodes a phosphotransacetylase - acetate kinase, and pfkA encodes a phosphofructokinase.

상세하게는, 상기 재조합 균주는 적응 진화(adaptive evolution)를 통해 혐기 배양 조건에서 포도당을 탄소원으로 하여 세포 성장 속도가 향상된 것일 수 있다.
In detail, the recombinant strain may have improved cell growth rate by using glucose as a carbon source under anaerobic culture conditions through adaptive evolution.

또한, 본 발명은 상기 Escherichia coli SH8AE 재조합 균주(KCTC 12764BP)에 포도당-6-인산탈수소효소 (glucose-6-phosphate dehydrogenase; Zwf) 및 6-인산글루코네이트 탈수소효소 (6-phosphogluconate dehydrogenase; Gnd)를 형질도입하여 과발현시킨, 혐기 배양 조건에서 수소 및 에탄올을 동시에 고효율로 생산하는 Escherichia coli SH8AE_ZG 재조합 균주(KCTC 12765BP)를 제공한다.
In addition, the present invention relates to the above Escherichia An overexpression of an E. coli SH8AE recombinant strain (KCTC 12764BP) by transfection with glucose-6-phosphate dehydrogenase (Zwf) and 6-phosphogluconate dehydrogenase (Gnd) Escherichia coli SH8AE_ZG recombinant strain (KCTC 12765BP), which produces hydrogen and ethanol simultaneously under high culture conditions, is provided.

또한, 본 발명은 상기 재조합 균주를 탄소원이 포함된 배지에서 배양하는 단계; 및 상기 배양한 배양액으로부터 수소 및 에탄올을 동시에 수득하는 단계를 포함하는 수소 및 에탄올의 고효율 동시 생산방법을 제공한다.바람직하게는, 상기 배양하는 단계는 혐기 조건에서 수행될 수 있고, 상기 탄소원은 포도당일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
Also, the present invention provides a method for producing a recombinant microorganism, comprising: culturing the recombinant strain in a medium containing a carbon source; And simultaneously obtaining hydrogen and ethanol from the cultured medium. Preferably, the step of culturing can be carried out in an anaerobic condition, and the carbon source is added to the grape But is not limited thereto.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 다만 하기의 실시예는 본 발명의 내용을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the following examples. However, the following examples are intended to illustrate the contents of the present invention, but the scope of the present invention is not limited to the following examples. Embodiments of the present invention are provided to more fully describe the present invention to those skilled in the art.

<< 실험예Experimental Example >>

하기의 실험예들은 본 발명에 따른 각각의 실시예에 공통적으로 적용되는 실험예를 제공하기 위한 것이다.
The following experimental examples are intended to provide experimental examples that are commonly applied to the respective embodiments according to the present invention.

1. One. 실험균주Experimental strain

(1) 유전자 클로닝(1) Gene cloning

목표 유전자를 대량으로 증폭시키기 위해 중합효소연쇄반응(PCR)을 이용하였다. 먼저 PCR에 필요한 프라이머는 목표 유전자의 양 끝부분에 제한효소를 포함하도록 디자인하였다. 이 프라이머를 이용하여 Escherichia coli BW25113 염색체로부터 목표 유전자를 증폭하였다. 증폭된 PCR 산물은 아가로즈 젤에서 전기영동 하여 PCR 단편을 분리 정제하였다. 분리 정제된 PCR 단편은 각각의 제한효소로 절단한 다음 T4 DNA ligase를 사용하여 벡터에 라이게이션(ligation)시켰다. 라이게이션된 산물은 열충격(heat shock) 방법을 이용하여 형질전환(transformation) 하였다.
Polymerase chain reaction (PCR) was used to amplify the target gene in large quantities. First, primers required for PCR were designed to contain restriction enzymes at both ends of the target gene. Using this primer Escherichia The target gene was amplified from the E. coli BW25113 chromosome. The amplified PCR product was electrophoresed on agarose gel to separate and purify the PCR fragment. The isolated and purified PCR fragment was digested with each restriction enzyme and ligated to the vector using T4 DNA ligase. The ligation products were transformed using a heat shock method.

(2) 유전자 제거(2) gene deletion

본 발명에서는 염색체로부터 유전자를 제거하기 위해서 λ red recombinase 방법과 pKOV 방법을 사용하였다.In the present invention, the λ red recombinase method and the pKOV method were used to remove the gene from the chromosome.

i) λ red recombinase 방법i) λ red recombinase method

제거하고자 하는 유전자의 일부분이 포함된 antibiotic cassette (FRT-kan-FRT)를 PCR을 이용하여 증폭한 다음 pKD4 벡터에 클로닝하였다. 재조합 된 pKD4 벡터를 전기천공방법으로 형질전환(transformation) 하였다. 카나마이신에 저항을 가지는 콜로니는 PCR 방법으로 유전자가 제거되었는지 확인하였다. An antibiotic cassette (FRT-kan-FRT) containing a part of the gene to be removed was amplified by PCR and cloned into pKD4 vector. The recombinant pKD4 vector was transformed by electroporation. Colonies resistant to kanamycin were confirmed to have been removed by PCR.

ii) pKOV 방법ii) pKOV method

PCR을 이용하여 제거하고자 하는 유전자의 일부분을 증폭한 다음 PCR 산물을 pKOV 벡터에 클로닝하였다. 재조합된 pKOV 벡터는 전기천공방법으로 형질전환(transformation) 하였으며, 클로람페니콜이 포함된 한천 평판에 도말하여 42도에서 약 16시간 동안 배양시켜 삽입(integration)이 일어나도록 유도하였다. PCR을 통해 삽입(integration)이 일어난 균주를 스크리닝 한 다음 수크로오스가 포함된 한천 평판에 도말하여 30도에서 약 16시간 동안 배양시켜 curing이 일어나도록 하였다. Curing이 일어난 균주는 PCR을 통해 확인하였다.
PCR was used to amplify a portion of the gene to be removed and the PCR product was cloned into a pKOV vector. The recombinant pKOV vector was transformed by electroporation and plated on an agar plate containing chloramphenicol for about 16 hours at 42 ° C. to induce integration. PCR was performed to screen for strains that had been integrated, and then plated on an agar plate containing sucrose and incubated at 30 ° C for about 16 hours to allow curing to occur. Curing was detected by PCR.

2. 배양조건2. Culture conditions

재조합 균주의 개발 및 유지를 위해서는 Luria Bertani (LB) 배지가 이용되었다. 동시생산을 위한 세포 배양은 3단계로 진행되었다. 우선 plate로부터 싱글 콜로니를 취하여 호기조건의 LB 배지에서 약 10시간 가량 배양된다. 그 후 배양액은 5g/L의 포도당과 1g/L의 효모 추출액이 포함된 변형된 M9 배양배지가 포함된 혐기 플라스크에 접종되었다. 이렇게 overnight 배양된 배양액은 다시 M9 배양액이 포함된 혐기 플라스크에 옮겨져 세포 성장 및 동시 생산이 조사되었다. 2차, 3차 혐기배양은 M9 배양배지가 포함된 serum bottle를 고무마개와 알루미늄 캡으로 밀폐한 다음, 아르곤 가스로 치환하여 혐기상태를 조성하고 미리 배양해놓은 배양액을 접종함으로써 시작하였다. 접종은 세포 농도 0.05 ~ 0.1 OD에서 이루어졌으며, 모든 배양은 37℃, 200 rpm에서 이루어졌다. 과발현 유전자의 발현을 위해서는 혐기 배양을 시작함과 동시에 0.1 ~ 0.2 mM IPTG를 넣어줌으로써 진행되었다. 필요에 따라 카나마이신(50 ㎍/mL), 클로람페니콜(25 ㎍/mL)이 사용되었다.
Luria Bertani (LB) medium was used for the development and maintenance of the recombinant strains. Cell culture for simultaneous production proceeded in three steps. First, a single colony is taken from the plate and cultured in LB medium under aerobic conditions for about 10 hours. The culture was then inoculated into an anaerobic flask containing a modified M9 culture medium containing 5 g / L glucose and 1 g / L yeast extract. The overnight culture was transferred to an anaerobic flask containing M9 culture medium and cell growth and co - production were investigated. Secondary and tertiary anaerobic cultures were initiated by sealing the serum bottle containing the M9 culture medium with rubber caps and aluminum caps, replacing with argon gas, and then inoculating the cultures in which the anaerobic conditions were established and cultured in advance. Inoculation was performed at a cell concentration of 0.05-0.1 OD, and all cultures were carried out at 37 ° C and 200 rpm. The expression of overexpressed genes was initiated by incubation with 0.1-0.2 mM IPTG. Kanamycin (50 / / mL), chloramphenicol (25 / / mL) was used as needed.

3. 분석방법3. Analysis method

세포성장은 분광광도계(Spectrophotometer)를 이용하여 600 nm에서 세포의 흡광도를 측정하여 조사하였다. Cell growth was measured by measuring the absorbance of the cells at 600 nm using a spectrophotometer.

수소, 이산화탄소와 같은 가스 생산량은 TCD 검출기가 장착된 가스크로마토그래피를 이용하여 분석하였다. 가스 분석을 위한 컬럼은 Molecular sieve 5A와 Hayesep Q (Alltech Deerfield, IL, USA)가 사용되었고, 오븐(oven), 주입부(injector) 및 검출부(detector) 온도는 각각 80, 90 및 120℃였다. 배양액에 포함된 탄소원 및 대사산물들은 refractive index (RI), photodiode array (PDA) 검출기가 장착된 액체크로마토그래피 (Agilent Technologies, HP, 1160 series)로 분석되었다. 이 때 사용된 컬럼은 Aminex 87H (Bio-Rad)이다.Gas production such as hydrogen and carbon dioxide was analyzed using gas chromatography equipped with a TCD detector. Molecular sieve 5A and Hayesep Q (Alltech Deerfield, IL, USA) were used for gas analysis and oven, injector and detector temperatures were 80, 90 and 120 ° C, respectively. The carbon source and metabolites contained in the culture were analyzed by liquid chromatography (Agilent Technologies, HP, 1160 series) equipped with a refractive index (RI) detector and a photodiode array (PDA) detector. The column used here was Aminex 87H (Bio-Rad).

SDS-PAGE 분석은 배양된 세포를 원심분리하여 침전시킨 후 potassium phosphate buffer(50 mM, pH 7.0)으로 세척하고, 다시 동일한 buffer 및 농도로 재현탁하여 프렌치프레스를 사용하여 파쇄하였다. 파쇄된 세포 파쇄액은 원심분리를 통해 상득액을 취한 후 전기영동 분석이 이루어졌다. 단백질 밴드는 Coomassie Brillaint Blue로 염색하여 image analyzer (BIO_RAD Gel Doc 2000)을 이용하여 확인하였다.
The SDS-PAGE analysis was performed by centrifugation of the cultured cells, washing with potassium phosphate buffer (50 mM, pH 7.0), resuspension in the same buffer and concentration, and disruption using a French press. The disrupted cell lysate was centrifuged and the supernatant was taken and electrophoresis analysis was performed. Protein bands were stained with Coomassie Brillaint Blue and analyzed using an image analyzer (BIO_RAD Gel Doc 2000).

4. 정량 4. Quantification PCRPCR

정량 PCR 분석을 위해서는 지수성장기에 있는 세포를 수확한 후 RNA protect reagent (Qiagen, Inc, USA) 처리를 거친 후 RNA가 추출되고, 이를 이용해 cDNA 합성이 이루어졌다. cDNA 합성을 위해서는 SuperScript III first-strand synthesis system (Invitrogen, USA)가 사용되었다. 실시간 정량 PCR은 SYBR green method를 이용한 Step One Real Time PCR system (Applied Biosystems, USA)을 이용해 이루어졌다. 각각의 반응 샘플의 총량은 20 uL이며 300 ng의 cDNA, 10 uL의 2x Power SYBR Green PCR Master Mix (Applied Biosystems, UK), 각각 5 pmol의 정방향 프라이머(forward primer), 역방향 프라이머(reverse primer), 그리고 DEPC-처리된 물이 포함되어 있다. 정량 PCR 조건은 다음과 같다. 변성(Denaturation): 1 cycle, 95 ℃, 30 sec; 결합(Amplification): 40 cycle, 95 ℃, 15 sec/ 62 ℃, 30 sec/ 72 ℃, 30 sec. 모든 정량 PCR분석은 duplicate로 이루어졌다.
For quantitative PCR analysis, cells in the exponential growth phase were harvested, treated with RNA protect reagent (Qiagen, Inc, USA), RNA was extracted, and cDNA synthesis was carried out using this. For cDNA synthesis, SuperScript III first-strand synthesis system (Invitrogen, USA) was used. Real-time quantitative PCR was performed using the Step One Real Time PCR system (Applied Biosystems, USA) using the SYBR green method. The total amount of each reaction sample was 20 uL, and 300 ng of cDNA, 10 uL of 2x Power SYBR Green PCR Master Mix (Applied Biosystems, UK), 5 pmol forward primer, reverse primer, And DEPC-treated water. Quantitative PCR conditions are as follows. Denaturation: 1 cycle, 95 캜, 30 sec; Amplification: 40 cycles, 95 ° C, 15 sec / 62 ° C, 30 sec / 72 ° C, 30 sec. All quantitative PCR analyzes were duplicate.

<< 실시예Example 1> 수소와 에탄올의 고효율 동시 생산을 위한 유전자 재조합 대장균 균주 개발  1> Development of recombinant Escherichia coli strains for high efficiency simultaneous production of hydrogen and ethanol

수소와 에탄올은 당을 이용한 대장균의 혼합산 발효시 생산되는 물질들이다. 하지만 야생균주를 생촉매로 사용 시 이들 생물연료의 생산 수율은 상당히 낮으며, 수율 향상을 위해서는 대대적인 대사 경로의 변형이 필요하다. 잘 알려진 대로 수소는 해당경로를 통해 생산된 피루브산(pyruvate)이 아세틸-CoA (acetyl-CoA)와 개미산(formate)으로 전환된 후 혐기 발효 조건에서 개미산의 산화를 통해 생산된다. 또한 에탄올의 경우 알코올탈수소효소(alcohol dehydrogenase, AdhE)의 작용을 통해 아세틸-CoA로부터 생산된다. 하지만 아세틸-CoA의 에탄올 전환은 에탄올 1 mol 생산 당 2 mol의 NADH, 즉 환원된 형태의 보조인자(cofactor)를 필요로 한다. 한편 NADH의 산화로 재생된 NAD+는 포도당의 피루브산 전환에 이용되어 해당과정을 지속시키는 원동력이 된다. 정상적인 포도당 발효 조건에서 NAD+/NADH 균형은 1 mol의 포도당에서 1 mol의 에탄올과 1 mol의 아세트산이 생산될 때 잘 유지된다. 아세트산 역시 아세틸-CoA로부터 생산되며 이때는 환원력을 필요로 하지 않는다. 아세트산으로의 전환은 ATP 생산을 동반하여 혐기 세포의 성장에 사용된다. 따라서 아세틸-CoA에서 아세트산 대신 에탄올을 생산하기 위해서는 환원력인 NAD(P)H를 추가적으로 공급해 주어야 한다.Hydrogen and ethanol are produced by fermentation of mixed acid of E. coli using sugar. However, production yields of these biofuels are considerably low when wild-type strains are used as biocatalysts, and a large metabolic pathway is required to improve the yield. As is well known, hydrogen is produced through the oxidation of formic acid in anaerobic fermentation conditions after conversion of pyruvate produced through the pathway to acetyl-CoA and formate. In addition, ethanol is produced from acetyl-CoA through the action of alcohol dehydrogenase (AdhE). However, the conversion of acetyl-CoA to ethanol requires 2 moles of NADH, a reduced form of cofactor, per mole of ethanol produced. On the other hand, NAD + regenerated by oxidation of NADH is used to convert glucose into pyruvate, which is the driving force for the process. Under normal glucose fermentation conditions, the NAD + / NADH balance is well maintained when 1 mol of ethanol and 1 mol of acetic acid are produced in 1 mol of glucose. Acetic acid is also produced from acetyl-CoA and does not require reducing power. Conversion to acetic acid is used for the growth of anaerobic cells with ATP production. Therefore, in order to produce ethanol instead of acetic acid in acetyl-CoA, NAD (P) H, which is a reducing power, should be additionally supplied.

일반적으로 대장균은 포도당을 포함한 당의 대사를 위해 EMP 경로를 주로 사용한다. EMP 경로를 통해 1mol의 포도당은 2mol의 피루브산로 전환되고 이때 2 mol의 NADH를 생산한다. 따라서 1몰의 포도당으로부터 최대 생산 가능한 에탄올은 1몰 이상이 불가능하다. In general, Escherichia coli mainly uses the EMP pathway for glucose metabolism. Through the EMP pathway, 1 mol of glucose is converted to 2 mol of pyruvic acid, yielding 2 mol of NADH. Therefore, the maximum amount of ethanol that can be produced from 1 mole of glucose is not more than 1 mole.

따라서 본 발명에서는 에탄올 생산을 위한 보조인자(NAD(P)H)의 충분한 공급을 위해 EMP 경로의 부분적 또는 완전한 차단을 통한 PP 경로의 활성화를 시도하였다 (도 1). EMP 경로의 첫 번째 유전자인 pgi의 결실을 통해 EMP 경로를 완전히 차단하고, 탄소 흐름을 PP 경로로 유도한 뒤 PP 경로의 대사산물이 프럭토스-6-인산 또는 글리세르알데히드-3-인산(glyceraldehyde-3-phosphate) 형태로 다시 EMP 경로로 합류할 때 동시 생산을 위한 탄소 (pyruvate) 및 NAD(P)H와 같은 환원력의 생산을 최대화 할 수 있다. 또는 pfkA 유전자의 결실을 통해 EMP 경로를 통한 탄소 흐름을 감소시키고 대신 PP경로로의 탄소 흐름을 증가시키거나 또는 일부 탄소 흐름을 완전한 PP 회로를 작동시키는 데 사용하여 환원력의 생산 증가를 기대 할 수 있다. Thus, the present invention attempted to activate the PP pathway through partial or complete blockage of the EMP pathway (Fig. 1) in order to provide a sufficient supply of cofactor (NAD (P) H) for ethanol production. The EMP pathway is completely blocked by deletion of the first gene of the EMP pathway pGI and the carbon pathway is induced to the PP pathway and the metabolite of the PP pathway is converted to fructose-6-phosphate or glyceraldehyde- -3-phosphate form, it is possible to maximize the production of reducing power such as pyruvate and NAD (P) H for simultaneous production. Alternatively, deletion of the pfkA gene may be expected to reduce the carbon flow through the EMP pathway and instead increase the carbon flow to the PP pathway, or use some carbon flow to operate the complete PP circuitry, thereby increasing the production of reducing power .

표 1은 이러한 전략에 기반하여 본 발명에서 개발되고 조사된 균주 및 플라스미드를 나타내고 있다. 특히, 본 발명에서 사용한 모균주인 SH5 균주는 본 발명자들이 선행 연구에서 개발한 유전자 결실 대장균 균주이다(international journal of hydrogen energy 34 (2009) 7417-7427).
Table 1 shows the strains and plasmids developed and investigated in the present invention based on this strategy. In particular, the strain SH5, which is the parent strain used in the present invention, is a gene-deleted E. coli strain developed by the present inventors in a previous study (international journal of hydrogen energy 34 (2009) 7417-7427).

본 발명에 사용된 균주 및 플라스미드The strains and plasmids used in the present invention 사용된 균주 및
플라스미드
The strains used and
Plasmid
유전적 특성Genetic characteristic
균주Strain SH5SH5 BW25113 Δ hycAΔ hyaABΔ hybBCΔ ldhAΔ frdABBW25113 Δ hyca Δ hya AB Δ hyb BC Δ ldh A Δ frd AB SH6SH6 SH5 Δ pta - ackASH5 Δ pta - acka SH5pSH5p SH5 Δ pgi Km resistantSH5 Δ pgi Km resistant SH5p_ZSH5p_Z SH5p_pZwfSH5p_pZwf SH5p_ZGSH5p_ZG SH5p_pZwGnSH5p_pZwGn SH5pedSH5ped SH5p Δ edd Δ eda SH5p Δ edd Δ eda SH5ped_ZSH5ped_Z SH5ped_pZwfSH5ped_pZwf SH5ped_ZGSH5ped_ZG SH5ped_pZwGnSH5ped_pZwGn SH8SH8 SH6 Δ pfkA Km resistantSH6 Δ PFKA Km resistant SH8AESH8AE SH8 with adaptive evolutionSH8 with adaptive evolution SH8AE_ZGSH8AE_ZG SH8AE_pZwGnSH8AE_pZwGn SH8AEedSH8AEed SH8AE Δ edd Δ eda SH8AE Δ edd Δ eda SH8AEed_ZGSH8AEed_ZG SH8AEed_pZwGnSH8AEed_pZwGn 플라스미드Plasmid pDK7pDK7 Cm resistantCm resistant pZwfpZwf pDK7 carries zwf of Escherichia coli pDK7 carries zwf of Escherichia coli pZwGnpZwGn pDK7 carries zwf , gnd of Escherichia coli pDK7 carries zwf , gnd of Escherichia coli

<< 실시예Example 2> 아세트산 생산 경로의 결실을 통한 에탄올 생산 향상 조사 2> Improvement of ethanol production through elimination of acetic acid production pathway

실시예 1에서 서술된 바와 같이 피루브산으로부터 PFL 작용으로 생산된 아세틸-CoA는 아세트산 또는 에탄올로 전환된다. 먼저 에탄올 수율 향상을 위해 아세트산 생산 효소인 pta-ackA 유전자의 결실이 이루어졌다 (SH6). SH6 균주의 세포 성장 속도는 SH5 균주에 비해 상당히 감소하였다. 이는 아세트산 생산반응을 통해 생산되는 ATP 수율의 감소와 아세틸-CoA의 축적 때문인 것으로 보인다. 이 경우 아세트산 생산은 거의 무시할 만한 수준으로 관찰되었다. 표 2는 SH5와 SH6의 대사산물 생성 결과를 비교한 것이다. 아세트산 생산 경로의 결실에도 불구하고 에탄올 생산 수율은 약 10 % 상승에 머물렀다. 반면 수소 생산 수율은 50% 이상 감소하였다. 또 해당과정의 중간 대사산물인 피루브산의 생산이 매우 높게 관찰되었다. 피루브산의 분비는 아세틸-CoA가 지속적으로 에탄올과 아세트산으로 대사되지 못하는데 따라 발생하며 탄소 대사가 피루브산에서 막히게 되면 수소와 에탄올의 생산 수율이 높게 나올 수가 없게 된다. 이 결과로부터 아세트산 생산 경로의 단순한 결실은 아세트산 생산을 막아주기는 하지만 아세틸-CoA의 에탄올 전환에는 전혀 도움이 되지 않는다는 것을 알 수 있다. 아세틸-CoA가 에탄올로 전환되지 않는 주된 이유는 NADH 공급의 부족 때문이며, 이를 해결하기 위한 PP 경로의 활성화가 필수적이다.Acetyl-CoA produced by PFL action from pyruvic acid as described in Example 1 is converted to acetic acid or ethanol. First, to improve the ethanol yield, the pTA-ackA gene, an acetic acid producing enzyme, was deleted (SH6). The cell growth rate of the SH6 strain was significantly reduced compared to that of the SH5 strain. This seems to be due to a decrease in the yield of ATP produced through the acetic acid production reaction and the accumulation of acetyl-CoA. In this case, acetic acid production was observed to be negligible. Table 2 compares the metabolite production results of SH5 and SH6. Despite the loss of the acetic acid production pathway, the yield of ethanol production remained at about 10%. On the other hand, the yield of hydrogen production decreased more than 50%. The production of pyruvic acid, an intermediate metabolite of the process, was observed to be very high. The secretion of pyruvic acid occurs when acetyl-CoA is not continuously metabolized to ethanol and acetic acid. When carbon metabolism is clogged in pyruvic acid, the production yield of hydrogen and ethanol can not be high. From these results, it can be seen that the simple deletion of the acetic acid production pathway inhibits the production of acetic acid, but does not contribute to the conversion of acetyl-CoA to ethanol. The main reason that acetyl-CoA is not converted to ethanol is the lack of NADH supply, and activation of the PP pathway is essential to overcome this.

SH5, SH6, SH8AE 균주의 대사산물 수율 비교Comparison of metabolite yields of SH5, SH6 and SH8AE strains SH5SH5
(( GlucoseGlucose ))
SH6SH6
(( GlucoseGlucose ))
SH8AESH8AE
(( GlucoseGlucose ))
SH8AESH8AE
(( SorbitolSorbitol ))
YieldYield ( ( molmol // molmol glucoseglucose ) ) H2 H 2 1.42 1.42 0.69 0.69 1.031.03 1.251.25 EthanolEthanol 0.84 0.84 0.95 0.95 1.041.04 1.491.49 AcetateAcetate 0.73 0.73 0.02 0.02 0.040.04 0.050.05 PyruvatePyruvate 0.020.02 0.73 0.73 0.740.74 0.240.24 FormateFormate 0.12 0.12 0.19 0.19 0.110.11 0.250.25 CarbonCarbon distributiondistribution (%) (%) PyruvatePyruvate 1.071.07 37.6737.67 39.1739.17 11.3111.31 EthanolEthanol 28.5828.58 31.2531.25 34.6434.64 51.6051.60 AcetateAcetate 24.8624.86 2.452.45 1.471.47 1.681.68 FormateFormate 2.092.09 2.472.47 1.801.80 4.224.22 BiomassBiomass 18.3918.39 8.748.74 8.158.15 5.965.96 CO2 CO 2 24.2324.23 11.5011.50 17.2517.25 19.7919.79 RecoveryRecovery (%) (%) 99.2299.22 94.1094.10 101.44101.44 94.5694.56

<< 실시예Example 3>  3> EMPEMP 경로의 유전자 ( Pathway gene ( pgipgi , , pfkApfkA ) 결실 균주의 세포 성장 조사) Cell growth of deletion strain

에탄올 생산에 필요한 환원력 공급을 위해 EMP 경로의 부분적 또는 완전한 차단을 통해 PP 경로의 활성화가 시도 되었다. 이는 앞서 개발된 SH6 균주에 pfkA 유전자의 결실을 통한 EMP 경로의 부분적 차단과 SH5 균주에 pgi 유전자 결실을 통한 EMP 경로의 완전한 차단이 각각 시도되었다. 우선 이들 pfkA 및 pgi 결실 균주의 세포 성장을 호기 및 혐기조건에서 조사하였다. pfkA의 결실은 pfkB 아이소자임(minor)의 존재로 완전한 EMP 경로의 차단이 어렵지만, pfkA가 major 아이소자임인만큼 pfkA 유전자 결실을 통해 EMP 경로로의 탄소흐름을 감소시키고 PP 또는 ED 경로로의 탄소 흐름을 증가시킬 수 있을 것으로 기대하였다 (SH8 균주). SH8 균주를 호기 조건에서 배양할 경우 세포 성장 속도는 저하되었지만 성장이 가능하였고, 혐기 조건에서는 거의 성장하지 못하였다. 이는 pfkB isozyme이 비록 존재하지만 pfkA가 major isozyme으로 작용하고 있음을 재확인하는 결과이다. Activation of the PP pathway was attempted through partial or complete blockage of the EMP pathway to provide the reductive power needed for ethanol production. This resulted in partial blocking of the EMP pathway through deletion of the pfkA gene and complete blocking of the EMP pathway through deletion of the pgi gene in the SH5 strain, respectively. First, cell growth of these pfkA and pgi deletion strains was investigated under aerobic and anaerobic conditions. The deletion of pfkA is difficult to block the complete EMP pathway due to the presence of pfkB isozymes, but the pfkA gene deletion reduces the carbon flow to the EMP pathway and reduces the carbon flow to the PP or ED pathway, (SH8 strain). When the SH8 strain was cultured under aerobic conditions, the cell growth rate was lowered but growth was possible, and it was hardly grown under anaerobic conditions. This is the result of confirming that pfkB acts as major isozyme even though pfkB isozyme exists.

한편, EMP의 완전한 차단을 위하여 pta-ackA 유전자가 살아있는 SH5에서 pgi 유전자 결실을 시도하였다 (SH5p 균주). 결실 균주는 호기 조건에서 사용된 모든 탄소원 (포도당, 글루코네이트, 프럭토스)을 이용하여 세포 성장이 가능하였다. 하지만 혐기 조건에서는 포도당을 이용한 세포 성장이나 포도당의 소모는 전혀 관찰되지 않았다. 이에 글루코네이트와 프럭토스를 탄소원으로 사용하여 발효를 시도하였다 (표 3). 포도당과는 달리 프럭토스 및 글루코네이트를 이용한 세포 성장은 혐기에서도 잘 이루어지는 것을 확인하였다. 이러한 결과는 pgi 유전자의 결실이 EMP 경로의 나머지 반응에는 영향이 없음을 확인한다. 특히 글루코네이트 탄소원 하에서 pgi-와 pgi+ 의 성장 차이는, 대장균 내에서 PP나 ED 경로에 필수적인 포도당-6-인산 (glucose-6-phosphate)에서 6-인산글루코네이트(6-phosphogluconate)로의 전환 반응이 원활하지 않음을 의미한다.
On the other hand, in order to completely block EMP, deletion of pgi gene was attempted in SH5 in which pta-ackA gene was live (SH5p strain). The deletion strain was able to grow cells using all carbon sources (glucose, gluconate, fructose) used in aerobic conditions. However, in anaerobic conditions, no growth of glucose or glucose consumption was observed at all. Fermentation was attempted using gluconate and fructose as carbon sources (Table 3). Unlike glucose, cell growth using fructose and gluconate was found to be well performed in anaerobic conditions. These results confirm that deletion of the pgi gene does not affect the remainder of the EMP pathway. In particular, the difference in the growth of pgi- and pgi + under the gluconate carbon source is due to the conversion of glucose-6-phosphate into 6-phosphogluconate, which is essential for PP and ED pathways in E. coli It means not smooth.

SH5p 균주의 세포 성장 비교Comparison of cell growth of SH5p strain Carbon sourceCarbon source ConditionCondition Relative Cell growth rate Relative Cell growth rate Biomass yield
(g cell/g carbon)
Biomass yield
(g cell / g carbon)
GlucoseGlucose + O2 + O 2 ++++++ 0.370.37 - O2 - O 2 - - -- GluconateGluconate + O2 + O 2 ++++++ 0.150.15 - O2 - O 2 ++++++ 0.090.09 FructoseFructose + O2 + O 2 +++ +++ 0.290.29 - O2 - O 2 ++++ 0.160.16

<< 실시예Example 4>  4> pfkApfkA 결실 균주의 적응진화를 통한  Through adaptive evolution of defective strains 혐기anaerobe 미생물 획득 및 이를 이용한 동시생산 Acquisition of microorganisms and simultaneous production using them

실시예 3의 pfkA 결실 균주인 SH8은 혐기 조건에서 포도당을 탄소원으로 거의 성장하지 못하였다. 이에 이 균주를 혐기 발효 조건에서 성장할 수 있는 균주로 바꾸기 위하여 적응진화 (adaptive evolution) 방법을 시도하였다. 적응진화를 위해 5 g/L의 포도당과 3g/L의 효모추출물 (yeast extract)를 포함한 M9 배양 배지가 사용되었다. SH8의 적응진화는 혐기 조건에서 지수성장기의 세포를 반복 계대함으로써 세포성장 속도를 향상시키는 방법이다 (도 2). 반복 계대는 성장속도의 변화에 따라 희석배수 1/104~1/105 범위 내에서 이루어졌으며, 적응진화를 위한 계대 반복 실험은 약 40일 동안 진행되었다. 적응진화를 통해 SH8 균주는 지속적으로 성장속도가 향상되었고, 최종 SH8 균주는 혐기조건에서 모균주인 SH6 균주보다 높은 세포 성장 속도를 보여주었다. 최종적으로 얻어진 적응진화 SH8 균주를 SH8AE (KCTC 12764BP)로 명명하였다. SH8, a pfkA-deficient strain of Example 3, could hardly grow glucose as a carbon source under anaerobic conditions. We have attempted adaptive evolution method to convert this strain into a strain that can grow in anaerobic fermentation condition. For adaptive evolution, M9 culture medium containing 5 g / L glucose and 3 g / L yeast extract was used. The adaptive evolution of SH8 is a method to improve the rate of cell growth by repeated passage of cells in the exponential growth phase in anaerobic conditions (Fig. 2). Repeatedly subculturing is took place in the dilution 1/10 4 ~ 1/10 of 5 range according to changes in the growth rate, repeated passaging experiment for adaptive evolution was carried out for about 40 days. Through adaptive evolution, the growth rate of SH8 strain continuously increased, and the final SH8 strain showed higher cell growth rate than the parent strain SH6 strain in anaerobic condition. The finally obtained adaptive evolution SH8 strain was named SH8AE (KCTC 12764BP).

한편, 적응진화를 통해 얻어진 SH8AE 균주를 이용해 포도당으로부터 산물 생산을 조사하였다. SH8AE의 수소 생산은 SH6 균주에 비해 40% 이상 증가하였지만 여전히 상당량의 피루브산이이 분비되었고 에탄올 수율에는 거의 변화가 없었다(표2). 이는 여전히 에탄올 생산에 필요한 NAD(P)H의 공급이 충분하지 못함을 의미한다. EMP가 거의 차단된 조건에서 에탄올 생산이 증가하지 않고 여전히 피루브산이 다량 축적된다는 것은 의외의 결과 이었다. 여러 가지 가능성 중에서 NADH 공급 부족이 가장 높을 것으로 추정되었는데 그 이유는 EMP가 차단된 상태에서 PP 경로가 활성화 되는 대신 ED 경로가 활성화 될 수 있기 때문이다. ED 경로는 EMP에 비해 NADH 생산을 향상시켜 주지 못한다. NADH 공급 부족 유무를 확인하기 위해 소비톨을 탄소원으로 SH8AE의 발효를 조사하였다. 소비톨은 포도당보다 환원된 형태의 탄소원이며 해당과정을 통해 피루브산 생산과정 동안 1 mol의 NADH를 추가로 생산하다. 소비톨 사용 시 세포성장 속도 및 탄소원 소모 속도는 포도당에 비해 낮았지만 에탄올과 수소 생산 수율이 각각 1.49, 1.25 mol/mol로 크게 증가하였다. 뿐만 아니라 피루브산 분비량도 0.74 mol/mol에서 0.24 mol/mol로 크게 감소하였다. 이러한 결과는 EMP 경로 차단 시 포도당이 PP 경로보다는 ED 경로를 통해 대사되고 따라서 EMP 경로의 차단에도 불구하고 NADH 의 공급은 증대되진 않았을 가능성을 보여준다. 한편 SH8AE 대사산물 분석으로 이루어진 인실리코(in silico) MFA (Metabolic Flux Analysis) 결과도 이러한 사실을 뒷받침 했다. SH8AE 균주는 pfkA 결실로 EMP 경로로의 탄소흐름의 70 % 이상 감소하였지만 이들 탄소들은 PP가 아닌 ED 경로로 흘러가는 것으로 확인되었다.
On the other hand, production of products from glucose was investigated using SH8AE strain obtained through adaptive evolution. Hydrogen production of SH8AE was increased by more than 40% compared to that of SH6, but a considerable amount of pyruvic acid was secreted and there was little change in ethanol yield (Table 2). This means that the supply of NAD (P) H required for ethanol production is still insufficient. It was surprising that the production of ethanol was not increased under the condition where EMP was almost shut off, and pyruvic acid still accumulated in a large amount. Among the various possibilities, it was estimated that the shortage of NADH supply was the highest because the ED path could be activated instead of activating PP pathway with EMP blocked. The ED pathway does not improve NADH production compared to EMP. To confirm the lack of NADH supply, SH8AE fermentation was investigated with sorbitol as a carbon source. Sorbitol is a carbon source that is reduced form of glucose and produces 1 mol of NADH during the pyruvic acid production process. The cell growth rate and the carbon source consumption rate were lower than that of glucose in the case of using sorbitol, but the yields of ethanol and hydrogen production were greatly increased to 1.49 and 1.25 mol / mol, respectively. In addition, the amount of pyruvic acid was significantly reduced from 0.74 mol / mol to 0.24 mol / mol. These results suggest that glucose is metabolized via the ED pathway rather than the PP pathway and that the supply of NADH is not increased despite the blockage of the EMP pathway. The in silico MFA (Metabolic Flux Analysis) result of the SH8AE metabolite analysis also confirmed this fact. The SH8AE strain was reduced by more than 70% of the carbon flow to the EMP pathway by pfkA deletion, but these carbons were found to flow to the ED pathway rather than the PP pathway.

<< 실시예Example 5>  5> ZwfZwf 과발현을 통한  Over-expression pgipgi 결실 균주의 세포 성장 Cell growth of the deletion strain

실시예 3에서 pgi 유전자가 결실된 SH5p 균주의 경우 포도당-6-인산(glucose-6-phosphate)에서 6-인산글루코네이트(6-phosphogluconate)로의 탄소 흐름이 원활하지 못함을 확인하였다. 이 반응 단계에 참여하는 효소로는 Zwf, Pgl 두 효소가 있으며 이 중 Zwf는 PP 경로의 일반적인 율속 단계로 알려져 있다. 따라서 혐기 조건에서 pgi 결실 균주가 포도당대사를 가능하도록 하기 위해 PP 경로의 첫 번째 효소이자 포도당-6-인산(glucose-6-phosphate)의 6-인산글루코노락톤 (6-phosphogluconolactone)으로의 전환을 촉매하는 zwf 유전자를 과발현하였다 (SH5p_Z; KCTC 12762BP). Zwf 과발현은 발효 시작 시점부터 세포 성장과 동시에 이루어졌다. In Example 3, it was confirmed that the carbon flow from glucose-6-phosphate to 6-phosphogluconate was not smooth in the SH5p strain in which the pgi gene was deleted. The enzymes involved in this reaction step are Zwf and Pgl, and Zwf is known as a general rate-limiting step in the PP pathway. Therefore, in order to enable the metabolism of pgi-deficient strains in anaerobic conditions, the conversion of glucose-6-phosphate, the first enzyme in the PP pathway, to 6-phosphogluconolactone Overexpressing the zwf gene catalyzing (SH5p_Z; KCTC 12762BP). Zwf overexpression was achieved at the same time as cell growth from the beginning of fermentation.

Zwf 과발현 균주는 혐기조건에서도 포도당을 이용하여 성장할 수 있었다. 이는 Pgl 보다는 Zwf의 낮은 효소 활성이 pgi 결실 균주의 혐기 성장을 막는 요인임을 의미한다. Zwf overgrowth strains were able to grow using glucose even under anaerobic conditions. This suggests that the lower enzyme activity of Zwf than Pgl is a factor preventing the anaerobic growth of pgi-deficient strains.

하지만 EMP 경로의 결실로 인한 해당과정의 변형에도 불구하고 수소와 에탄올의 동시 생산성은 SH5 균주와 비교하여 높지 않았다 (표 4). 이는 실시예 4에서 기술한 pfkA 결실 변이주와 마찬가지로 pgi 결실 변이주도 대부분의 탄소를 PP 경로가 아닌 ED 경로로 대사하였기 때문으로 추정되었다. SH5p_Z 균주의 포도당 대사산물 분석을 바탕으로 이루어진 인실리코 MFA 결과도 이러한 사실을 뒷받침 한다 (도 5). 이는 해당과정의 중심 대사 경로인 EMP 경로가 막힐 경우 대장균은 혐기 조건에서 PP 경로보다는 ED 경로를 선호한다는 것을 의미한다. 또한 EMP를 막고 PP경로를 활성화시키는 것이 매우 어려운 작업임을 의미한다.However, the simultaneous productivity of hydrogen and ethanol was not as high as that of the SH5 strain, despite the modification of the process due to the deletion of the EMP pathway (Table 4). It was assumed that the pgi deletion mutant strain, like the pfkA deletion mutant described in Example 4, metabolized most of the carbon to the ED pathway rather than the PP pathway. In silico MFA results based on glucose metabolism analysis of SH5p_Z strain also support this fact (Fig. 5). This means that if the EMP pathway, which is the central metabolic pathway of the process, is blocked, E. coli prefer the ED pathway rather than the PP pathway in anaerobic conditions. It also means that it is very difficult to block the EMP and activate the PP path.

한편 SH5p 균주의 글루코네이트 발효의 경우 에탄올 생산 수율이 SH5p_Z보다 낮으며 아세트산 생산 수율은 높았다. 이는 Zwf 반응에 의해 생산된 NADPH가 에탄올 생산에 직접적인 영향을 준다는 것을 의미한다. 글루코네이트는 Zwf를 거치지 않고 PP 경로나 ED 경로를 통해 대사되며 Zwf 과정이 생략되므로 포도당에 비해 NAD(P)H를 하나 적게 생산하게 된다.
On the other hand, the yield of ethanol production was lower than that of SH5p_Z and the yield of acetic acid production was high in the case of SH5p strain gluconate fermentation. This means that NADPH produced by Zwf reaction has a direct effect on ethanol production. Gluconate is metabolized via PP pathway or ED pathway without going through Zwf and produces less NAD (P) H than glucose because Zwf process is omitted.

SH5p_Z, SH5, SH5p 균주의 동시 생산성 비교Simultaneous productivity comparison of SH5p_Z, SH5, and SH5p strains StrainsStrains Carbon sourceCarbon source Yield (mol/mol)Yield (mol / mol) H2 H 2 Ethanol Ethanol AcetateAcetate SH5SH5 GlucoseGlucose 1.671.67 0.86 0.86 0.85 0.85 SH5pSH5p GluconateGluconate 1.641.64 0.570.57 1.291.29 SH5p_ZSH5p_Z GlucoseGlucose 1.711.71 0.81 0.81 0.83 0.83

<< 실시예Example 6>  6> EDED 경로의  Path eddedd , , edaeda 유전자의 결실  Gene deletion

실시예 4, 5에서 관찰된 대사산물 생산 수율 및 MFA 분석에 의하면 pfkA, pgi 결실 균주가 혐기 조건에서 성장하기 위해 PP 경로가 아닌 ED 경로에 의존하였다. 따라서 탄소대사흐름을 ED 경로에서 PP 경로로 전환하기 위해 SH5p, SH8AE 각각의 균주에서 ED 경로의 두 유전자인 edd, eda를 결실하였다 (SH5ped, SH8AEed).According to the metabolite production yields and MFA analyzes observed in Examples 4 and 5, the pfkA, pgi deletion strain was dependent on the ED pathway rather than the PP pathway to grow in anaerobic conditions. Therefore, to convert the carbon metabolic flow from the ED pathway to the PP pathway, the two genes edd and eda in the ED pathway were deleted (SH5ped, SH8AEed) in the SH5p and SH8AE strains, respectively.

SH5p 균주에서 추가적으로 edd, eda 유전자를 결실시킨 경우 (SH5ped_Z), Zwf의 과발현에도 불구하고 글루코오즈 배지에서 세포성장이 관찰되지 않았다. 또 글루코네이트를 탄소원으로 사용한 경우에도 세포 성장이 없었다. 이 결과를 통해 혐기 조건에서 pgi 결실 균주가 ED 경로를 통해 포도당을 대사한다는 사실을 다시 한 번 확인하게 되었다. 뿐만 아니라 글루코네이트에서도 성장하지 않는 것으로 보아 PP 경로의 활성화를 위한 또 다른 작업이 필요함을 알 수 있었다. 즉, ED와 PP 경로가 나누어지는 6-인산글루코네이트 (6-phosphogluconate) node 이후의 비산화적 PP 경로의 어떤 효소가 율속 단계일 가능성을 제시한다. 이를 확인하기 위해 SH5ped 균주를 이용해 비산화적 PP 경로에 있는 효소 중 Gnd (6-phosphogluconate dehydrogense) 또는 TktA (transketolase)의 과발현을 시도하였다. 각각의 과발현 균주를 글루코네이트를 탄소원으로 하여 그 성장을 조사하였다. Gnd가 과발현된 균주(SH5ped_ZG)는 글루코네이트를 이용하여 혐기 조건에서 세포 성장이 가능하였다. 하지만 최종 얻어진 바이오매스는 상당히 낮았다. 반면, TktA 과발현은 SH5ped_ZT 균주의 세포 성장에 전혀 영향을 미치지 못했다. 이는 Zwf와 마찬가지로 Gnd의 과발현이 PP 경로의 활성화를 위해 중요함을 보여준다. In the SH5p strain, when the edd and eda genes were additionally deleted (SH5ped_Z), no cell growth was observed in the glucose medium despite overexpression of Zwf. Even when gluconate was used as a carbon source, there was no cell growth. These results confirm once again the fact that the pgi deletion strain metabolizes glucose through the ED pathway in anaerobic conditions. In addition, it did not grow in gluconate, suggesting that another task is needed to activate the PP pathway. This suggests that some enzymes in the non-oxidative PP pathway after the 6-phosphogluconate node where ED and PP pathways are separated may be rate-limiting steps. To confirm this, SH 5ped strain was used to overexpress Gnd (6-phosphogluconate dehydrogense) or TktA (transketolase) in the non-oxidative PP pathway. Growth of each over-expressing strain was examined using gluconate as a carbon source. Gnd overexpressed strain (SH5ped_ZG) was able to grow in anaerobic condition using gluconate. However, the final biomass obtained was considerably lower. On the other hand, TktA overexpression had no effect on cell growth of SH5ped_ZT strain. This suggests that overexpression of Gnd is important for PP pathway activation as Zwf.

하지만 SH5ped 균주에 Zwf, Gnd의 동시 과발현된 균주는 포도당을 이용하여 성장을 하지 못했다. 우선 동시 과발현 균주의 Zwf, Gnd 효소의 과발현을 확인하기 복합배지 또는 호기 조건에서의 배양된 뒤, SDS-PAGE 분석 및 세포 파쇄액을 이용해 활성을 측정하였다. SDS-PAGE 분석과 효소 활성 측정은 이들 단백질이 세포내 발현에는 문제가 없음을 확인하였다. 도 3은 이들 효소의 동시 과발현 결과를 SDS-PAGE 분석으로 보여주고 있다. However, the mutant overexpression of Zwf and Gnd in the SH5ped strain failed to grow using glucose. First, the overexpression of Zwf and Gnd enzymes in the overexpressed strain was confirmed. After culturing in complex medium or aerobic condition, activity was measured using SDS-PAGE analysis and cell lysate. SDS-PAGE analysis and enzyme activity measurement confirmed that these proteins had no problem in intracellular expression. FIG. 3 shows the result of simultaneous overexpression of these enzymes by SDS-PAGE analysis.

한편 SH8AE 균주에서도 eda, edd 유전자가 결실될 경우 (SH8AEed) 세포성장이 크게 저해되었다. 또한, Zwf, Gnd 과발현(SH8AEed_ZG)으로도 세포 성장 속도는 별로 향상되지 않았다. In the SH8AE strain, when the eda and edd genes were deleted (SH8AEed), cell growth was greatly inhibited. In addition, cell growth rate was not improved by Zwf, Gnd overexpression (SH8AEed_ZG).

이러한 결과들은 혐기 조건에서 PP 경로를 유일한 해당과정으로 사용하는 것을 대장균은 선호하지 않으며 PP 경로만 이용해서는 세포가 잘 자라지 않는다는 것을 보여준다. 그 이유로 첫 번째 생각할 수 있는 것은 NADPH 생산과 소모간의 불균형이다. 즉 PP 경로를 유일한 해당경로로 작동시킬 경우 Zwf나 Gnd와 같은 효소에 의해 생성되는 NADHP의 농도 증가가 전체적인 NADPH 생산과 소비 사이의 불균형을 초래하여 해당과정을 지속시킬 수 없는 상황을 만들 가능성이 있다. (NADPH는 NADH로 전환되어야 에탄올 생성에 쓰일 수 있다.) 이 가능성을 조사하기 위해 NADPH를 NADH로 전환시키는 효소인 Udh를 SH5ped_ZG 및 SH8AEed_ZG 균주에서 과발현시켰다. 그러나 이 경우도 세포 성장이 개선되지 못했다. 이론적 계산에 의하면 모든 포도당의 탄소가 PP 경로를 통해 분해될 경우 아세트산 생산 없이 에탄올만 생산하게 되어도 잉여의 NAD(P)H가 발생하게 된다. 만일 잉여의 NAD(P)H가 발생하면 산화-환원 불균형으로 탄소대사가 완전히 중단될 수 있을 것으로 추정되었다.These results suggest that E. coli does not prefer to use the PP pathway as the only process in anaerobic conditions and that the cells do not grow well using the PP pathway alone. For that reason, the first thing you can think of is the imbalance between NADPH production and consumption. In other words, when the PP pathway is operated with the corresponding pathway, it is likely that an increase in the concentration of NADHP produced by an enzyme such as Zwf or Gnd causes an imbalance between the overall NADPH production and consumption, . To investigate this possibility, Udh, an enzyme that converts NADPH into NADH, was overexpressed in SH5ped_ZG and SH8AEed_ZG strains. However, this case also did not improve cell growth. Theoretical calculations show that if all of the carbon in the glucose is degraded through the PP pathway, the excess NAD (P) H is produced even if only ethanol is produced without acetic acid production. If surplus NAD (P) H is present, it is assumed that the oxidation-reduction imbalance can completely stop carbon metabolism.

또 한가지 가능성은 과 생산된 NADPH가 세포 내 축적되어 효소 수준에서 PP 경로에 있는 중요 효소들의 활성을 저하시켜 PP 경로를 중단시키는 경우이다. 효소 수준의 NADPH 저해를 확인하기 위해 Zwf, Gnd 효소를 각각 과발현, 분리, 정제 하여 NADPH 농도에 따른 활성에 미치는 영향을 조사하였다. 사용된 배지 조건과 동일한 Mg2+이온(1.0 mM)이 포함된 혼합액에서 세포 활성을 조사한 결과 NADPH 농도가 증가할수록 활성도 감소하였으며, 150 uM의 NADPH 농도에서 최대 50%의 활성 저하가 관찰되었다. Another possibility is that the produced NADPH accumulates intracellularly and degrades the activity of key enzymes in the PP pathway at the enzymatic level, thereby stopping the PP pathway. In order to confirm NADPH inhibition at the enzyme level, the effect of overexpression, separation and purification of Zwf and Gnd enzymes on NADPH concentration was investigated. The activity of NADPH decreased with increasing NADPH concentration and decreased by 50% at 150 uM NADPH concentration in the mixed solution containing Mg 2+ ion (1.0 mM) same as that used in the medium.

이러한 결과를 토대로 혐기 해당과정에서 PP 경로만을 사용하는 것은, 산화환원 불균형과 효소 차원의 저해 등에 있어 모두 심각한 문제를 야기하는 것을 알 수 있었다. 결국 수소와 에탄올을 동시 생산하려면, 해당과정을 가능하면 PP 경로로 가져가되 ED나 EMP를 적절히 열어 주어 산화환원 불균형을 막고 또한 효소 차원의 저해를 막아주는 것이 필수적이라는 사실을 확인하였다.
Based on these results, it was found that using only the PP pathway in the anaerobic process causes serious problems both in the redox imbalance and the inhibition at the enzyme level. Finally, to produce hydrogen and ethanol at the same time, we confirmed that it is essential to bring the process into the PP pathway, if possible, and open the ED or EMP appropriately to prevent redox imbalance and prevent enzyme-level inhibition.

<< 실시예Example 7>  7> SH8AESH8AE 균주를 이용한  Strain PPPP 경로의 효소( Pathway enzymes ( ZwfZwf , , GndGnd ) 과발현Overexpression

아세트산 생산 효소가 비활성화되고, pfkA 유전자 결실로 EMP 경로를 통한 탄소원의 흐름이 감소된 SH8AE 균주를 사용하여 PP 경로의 활성화를 시도하였다. PP 경로의 활성화는 율속 단계 효소로 조사된 Zwf와 Gnd의 동시 과발현으로 이루어졌다 (SH8AE_ZG, KCTC 12765BP). 이 경우 edd, eda 가 제거되지 않고, 또한 Zwf, Gnd의 과발현으로 인해 세 가지 해당경로를 모두 이용할 것으로 예측되었다. 표 5는 Zwf 와 Gnd의 과발현이 동시 생산에 미치는 영향을 대사산물 생산으로 보여주고 있다. SH8AE의 경우 아세트산 생산 경로의 결실로 상당량의 pyruvate (0.74 mol/mol)이 생산되었지만 Zwf, Gnd 두 효소의 과발현으로 수소와 에탄올의 생산 수율이 각각 1.38, 1.17 mol/mol로 증가하였다. 이는 PP 경로의 활성화와 동시에 EMP 및 ED 경로가 적절히 작동한 결과로 추측된다. 동시 생산의 수율이 향상되었을 뿐 아니라 부산물인 피루브산의 분비가 약 50 % 감소하였다. 이러한 결과는 소비톨을 사용한 것보다 높은 효율은 아니다. 그러나 혐기조건에서 PP 경로의 활성화가 가능하며, 이것이 에탄올과 같이 환원된 형태의 연료나 케미컬 생산에 활용될 수 있다는 사실을 보여준다.Activation of the PP pathway was attempted using the SH8AE strain in which the acetic acid producing enzyme was inactivated and the pfkA gene deletion reduced the carbon source flow through the EMP pathway. The activation of the PP pathway was the simultaneous overexpression of Zwf and Gnd irradiated with the rate-limiting enzyme (SH8AE_ZG, KCTC 12765BP). In this case, edd and eda were not eliminated, and it was predicted that all three routes would be used due to overexpression of Zwf and Gnd. Table 5 shows the effect of overexpression of Zwf and Gnd on co-production by metabolite production. In the case of SH8AE, pyruvate (0.74 mol / mol) was produced due to the deletion of acetic acid production pathway. However, production yields of hydrogen and ethanol increased to 1.38 and 1.17 mol / mol respectively due to the overexpression of Zwf and Gnd. This is presumed to be the result of proper activation of the EMP and ED pathways at the same time as PP pathway activation. Not only the yield of simultaneous production was improved, but the secretion of by-product pyruvic acid was reduced by about 50%. These results are not as efficient as those using sorbitol. However, it is possible to activate the PP pathway in anaerobic conditions, which shows that it can be used to produce reduced forms of fuel or chemical such as ethanol.

Zwf, Gnd의 과발현이 SH8AE의 동시 생산에 미치는 영향 Effect of overexpression of Zwf and Gnd on the simultaneous production of SH8AE Yield (mol/mol glucose)Yield (mol / mol glucose) H2 H 2 EthanolEthanol PyruvatePyruvate SH8AESH8AE 1.031.03 1.041.04 0.740.74 SH8AE_ZGSH8AE_ZG 1.381.38 1.171.17 0.390.39

표 6은 SH8AE_ZG 균주의 유전자 발현을 SH8AE 균주와 비교하여 보여주는 정량 PCR 결과이다. mRNA 정량을 위해 RNA 중합효소 내 시그마 인자 70을 코딩하는 하우스키핑(house-keeping) 유전자 rpoD를 비교기준(reference)로 사용하였다. 결실된 pfkA 유전자의 전사량은 관찰되지 않았으며 대신 minor isozyme인 pfkB의 발현이 확인되었다. Zwf, Gnd유전자의 과발현으로 EMP 경로의 첫 번째 효소를 암호화하는 pgi 유전자의 발현량이 80% 이상 감소하였다. 하지만 gapA 유전자의 발현량은 큰 차이가 없었다. 그리고 ED 경로의 첫 번째 유전자인 edd, 혐기조건에서 피루브산을 분해하는 효소 유전자인 pflB 또한 증가하였다. 하지만 NADPH와 NAD+를 각각 NADP+, NADH로 전환한다고 알려진 soluble transhydrogenase 유전자인 udhA의 발현량은 증가하지 않았다. 흥미롭게도 에탄올 생산에 관여하는 adhE 유전자의 발현은 1.8 배 증가하였다. Table 6 shows the results of quantitative PCR comparing SH8AE_ZG gene expression with SH8AE strain. For the mRNA quantification, a house-keeping gene rpoD encoding sigma factor 70 in the RNA polymerase was used as a reference. The transcription level of the deleted pfkA gene was not observed, but the expression of pfkB, minor isozyme, was observed. Overexpression of the Zwf and Gnd genes reduced the expression level of the pgi gene encoding the first enzyme of the EMP pathway by 80% or more. However, there was no significant difference in the expression of gapA gene. Also, edd, the first gene in the ED pathway, and pflB, the enzyme gene that degrades pyruvic acid in anaerobic conditions, also increased. However, the expression level of udhA, a soluble transhydrogenase gene known to convert NADPH and NAD + into NADP + and NADH, respectively, did not increase. Interestingly, the expression of the adhE gene involved in ethanol production increased 1.8-fold.

SH8AE 균주의 Zwf, Gnd 과발현에 따른 유전자 발현 비교Comparison of gene expression according to Zwf, Gnd overexpression of SH8AE strain GeneGene SH8AESH8AE SH8AEZGSH8AEZG pgipgi 13.713.7 2.52.5 pfkApfkA 0.00.0 0.00.0 pfkBpfkB 125.9125.9 55.155.1 gapAgapA 68.968.9 61.261.2 eddedd 0.30.3 0.70.7 zwfzwf 1.01.0 5316.65316.6 gndgnd 8.18.1 4689.64689.6 tktAtktA 8.78.7 6.16.1 pflBpflB 73.673.6 116.1116.1 fhlAfhlA 0.30.3 0.20.2 udhAudhA 0.40.4 0.10.1 adhEadhE 9.19.1 16.716.7

<< 실시예Example 8>  8> SH5pSH5p 균주를 이용한  Strain PPPP 경로의 효소( Pathway enzymes ( ZwfZwf , , GndGnd ) 과발현Overexpression

SH8AE과 마찬가지로 ED 경로가 남아있는 (그러나 EMP는 완전히 block 된) SH5p 균주를 이용하여 PP 경로의 활성화를 시도하였다. PP 경로의 활성화는 SH8AE와 동일하게 율속 단계 효소로 조사된 Zwf와 Gnd의 동시 과발현으로 이루어졌다 (SH5p_ZG; KCTC 12763BP). 포도당을 탄소원으로 사용하고 혐기 조건에서 이들 Zwf, Gnd 효소를 발효 개시와 함께 과발현시켰다. 표 7은 SH5p_Z 균주와 SH5p_ZG 균주의 혐기 발효 결과를 비교한다. 대부분의 탄소원을 ED 경로에 의존할 것으로 예상되는 SH5p_Z의 경우 에탄올과 아세트산의 생산량이 거의 비슷하였다. 하지만 Gnd의 추가 발현된 SH5p_ZG 균주의 경우 에탄올 생산 농도를 증가시키고 대신 아세트산 생산을 감소시켰다. 또한 수소 생산 수율도 현저히 증가되고 대신 피루브산 생성이 현저히 저하되었다. SH8AE_ZG에서 관찰된 바와 같이 PP경로의 활성화를 통해 NAD(P)H와 같은 보조인자의 공급이 증가되었음을 확인하는 결과이다. 또 아세트산 생산 경로를 완전히 닫는 대신 에탄올 생산을 위한 보조인자의 공급을 증가시킴으로써 탄소흐름을 아세트산에서 에탄올로 전환시킬 수 있음을 보여준다. Similar to SH8AE, the activation of the PP pathway was attempted using a SH5p strain with an ED pathway remaining (but with EMP completely blocked). Activation of the PP pathway consisted of simultaneous overexpression of Zwf and Gnd irradiated with rate-limiting enzymes (SH5p_ZG; KCTC 12763BP) in the same manner as SH8AE. Glucose was used as a carbon source and these Zwf and Gnd enzymes were overexpressed with fermentation initiation under anaerobic conditions. Table 7 compares anaerobic fermentation results of SH5p_Z strain and SH5p_ZG strain. The production of ethanol and acetic acid was almost similar for SH5p_Z, which is expected to depend on the ED pathway for most carbon sources. However, the SH5p_ZG strain with additional expression of Gnd increased ethanol production and decreased acetic acid production. Also, the yield of hydrogen production was remarkably increased, and the production of pyruvic acid was remarkably lowered. As seen in SH8AE_ZG, activation of the PP pathway confirms the increased supply of cofactors such as NAD (P) H. It also shows that instead of completely closing the acetic acid production pathway, the carbon stream can be converted from acetic acid to ethanol by increasing the supply of cofactors for ethanol production.

이론적인 수율 계산에 의하면 PP 경로만을 이용할 경우 얻어질 수 있는 수소와 에탄올의 양이 포도당 한 분자당 각각 1.67 분자인데 세포 성장 및 maintenance energy 생산 등에 상당량의 탄소 및 에너지가 소모되는 것을 감안할 때 이론적 수율의 80-90%가 현실적으로 달성 가능한 값으로 예측된다. 반면 일부 탄소원이 ED 경로를 통해 대사됨으로써 PP 경로에서 CO2 형태로 손실되는 (Gnd 반응을 통해) 탄소양을 줄여 에탄올과 아세트산 또는 수소 생산을 위한 탄소수율이 증가될 수 있으며 최소한의 양으로 배양 배지에 포함된 효모추출액의 양(1g/L)을 감안할 때, SH5p_ZG 균주의 경우 우리가 의도한 수소와 에탄올의 동시 생산을 거의 달성하게 하는 것으로 판단되었다. 표 7의 결과는 이러한 목표가 거의 달성되었음을 보여주는 결과이다.
Theoretical yield calculations show that the amount of hydrogen and ethanol that can be obtained using only the PP pathway is 1.67 molecules per glucose molecule, which is considerably larger than the theoretical yield 80-90% is predicted as realistic achievable value. On the other hand, the carbon yield for ethanol and acetic acid or hydrogen production can be increased by reducing the amount of carbon lost (in the Gnd reaction) to CO 2 in the PP pathway by metabolizing some carbon sources via the ED pathway, (1 g / L) of yeast extract in the case of SH5p_ZG, we concluded that we could achieve the simultaneous production of hydrogen and ethanol which we intended. The results in Table 7 show that these goals are almost achieved.

Zwf 또는 Zwf 및 Gnd가 과발현된 SH5p를 이용한 수소 및 에탄올의 동시 생산Simultaneous production of hydrogen and ethanol using Zwf or Zwf and Gnd over-expressed SH5p Yield (mol/mol glucose)Yield (mol / mol glucose) H2 H 2 EthanolEthanol AcetateAcetate PyruvatePyruvate SH5p_ZSH5p_Z 1.711.71 0.810.81 0.830.83 -- SH5p_ZGSH5p_ZG 1.741.74 1.391.39 0.290.29 --

도 4는 SH5p_Z 균주와 SH5p_ZG 균주에서 아세테이트와 에탄올 생산양을 비교하여 보여준다. Gnd 발현을 통해 에탄올 생산이 높아지고 IPTG 농도를 증가하여 그 발현량을 높일 경우 그 차이는 더욱 확연하게 증가하는 것으로 나타났다. Figure 4 shows the amount of acetate and ethanol production in SH5p_Z and SH5p_ZG strains compared. Gnd expression increased ethanol production and increased IPTG concentration and increased the expression level.

정량 PCR을 통한 유전자의 발현량도 비교되었다 (표 8). 결실된 pgi 유전자의 전사량은 전혀 관찰되지 않았고, Zwf 및 Gnd 과발현으로 인한 PP 경로가 활성화 될 때 pfkA 발현량은 증가하는 경향을 보였다. 이는 탄소 흐름이 ED 경로에서 PP 경로로 증가됨에 따라 EMP 중간 경로로의 탄소 흐름이 증가하였기 때문으로 보인다 (도 1). gapA의 발현량도 증가하였는데 이는 pfkA의 발현 증가와 비슷한 원인으로 판단된다. 반면, ED 경로의 edd 유전자의 발현량은 조금씩 감소하는 경향을 보였다. SH8AE와 마찬가지로 udhA 발현에는 큰 변화가 없었으며 에탄올 생산 효소인 adhE 유전자의 발현은 많게는 3배 이상 증가하였다. The amount of gene expression by quantitative PCR was also compared (Table 8). The amount of pgkA gene expression was not observed at all and the amount of pfkA expression was increased when PP pathway due to Zwf and Gnd overexpression was activated. This seems to be due to an increase in carbon flow to the EMP intermediate path as the carbon flow increases from the ED path to the PP path (Fig. 1). The expression of gapA was also increased, which is considered to be similar to the increased expression of pfkA. On the other hand, the expression level of edd gene in ED pathway tended to decrease slightly. As with SH8AE, there was no significant change in udhA expression and expression of the adhE gene, an ethanol-producing enzyme, increased more than three-fold.

이러한 결과를 뒷받침하기 위해 발효산물 분석을 통한 세포내 Metabolic Flux analysis (MFA)가 이루어졌다 (도 5). Zwf만 과발현 한 경우, 대부분의 탄소가 ED 경로를 통해 대사되는 것을 알 수 있다. 하지만 Gnd이 추가 발현된 경우 6-인산글루코네이트 (6-phosphogluconate) 가지(branch)에서 탄소 흐름의 약 절반을 PP 경로로 가져가는 것으로 예측되었다. 또한 acetate 경로를 적절히 열어줌으로써 에탄올 생산을 증가시키면서도 피루브산 생산을 억제할 수 있었다. 즉, pyruvate node 에서의 탄소 흐름도 적절히 조절할 수 있는 것으로 나타났다.
To support these results, intracellular Metabolic Flux analysis (MFA) was performed through fermentation product analysis (Fig. 5). When Zwf alone is over expressed, most of the carbon is metabolized through the ED pathway. However, when Gnd was additionally expressed, it was predicted to take approximately half of the carbon flow from the 6-phosphogluconate branch into the PP pathway. In addition, by opening the acetate pathway properly, it was possible to inhibit pyruvic acid production while increasing ethanol production. That is, the carbon flow in the pyruvate node can be controlled appropriately.

SH5p_Z, SH5p_ZG 균주의 유전자 발현 비교Comparison of gene expression of SH5p_Z and SH5p_ZG strains GeneGene SH5pSH5p _Z_Z SH5pSH5p __ ZGZG
(0.1 (0.1 mMmM IPTGIPTG ))
SH5pSH5p __ ZGZG
(0.2 (0.2 mMmM IPTGIPTG ))
pgipgi 0.00.0 0.00.0 0.00.0 pfkApfkA 2.22.2 3.63.6 5.55.5 pfkBpfkB 2.62.6 1.31.3 1.21.2 gapAgapA 34.134.1 43.743.7 80.980.9 eddedd 1.41.4 1.11.1 0.90.9 zwfzwf 2090.92090.9 2656.52656.5 8001.88001.8 gndgnd 6.06.0 2090.72090.7 6041.76041.7 tktAtktA 12.212.2 5.75.7 7.37.3 pflBpflB 43.043.0 21.721.7 37.037.0 fhlAfhlA 0.40.4 0.50.5 0.40.4 udhAudhA 0.40.4 0.50.5 0.30.3 adhEadhE 4.54.5 7.27.2 13.813.8

한국생명공학연구원Korea Biotechnology Research Institute KCTC12762BPKCTC12762BP 2015021620150216 한국생명공학연구원Korea Biotechnology Research Institute KCTC12763BPKCTC12763BP 2015021620150216 한국생명공학연구원Korea Biotechnology Research Institute KCTC12764BPKCTC12764BP 2015021620150216 한국생명공학연구원Korea Biotechnology Research Institute KCTC12765BPKCTC12765BP 2015021620150216

Claims (10)

혐기 배양 조건에서 수소 및 에탄올을 동시에 생산하는 Escherichia coli SH5p_Z 재조합 균주(KCTC 12762BP). Escherichia which simultaneously produces hydrogen and ethanol under anaerobic culture conditions E. coli SH5p_Z recombinant strain (KCTC 12762BP). 제1항에 있어서, 상기 재조합 균주는 hycA, hyaAB, hybBC, ldhA, frdABpgi 유전자가 결실된 Escherichia coli BW25113 균주(Escherichia coli hycA △hyaAB△ hybBC ldhA frdAB pgi; Escherichia coli SH5p)에 포도당-6-인산탈수소효소 (glucose-6-phosphate dehydrogenase; Zwf)를 형질도입하여 과발현시킨 것을 특징으로 하는 Escherichia coli SH5p_Z 재조합 균주(KCTC 12762BP). According to claim 1, wherein said recombinant strain is hycA, hyaAB, hybBC, ldhA, frdAB pgi gene and a deletion Escherichia E. coli BW25113 strain ( Escherichia coli ? hycA ? hyaAB? hybBC ? ldhA ? frdAB ? pgi ; Escherichia coli SH5p) to glucose-6-phosphate dehydrogenase (glucose-6-phosphate dehydrogenase; Escherichia , characterized in that over-expression was introduced to transform the Zwf) E. coli SH5p_Z recombinant strain (KCTC 12762BP). 제1항의 재조합 균주에 6-인산글루코네이트 탈수소효소 (6-phosphogluconate dehydrogenase; Gnd)를 형질도입하여 과발현시킨, 혐기 배양 조건에서 수소 및 에탄올을 동시에 생산하는 Escherichia coli SH5p_ZG 재조합 균주(KCTC 12763BP).A method of producing Escherichia coli, which produces hydrogen and ethanol simultaneously under anaerobic culture conditions by transfecting the recombinant strain of claim 1 with 6-phosphogluconate dehydrogenase (Gnd) E. coli SH5p_ZG recombinant strain (KCTC 12763BP). 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 재조합 균주를 탄소원이 포함된 배지에서 배양하는 단계; 및
상기 배양한 배양액으로부터 수소 및 에탄올을 동시에 수득하는 단계를 포함하는 수소 및 에탄올의 동시 생산방법.
Culturing the recombinant strain of any one of claims 1 to 3 in a medium containing a carbon source; And
And simultaneously obtaining hydrogen and ethanol from the cultured medium.
제8항에 있어서, 상기 배양하는 단계는 혐기 조건에서 수행되는 것을 특징으로 하는 수소 및 에탄올의 동시 생산방법.9. The method according to claim 8, wherein said culturing is carried out under anaerobic conditions. 제8항에 있어서, 상기 탄소원은 포도당인 것을 특징으로 하는 수소 및 에탄올의 동시 생산방법.
9. The method according to claim 8, wherein the carbon source is glucose.
KR1020150025029A 2014-02-18 2015-02-23 Highly efficient Recombinant Escherichia coli strains for co-production of hydrogen and ethanol and highly efficient method for co-production of hydrogen and ethanol from glucose KR101734957B1 (en)

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