KR20170133806A - Method of producing higher alcohol using pyridoxal phosphate based in E. coli - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a production method of a higher alcohol using pyridoxal phosphate (PLP) based in E. Coli, which comprises a step of inoculating a culture medium containing PLP and copper (Cu) ions with a recombinant E. Coli coexpressing ketoisovalerate decarboxylase (KivD) and alcohol dehydrogenase (ADH) prior to culturing. The PLP of the present invention, by forming a complex with Cu, can catalyze oxidative deamination that converts amino acids into 2-keto acid, wherein 2-keto acid can be converted into a higher alcohol by ADH. Accordingly, by converting an amino acid substrate in the culture medium into 2-keto acid by culturing the recombinant E. Coli coexpressing KivD and ADH in the culture medium containing PLP-Cu complex, and through whole-cell bioconversions capable of continuously producing a higher alcohol, effective production of a higher alcohol can be achieved.

Description

피리독살인산을 이용하는 대장균 기반의 고급 알코올 생산 방법{Method of producing higher alcohol using pyridoxal phosphate based in E. coli} FIELD OF THE INVENTION [0001] The present invention relates to a method for producing a high-alcohol based on E. coli using pyridoxal phosphate,

본 발명은 피리독살인산(pyridoxal phosphate, PLP) 및 구리 이온(Cu)을 첨가한 배지에 케토리소발레르산 디카르복실라제(ketoisovalerate decarboxylase, KivD) 및 알코올 탈수소효소(alcohol dehydrogenase, ADH)를 공동발현하는 재조합 대장균을 접종하여 배양하는 단계를 포함하는, PLP를 이용한 대장균 기반의 고급 알코올 생산 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a culture medium containing pyridoxal phosphate (PLP) and copper ion (Cu) in a medium containing ketoisovalerate decarboxylase (KivD) and alcohol dehydrogenase (ADH) And a step of inoculating and culturing the recombinant Escherichia coli expressing Escherichia coli.

자연계에서, 단백질 분자는 주어진 환경에서 진화되어, 긴 시간에 걸쳐 최적의 기능을 할 수 있도록 적응해왔다. 이러한 진화 역사의 관점에서, 단백질은 금속 이온 또는 비타민 유도체와 같은 유기물의 조효소(cofactor)를 필요로 하기 시작했다. 이에 따라, 몇몇의 단백질-보조인자 복합체들이 다양한 대사 과정에서 주요한 역할을 수행하는 유기체의 형태가 잘 알려져 있다. 생체 내 대사 과정은 수많은 단계의 화학 반응으로 이루어진다. In nature, protein molecules have evolved in a given environment and have adapted to function optimally over time. In view of this evolutionary history, proteins have begun to require cofactors of organic matter such as metal ions or vitamin derivatives. Thus, the type of organism in which several protein-cofactor complexes play a major role in various metabolic processes is well known. In vivo metabolic processes consist of numerous chemical reactions.

이러한 반응의 대부분은 유기물-무기물 조효소에 의해 촉매될 수 있으며, 이러한 조효소 중에 비타민 B6의 활성 형태인 PLP 조효소가 좋은 예로서 보고되었다. PLP는 다양한 효소에서 인공적 분자로서 제공되며, 이러한 효소는 일반적으로 치환(아미노기 전이효소, transaminase) 및 탈리 반응(탈아민효소, deaminase) 모두를 촉매할 수 있다. 그러나, 효소에 의한 아미노기 전이반응은 아민 수용체를 포함하며, 상기 아민 수용체는 대개 세포 내 중심 탄소-질소 대사과정과 연관되는 중요 분자인 경우가 많다. 이러한 이종적인 아미노기 전환 과정은 세포 내에서 질소 대사의 불균형을 야기할 수 있음이 보고되었다[9]. 이 뿐아니라, 아민 공여/수용에 대한 이러한 상관 관계가 기능적으로 연관되어, 반응 시스템 역시 효과적인 탈아민화 반응을 이끌어내기 위하여 또다른 아민 수용체 기질을 요구한다.Most of these reactions can be catalysed by organic-inorganic coenzymes, and among these coenzymes, PLP coenzyme, an active form of vitamin B6, has been reported as a good example. PLP is provided as an artificial molecule in a variety of enzymes, which can catalyze both substitution (amino-transferase, transaminase) and desorption (deamination enzyme, deaminase). However, the enzymatic transamination of amino acids involves amine receptors, which are often the critical molecules associated with intracellular central carbon-nitrogen metabolism. This heterologous conversion of amino groups has been reported to cause imbalance of nitrogen metabolism in cells [9]. In addition, since this correlation to amine donation / acceptance is functionally related, the reaction system also requires another amine acceptor substrate to elicit an effective peramination reaction.

따라서, 아미노기 전이효소에 의한 반응과 연관되어 나타나는 이러한 단점을 회피하기 위해서, 아민 공여체를 필요로 하는 효소에 의존하지 않고, 아민 공여체를 요구하지 않는 효소 또는 화합물에 의해 아미노산의 탈아민화 반응을 유도하는 것이 효율적임이 제기되고 있다.Thus, in order to avoid this disadvantage associated with the reaction by the amino-transferase, it is not necessary to rely on an enzyme requiring an amine donor and to induce the depolymerization of the amino acid by an enzyme or a compound that does not require an amine donor It is said that it is efficient.

이전에 보고된 연구에 따르면, PLP 조효소는 그 스스로도 촉매활성을 가질 수 있으며, 메탈 이온의 존재 여부와 관계없이 아미노산을 탈아민화하여 케토산으로 전환할 수 있다. 또한 이산소(dioxygen)가 존재하는 환경에서 산화적 탈아민화를 통해 아미노산을 케토산으로 전환할 수 있음에 대하여도 보고된 바 있다[13].Previously reported studies have shown that PLP coenzyme itself can have catalytic activity and can convert amino acids to keto acids, regardless of the presence or absence of metal ions. It has also been reported that amino acid can be converted to keto acid through oxidative deamination in the presence of dioxygen [13].

이 외에도 다양한 아미노산이 측쇄 구조에 따라 해당하는 2-케토산 및 암모니아로 전환될 수 있어, 비타민 B6 조효소인 PLP 또는 5`디옥시피리독살(5`deoxypyridoxal)이 Cu2+와 함께 작용하여, (psulfophenyl)glycine을 산화적 탈아민화하여 (p-sulfophenyl)glyoxylic acid로 전환할 수 있음이 보고된 바 있다[22].In addition, various amino acids can be converted to the corresponding 2-keto acids and ammonia according to the side chain structure, and PLP or 5'deoxypyridoxal, a vitamin B6 co-enzyme, acts with Cu2 + It has been reported that glycine can be converted to (p-sulfophenyl) glyoxylic acid by oxidative deamination [22].

한편, 부탄올은 유기 합성에서 반응 중간체로 사용되거나, 직물 산업에서 용매 또는 식품 산업에서 추출용매 등 다양한 산업 분야에서 폭넓게 사용되고 있는 중요 화합물이며, 최근 이소부탄올과 같은 부탄올은 석유와 같은 화석연료를 대체할 수 있는 대체 연료로서도 집중되고 있다. 부탄올 연료는 에탄올과는 다르게 부식되지 않고, 가솔린의 에너지 밀도와 유사한 수준의 에너지 밀도를 가지고 있어, 차량 연료에서 화석 유래의 석유를 대체할 수 있는 대체 연료의 장점을 가지고 있다. 부탄올 외에도, 이소부탄올(isobutanol), 2-메틸부탄올(2-methylbutanol) 및 3-메틸부탄올(3-methylbutanol)과 같은 형태 역시 관심을 받고 있다.Meanwhile, butanol is an important compound widely used in various industrial fields such as a solvent used in the textile industry or an extraction solvent in the food industry, and recently, butanol such as isobutanol has been used as a substitute for fossil fuels such as petroleum It is also concentrated as an alternative fuel. Butanol fuels, unlike ethanol, do not corrode and have energy densities similar to those of gasoline, which has the advantage of alternative fuels that can replace fossil-derived petroleum in vehicle fuels. In addition to butanol, forms such as isobutanol, 2-methylbutanol and 3-methylbutanol are also of interest.

부탄올을 산업적으로 생산하기 위해 가장 일반적으로 사용되는 방법은, 프로펜(propene)을 히드로포르밀화(hydroformylation)하여 부티르알데히드(butyraldehyde)를 생산하고, 이를 환원하여 1-부탄올 및 2-부탄올을 생산하는 공정이다. 그러나, 이러한 공정은 비재생산적인 자원에 의존적이며 온실가스를 방출하여 다시 환경을 오염시킬 수 있다는 단점이 있다. 이에 따라, 바이오매스와 같은 재생가능한 재료로부터 생물학적인 공정을 통해 부탄올을 생산하고자 하는 방법에 대한 요구가 계속되고 있다. 이와 관련하여, 대한민국 등록특허 제 1535578 호에서는 대장균 균주 내 발효산물 생산을 극대화하기 위한 산화환원 상태의 재균형 방법 및 상기 방법을 이용하여 개발된 고 생산성 발효산물 생산용 대장균 균주에 관하여 개시하고 있고, 대한민국 등록특허 제 1473532 호에서는 아세틸 코에이를 아세테이트로 전환하는 경로가 억제되고, 아세틸 코에이를 부티릴코에이로 전환하는 경로가 촉진된, 부탄올 생성능이 증강된 재조합 미생물에 대하여 개시하고 있으며, 미국 공개특허 제 2015-0225750 호에서는 재조합 대장균에서 탄소원 기질을 아미노산으로 전환하고, 이를 다시 고급 알코올로 전환하는 단계로 구성된 고급 알코올 생산 방법에 대하여 개시하고 있다.The most commonly used method for industrially producing butanol is hydroformylation of propene to produce butyraldehyde and reduction thereof to produce 1-butanol and 2-butanol . However, this process is disadvantageous in that it relies on non-reproducible resources and can release greenhouse gases to pollute the environment again. Accordingly, there is a continuing need for a method for producing butanol from a renewable material such as biomass through a biological process. In this regard, Korean Patent Registration No. 1535578 discloses a method of re-balancing a redox state to maximize the production of fermentation products in E. coli strains and an E. coli strain for producing a highly productive fermentation product developed using the method, Korean Patent No. 1473532 discloses a recombinant microorganism having enhanced butanol productivity by promoting a pathway for inhibiting the pathway for converting acetylcopheryl acetate to acetylcocoate into butyrylcholine, Patent No. 2015-0225750 discloses a method for producing a high-quality alcohol comprising the steps of converting a carbon source substrate into an amino acid in a recombinant E. coli and then converting it to a higher alcohol.

그러나 이러한 방법 역시 세포 내 대사 과정의 재조합을 통한 관련 효소 발현의 조절에 의존적이나, 탄소원 기질 또는 아미노산 기질의 산화 과정에서 아민 수용체와 연관되어 세포 내 주요 대사 과정의 불균형을 야기할 수 있기 때문에, 생산 수율이 증가하지 않는다는 단점이 있다.However, this method also depends on the regulation of the expression of related enzymes through recombination of intracellular metabolism, but since it may cause an imbalance of major metabolic processes in the cell in association with amine receptors in the oxidation of carbon substrate or amino acid substrate, The yield is not increased.

이에, 본 발명자들은 생물학적인 방법을 이용하여 효율적으로 고급 알코올을 생산하는 공정을 개발하기 위해 노력한 결과, 세포 외에서 PLP-Cu 복합체가 촉매로 작용하여 아미노산을 2-케토산으로 탈아민화 전환한 다음, 대장균 내에서 공동-발현된 케토리소발레르산 디카르복실라제(ketoisovalerate decarboxylase, KivD) 및 알코올 탈수소효소(alcohol dehydrogenase, ADH)이 2-케토산을 디카르복실 및 알데하이드 환원하여 고급 알코올로 전환할 수 있음을 확인함으로써, 본 발명을 완성하였다.Accordingly, the present inventors have made efforts to develop a process for efficiently producing a high-alcohol using a biological method. As a result, the present inventors have found that the PLP-Cu complex acts as a catalyst to convert amino acids to 2-keto acids, Ketoisovalerate decarboxylase (KivD) and alcohol dehydrogenase (ADH) co-expressed in E. coli convert dicarboxylic and aldehyde to higher alcohol The present invention has been completed.

이에, 본 발명자들은 대장균 기반의 고급 알코올 생산 방법에 있어서, PLP-Cu 복합체로 배지 내 아미노산을 2-케토산으로 전환하고, 케토리소발레르산 디카르복실라제(ketoisovalerate decarboxylase, KivD) 및 알코올 탈수소효소(alcohol dehydrogenase, ADH)를 공동-발현하는 대장균에서 전세포(whole cell) 생체 전환 반응을 통해 2-케토산을 고급 알코올로 전환할 수 있음을 확인하여 본 발명을 완성하였다.Thus, the present inventors have found that, in a method of producing high-yield alcohols based on Escherichia coli, the amino acid in the medium is converted into 2-keto acid with a PLP-Cu complex, and ketoisovalerate decarboxylase (KivD) and alcohol dehydrogenase It has been confirmed that 2-keto acid can be converted into a higher alcohol through a whole cell bioconversion reaction in E. coli co-expressing an alcohol dehydrogenase (ADH), thereby completing the present invention.

따라서, 본 발명의 목적은, PLP를 이용한 대장균 기반의 고급 알코올(higer alcohol) 생산 방법을 제공하는 것이다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a method for producing higer alcohol based on E. coli using PLP.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 In order to achieve the above object,

i) 배지에 피리독살인산(pyridoxal phosphate, PLP) 및 구리 이온(Cu)을 첨가하여 2-케토산(2-keto acid)를 생산하도록 탈아민화 반응을 유도하는 단계;i) inducing a deamination reaction to produce pyridoxal phosphate (PLP) and copper ion (Cu) to the medium to produce 2-keto acid;

ii) 상기 단계 i)에서 반응을 유도한 배지에 케토리소발레르산 디카르복실라제(ketoisovalerate decarboxylase, KivD)를 과발현하는 재조합 대장균을 접종하는 단계; 및ii) inoculating recombinant E. coli overexpressing ketoisovalerate decarboxylase (KivD) in the medium from which the reaction was induced in step i); And

iii) 상기 단계 ii)에서 접종한 대장균이 상기 단계 i)에서 생산된 2-케토산을 디카르복실 및 알데하이드 환원하도록 배양하는 단계;를 포함하는, PLP를 이용한 대장균 기반의 고급 알코올(higer alcohol) 생산 방법을 제공한다.iii) culturing Escherichia coli inoculated in step ii) so that the 2-keto acid produced in step i) is reduced to be dicarboxylated and aldehyde-reduced, Provide a production method.

또한, 본 발명은 PLP 및 Cu를 첨가한 배지에 KivD 및 ADH를 공동발현하는 재조합 대장균을 접종하여 배양하는 단계를 포함하는, PLP를 이용한 대장균 기반의 고급 알코올 생산 방법을 제공한다.The present invention also provides a method for producing Escherichia coli-based advanced alcohols using PLP, comprising inoculating and culturing the recombinant Escherichia coli co-expressing KivD and ADH in culture medium supplemented with PLP and Cu.

본 발명의 바람직한 일실시예에서, 상기 배지는 발린(Val), 류신(Leu), 이소류신(Ile), 페닐알라닌(Phe) 및 노발린(norvaline)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 아미노산을 포함하는 것일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the medium comprises at least one amino acid selected from the group consisting of Val, Leu, Ile, Phe, and norvaline. Lt; / RTI >

본 발명의 또다른 바람직한 일실시예에서, 상기 배지는 음식물 쓰레기, 가축 분뇨 또는 생활 폐수 중 어느 하나인 유기성 폐기물일 수 있다.In another preferred embodiment of the present invention, the medium may be an organic waste, either food waste, livestock manure or domestic wastewater.

본 발명의 또다른 바람직한 일실시예에서, 상기 2-케토산은 2-케토이소발레르산(2-ketoisovalerate, KIV), 2-케토이소카프로산(2-ketoisocaproate, KIC), 2-케토-3-메틸발레르산(2-keto-3-methylvalerate, KMV), 페닐피루빈산(phenylpyruvate, PP) 및 2-케토발레르산(2-ketovalerate, KV)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것일 수 있다.In another preferred embodiment of the present invention, the 2-keto acid is selected from the group consisting of 2-ketoisovalerate (KIV), 2-ketoisocaproate (KIC) One selected from the group consisting of 2-keto-3-methylvalerate (KMV), phenylpyruvate (PP) and 2-ketovalerate (KV) .

본 발명의 또다른 바람직한 일실시예에서, 상기 대장균은 KivD와 함께 알코올 탈수소효소(alcohol dehydrogenase, ADH)를 공동-발현하는 것일 수 있다.In another preferred embodiment of the present invention, the E. coli may co-express an alcohol dehydrogenase (ADH) with KivD.

본 발명의 또다른 바람직한 일실시예에서, 상기 고급 알코올은 이소부탄올(isobutanol), 2-메틸부탄올(2-methylbutanol), 3-메틸부탄올(3-methylbutanol), 2-페닐에탄올(2-phenylethanol) 및 부탄올(butanol)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것일 수 있다.In another preferred embodiment of the present invention, the higher alcohol is selected from the group consisting of isobutanol, 2-methylbutanol, 3-methylbutanol, 2-phenylethanol, And butanol may be used.

따라서, 본 발명은 PLP를 이용한 대장균 기반의 고급 알코올(higer alcohol) 생산 방법을 제공한다.Accordingly, the present invention provides a method for producing Escherichia coli-based higer alcohol using PLP.

본 발명의 피리독살인산(pyridoxal phosphate, PLP)은 구리 이온(Cu)과 복합체를 이루어 아미노산을 2-케토산으로 전환하는 산화적 탈아민화 반응을 촉매할 수 있고, 2-케토산은 케토리소발레르산 디카르복실라제(ketoisovalerate decarboxylase, KivD) 및 알코올 탈수소효소(alcohol dehydrogenase, ADH)에 의해 고급 알코올로 전환할 수 있다. 이를 이용하면, PLP-Cu 복합체를 포함하는 배지에 KivD 및 ADH를 공동발현하는 재조합 대장균을 배양하여, 배지의 아미노산 기질을 2-케토산으로 전환하고 연속적으로 고급 알코올을 생산할 수 있는 전세포 생체 전환 반응을 통해 고급 알코올 생산을 효과적으로 할 수 있다.The pyridoxal phosphate (PLP) of the present invention can catalyze an oxidative desamination reaction in which an amino acid is converted to a 2-keto acid by complexing with copper ion (Cu), and 2- Can be converted to higher alcohols by ketoisovalerate decarboxylase (KivD) and alcohol dehydrogenase (ADH). Using this, recombinant Escherichia coli co-expressing KivD and ADH is cultured in a culture medium containing PLP-Cu complex to convert the amino acid substrate of the culture medium to 2-keto acid and to continuously convert the whole cell biotransformation The reaction can produce high-quality alcohol effectively.

이 때, 단일 아미노산이 포함된 배지뿐 아니라, 음식물 쓰레기 또는 폐수 등의 유기성 폐기물과 같이 다양한 물질이 포함되어 있는 혼합물 배지에서 혼합된 아미노산을 기질로 사용하는 경우에도 본 발명의 고급 알코올 생산 방법을 적용할 수 있으므로, 바이오매스로부터 친환경적이고 저렴한 공정을 통한 고급 알코올 생산이 가능하여, 효과적이다.In this case, when the amino acid mixed in a mixture medium containing various substances such as food wastes or organic wastes such as waste water is used as a substrate as well as a medium containing a single amino acid, It is possible to produce high-quality alcohol from biomass through an environment-friendly and inexpensive process, which is effective.

도 1은 PLP에 의한 산화 및 이 후 효소의 환원 반응을 통해 아미노산을 고급 알코올로 전환하는 본 발명의 반응 모식도이다.
도 2는 고급 알코올 생산을 유도하기 위해 세포 외부의 PLP-Cu를 적용하는 전세포(whole cell) 반응에 대한 모식도이다.
도 3은 단일 아미노산이 기질로 포함된 배지에서의 아미노산으로부터 고급 알코올의 생산 반응을 나타낸다.
도 4는 혼합 아미노산이 기질로 포함된 배지에서의 아미노산으로부터 고급 알코올의 생산 반응을 나타낸다:
도 4a는 아미노산으로부터 생산된 고급 알코올의 전환 수율(%)을 나타내며; 및
도 4b는 시간에 따라 아미노산으로부터 생산된 고급 알코올의 생산량(titer, g/ℓ)을 나타낸다.
1 is a reaction scheme diagram of the present invention for converting an amino acid into a higher alcohol through oxidation by PLP and subsequent reduction of the enzyme.
2 is a schematic diagram of a whole cell reaction in which PLP-Cu is extracellularly applied to induce the production of high-grade alcohol.
Figure 3 shows the production of higher alcohols from amino acids in a medium containing a single amino acid as a substrate.
Figure 4 shows the production of higher alcohols from amino acids in medium containing mixed amino acids as substrates:
Figure 4a shows the conversion yield (%) of the higher alcohol produced from the amino acid; And
Figure 4b shows the yield (titer, g / l) of the higher alcohols produced from amino acids with time.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

상술한 바와 같이, 세포 내 대사 과정의 재조합을 통한 관련 효소 발현의 조절은 탄소원 기질 또는 아미노산 기질의 산화 과정에서 아민 수용체와 연관되어 세포 내 주요 대사 과정의 불균형을 야기할 수 있기 때문에, 생산 수율이 증가하지 않는다는 단점이 있다.As described above, the regulation of expression of related enzymes through recombination of intracellular metabolic processes may lead to imbalance of major metabolic processes in the cell in association with amine receptors in the oxidation of carbon source or amino acid substrate, There is a disadvantage that it does not increase.

본 발명의 피리독살인산(pyridoxal phosphate, PLP)-Cu 복합체를 포함하는 배지에 케토리소발레르산 디카르복실라제(ketoisovalerate decarboxylase, KivD) 및 알코올 탈수소효소(alcohol dehydrogenase, ADH)를 공동발현하는 재조합 대장균을 배양하여, 배지의 아미노산 기질을 2-케토산으로 전환하고 연속적으로 고급 알코올을 생산할 수 있는 전세포 생체 전환 반응을 통해 고급 알코올 생산을 효과적으로 할 수 있다.Recombinant (co-expressing) ketoisovalerate decarboxylase (KivD) and alcohol dehydrogenase (ADH) in a medium containing pyridoxal phosphate (PLP) -Cu complex of the present invention Escherichia coli can be cultured to convert the amino acid substrate of the culture medium to 2-keto acid, and produce high-quality alcohols through a whole-cell bioconversion reaction capable of continuously producing high-quality alcohols.

이 때, 단일 아미노산이 포함된 배지뿐 아니라, 음식물 쓰레기 또는 폐수 등의 유기성 폐기물과 같이 다양한 물질이 포함되어 있는 혼합물 배지에서 혼합된 아미노산을 기질로 사용하는 경우에도 본 발명의 고급 알코올 생산 방법을 적용할 수 있으므로, 바이오매스로부터 친환경적이고 저렴한 공정을 통한 고급 알코올 생산이 가능하다.In this case, when the amino acid mixed in a mixture medium containing various substances such as food wastes or organic wastes such as waste water is used as a substrate as well as a medium containing a single amino acid, It is possible to produce high-quality alcohol from biomass through an environmentally friendly and inexpensive process.

따라서, 본 발명은 Therefore,

i) 배지에 피리독살인산(pyridoxal phosphate, PLP) 및 구리 이온(Cu)을 첨가하여 2-케토산(2-keto acid)를 생산하도록 탈아민화 반응을 유도하는 단계;i) inducing a deamination reaction to produce pyridoxal phosphate (PLP) and copper ion (Cu) to the medium to produce 2-keto acid;

ii) 상기 단계 i)에서 반응을 유도한 배지에 케토리소발레르산 디카르복실라제(ketoisovalerate decarboxylase, KivD)를 과발현하는 재조합 대장균을 접종하는 단계; 및ii) inoculating recombinant E. coli overexpressing ketoisovalerate decarboxylase (KivD) in the medium from which the reaction was induced in step i); And

iii) 상기 단계 ii)에서 접종한 대장균이 상기 단계 i)에서 생산된 2-케토산을 디카르복실 및 알데하이드 환원하도록 배양하는 단계;를 포함하는, PLP를 이용한 대장균 기반의 고급 알코올(higer alcohol) 생산 방법을 제공한다.iii) culturing Escherichia coli inoculated in step ii) so that the 2-keto acid produced in step i) is reduced to be dicarboxylated and aldehyde-reduced, Provide a production method.

본 발명의 단계 i)의 “배지”는 발린(Val), 류신(Leu), 이소류신(Ile), 페닐알라닌(Phe) 및 노발린(norvaline)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 아미노산을 포함하는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.The "medium" of step i) of the present invention includes any one or more amino acids selected from the group consisting of Val, Leu, Ile, Phe, and norvaline But is not limited thereto.

본 발명의 단계 i)의 “배지”는 음식물 쓰레기, 가축 분뇨 또는 생활 폐수 중 어느 하나인 유기성 폐기물인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.The " medium " of step i) of the present invention is preferably organic wastes, but is not limited to, food wastes, livestock manure or domestic wastewater.

본 발명의 단계 i)의 “2-케토산”은 2-케토이소발레르산(2-ketoisovalerate, KIV), 2-케토이소카프로산(2-ketoisocaproate, KIC), 2-케토-3-메틸발레르산(2-keto-3-methylvalerate, KMV), 페닐피루빈산(phenylpyruvate, PP) 및 2-케토발레르산(2-ketovalerate, KV)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 보다 구체적으로, 기질 아미노산이 발린일 때 생산되는 2-케토산은 2-케토이소발레르산이며, 기질 아미노산이 류신일 때 생산되는 2-케토산은 2-케토이소카프로산이고, 기질 아미노산이 이소류신일 때 생산되는 2-케토산은 2-케토-3-메틸발레르산이며, 기질 아미노산이 페닐알라닌일 때 생산되는 2-케토산은 페닐피루빈산이고, 기질 아미노산이 노발린일 때 생산되는 2-케토산은 2-케토발레르산이다.The term " 2-keto acid " of step i) of the present invention refers to 2-ketoisovalerate (KIV), 2- ketoisocaproate (KIC) It is preferably one or more selected from the group consisting of 2-keto-3-methylvalerate (KMV), phenylpyruvate (PP) and 2-ketovalerate (KV) But is not limited thereto. More specifically, the 2-keto acid produced when the substrate amino acid is valine is 2-ketoisovaleric acid, the 2-keto acid produced when the substrate amino acid is leucine is 2-ketoisocaproic acid, The 2-keto acid produced when isoleucine is 2-keto-3-methylvaleric acid, the 2-keto acid produced when the substrate amino acid is phenylalanine is phenylpyruvic acid, and when the substrate amino acid is novaline 2-keto acid is 2-keto valeric acid.

본 발명의 단계 ii)의 “대장균”은 KivD와 함께 알코올 탈수소효소(alcohol dehydrogenase, ADH)를 공동-발현하는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 상기 대장균이 KivD를 발현하지 않으면 2-케토산을 고급 알코올로 전환할 수 없고, ADH를 과발현하지 않으면 야생형의 대장균이 발현하는 ADH이 관여하여 고급 알코올을 생산할 수 있으나, 전환 수율이 낮아 효과적이지 않다. 상기 대장균이 KivD 및 ADH를 공동-발현으로 과발현하면 PLP-Cu에 의해 아미노산으로부터 전환된 2-케토산이 효과적으로 고급 알코올로 전환될 수 있어 효과적이다.The "E. coli" of step ii) of the present invention is preferably, but not limited to, co-expressing an alcohol dehydrogenase (ADH) with KivD. If the Escherichia coli does not express KivD, 2-keto acid can not be converted to a higher alcohol. If ADH is not over-expressed, ADH expressing wild-type Escherichia coli can be involved to produce higher alcohol, but the conversion yield is low and is not effective . When the Escherichia coli overexpresses KivD and ADH by co-expression, 2-keto acid converted from amino acid by PLP-Cu can be effectively converted to a higher alcohol, which is effective.

본 발명의 “고급 알코올”은 이소부탄올(isobutanol), 2-메틸부탄올(2-methylbutanol), 3-메틸부탄올(3-methylbutanol), 2-페닐에탄올(2-phenylethanol) 및 부탄올(butanol)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 보다 구체적으로, 기질 아미노산이 발린일 때 생산되는 고급 알코올은 이소부탄올이며, 기질 아미노산이 류신일 때 생산되는 고급 알코올은 2-메틸부탄올이고, 기질 아미노산이 이소류신일 때 생산되는 고급 알코올은 3-메틸부탄올이며, 기질 아미노산이 페닐알라닌일 때 생산되는 고급 알코올은 2-페닐에탄올이고, 기질 아미노산이 노발린일 때 생산되는 고급 알코올은 부탄올이다.The term " higher alcohol " of the present invention is a mixture of isobutanol, 2-methylbutanol, 3-methylbutanol, 2-phenylethanol and butanol. , But the present invention is not limited thereto. More specifically, the higher alcohol produced when the substrate amino acid is valine is isobutanol, the higher alcohol produced when the substrate amino acid is leucine is 2-methylbutanol, and the higher alcohol produced when the substrate amino acid is isoleucine is 3-methyl Butanol, the higher alcohol produced when the substrate amino acid is phenylalanine is 2-phenylethanol, and the higher alcohol produced when the substrate amino acid is novaline is butanol.

본 발명의 구체적인 실시예에서, 본 발명자들은 PLP-Cu 복합체를 사용하여 아미노산을 2-케토산으로 전환하는 아미노산의 탈아민화 반응을 수행하여, 5 종류의 아미노산(발린, 류신, 이소류신, 페닐알라닌, 노발린)에 대하여 PLP-Cu가 산화적 탈아민화 반응을 촉매하여 2-케토산으로 전환할 수 있음을 확인하였다(표 1).In a specific embodiment of the present invention, the present inventors carried out a depolymerization reaction of an amino acid that converts an amino acid to a 2-keto acid using a PLP-Cu complex, and found that 5 kinds of amino acids (valine, leucine, isoleucine, phenylalanine, Valine was able to catalyze an oxidative deamination reaction of PLP-Cu to convert it to 2-keto acid (Table 1).

또한, 본 발명자들은 PLP-Cu 복합체가 아미노산을 2-케토산으로 전환할 수 있음을 확인하여, 전환된 2-케토산이 이후 KivD/ADH 효소의 산화과정을 통해 고급 알코올로 전환될 수 있도록 효소 반응과 연결하여 반응을 수행한 결과, 환원 효소 등가가 존재하지 않는 시험관 내 환경에서, 환원 효소가 불안정 또는 불활성화되었기 때문에 고급 알코올의 최종 전환 수율이 낮은 수준으로 나타나는 것을 확인하였다(표 2).Further, the present inventors confirmed that the PLP-Cu complex can convert an amino acid into 2-keto acid, and then convert the converted 2-keto acid into an enzyme such that the KivD / ADH enzyme can be converted to a higher alcohol As a result of performing the reaction in connection with the reaction, it was confirmed that the final conversion yield of the higher alcohol was low because the reducing enzyme was unstable or inactivated in the in vitro environment in which there was no reductase equivalent (Table 2).

또한, 본 발명자들은 PLP-Cu와 KivD/ADH 효소가 함께 포함된 배지에서 연속적인 전환 반응이 진행되어 아미노산으로부터 고급 알코올을 생산할 수 있으므로, 보다 높은 전환 수율의 반응을 확인하기 위해 KivD/ADH를 발현하는 재조합 대장균을 이용하여 생체 내에서 고급 알코올을 합성하는 [PLP-Cu] 촉매-[KivD/ADH] 효소의 커플링 반응(coupling reaction)을 수행한 결과, 단일 아미노산을 포함하는 배지 및 혼합된 아미노산 배지(4% 효모 추출물)에 PLP-Cu을 첨가하고 KivD/ADH를 발현하는 재조합 대장균을 배양하였을 때 고급 알코올의 생산 수율이 현저히 증가하는 것을 확인하였다(도 4).In addition, the present inventors have succeeded in continuously expressing KivD / ADH in a medium containing PLP-Cu and KivD / ADH enzyme to produce higher alcohol from amino acid, As a result of the coupling reaction of the enzyme [PLP-Cu] - [KivD / ADH], which synthesizes higher alcohols in vivo using the recombinant Escherichia coli, the medium containing a single amino acid and the mixed amino acid When PLP-Cu was added to the culture medium (4% yeast extract) and the recombinant Escherichia coli expressing KivD / ADH was cultured, the production yield of the higher alcohol was remarkably increased (FIG. 4).

따라서, 본 발명의 피리독살인산(pyridoxal phosphate, PLP)은 구리 이온(Cu)과 복합체를 이루어 아미노산을 2-케토산으로 전환하는 산화적 탈아민화 반응을 촉매할 수 있고, 2-케토산은 케토리소발레르산 디카르복실라제(ketoisovalerate decarboxylase, KivD) 및 알코올 탈수소효소(alcohol dehydrogenase, ADH)에 의해 고급 알코올로 전환할 수 있다. Accordingly, the pyridoxal phosphate (PLP) of the present invention can catalyze an oxidative desalination reaction in which an amino acid is converted into a 2-keto acid by forming a complex with copper ion (Cu) It can be converted to higher alcohols by ketoisovalerate decarboxylase (KivD) and alcohol dehydrogenase (ADH).

이 때, 단일 아미노산이 포함된 배지뿐 아니라, 음식물 쓰레기 또는 폐수 등의 유기성 폐기물과 같이 다양한 물질이 포함되어 있는 혼합물 배지에서 혼합된 아미노산을 기질로 사용하는 경우에도 본 발명의 고급 알코올 생산 방법을 적용할 수 있으므로, 바이오매스로부터 친환경적이고 저렴한 공정을 통한 고급 알코올 생산이 가능하여, 효과적이다.In this case, when the amino acid mixed in a mixture medium containing various substances such as food wastes or organic wastes such as waste water is used as a substrate as well as a medium containing a single amino acid, It is possible to produce high-quality alcohol from biomass through an environment-friendly and inexpensive process, which is effective.

또한, 본 발명은 PLP 및 Cu를 첨가한 배지에 KivD 및 ADH를 공동발현하는 재조합 대장균을 접종하여 배양하는 단계를 포함하는, PLP를 이용한 대장균 기반의 고급 알코올 생산 방법을 제공한다.The present invention also provides a method for producing Escherichia coli-based advanced alcohols using PLP, comprising inoculating and culturing the recombinant Escherichia coli co-expressing KivD and ADH in culture medium supplemented with PLP and Cu.

본 발명의 “배지”는 류신, 이소류신, 페닐알라닌 및 노발린으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 아미노산을 포함하는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.The "medium" of the present invention is preferably, but not limited to, any one or more amino acids selected from the group consisting of leucine, isoleucine, phenylalanine and novaline.

본 발명의 “배지”는 음식물 쓰레기, 가축 분뇨 또는 생활 폐수 중 어느 하나인 유기성 폐기물인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.The " culture medium " of the present invention is preferably organic wastes such as food wastes, livestock manure, or domestic wastes, but is not limited thereto.

본 발명의 “고급 알코올”은 이소부탄올, 2-메틸부탄올, 3-메틸부탄올, 2-페닐에탄올 및 부탄올로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.The "higher alcohol" of the present invention is preferably one or more selected from the group consisting of isobutanol, 2-methylbutanol, 3-methylbutanol, 2-phenylethanol and butanol, but is not limited thereto.

본 발명의 피리독살인산(pyridoxal phosphate, PLP)은 구리 이온(Cu)과 복합체를 이루어 아미노산을 2-케토산으로 전환하는 산화적 탈아민화 반응을 촉매할 수 있고, 2-케토산은 KivD 및 ADH에 의해 고급 알코올로 전환할 수 있으므로, 이를 이용하면 PLP-Cu 복합체를 포함하는 배지에 KivD 및 ADH를 공동발현하는 재조합 대장균을 배양하여, 배지의 아미노산 기질을 2-케토산으로 전환하고 연속적으로 고급 알코올을 생산할 수 있는 전세포 생체 전환 반응을 통해 단일 단계의 공정으로 고급 알코올을 생산할 수 있어, 공정에 필요한 단가가 저렴하고 시간이 절약될 수 있다. 또한, 단일 아미노산이 포함된 배지뿐 아니라, 음식물 쓰레기 또는 폐수 등의 유기성 폐기물과 같이 다양한 물질이 포함되어 있는 혼합물 배지에서 혼합된 아미노산을 기질로 사용하는 경우에도 본 발명의 고급 알코올 생산 방법을 적용할 수 있으므로, 바이오매스로부터 친환경적이고 저렴한 공정을 통한 고급 알코올 생산이 가능하여, 효과적이다.The pyridoxal phosphate (PLP) of the present invention can catalyze an oxidative desamination reaction in which an amino acid is converted into a 2-keto acid by complexing with copper ion (Cu), 2-keto acid is KivD and ADH It is possible to convert recombinant E. coli expressing KivD and ADH into a culture medium containing PLP-Cu complex to convert the amino acid substrate of the culture medium into 2-keto acid, The whole cell bioconversion reaction capable of producing alcohol can produce a high-quality alcohol in a single step process, so that the unit cost required for the process can be reduced and time can be saved. Also, in the case of using amino acids mixed in a mixture medium containing various substances such as food wastes or organic wastes such as wastewater, as well as a medium containing a single amino acid, the method of producing a high alcohol of the present invention may be applied It is possible to produce high-quality alcohol from biomass through an environment-friendly and inexpensive process, which is effective.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. It is to be understood by those skilled in the art that these examples are for illustrative purposes only and that the scope of the present invention is not construed as being limited by these examples.

PLPPLP -Cu 복합체에 의한 아미노산의 탈아민화 반응 수행Perform the deamination of amino acids by -Cu complex

비타민 B6의 금속 이온이 존재할 때, 아미노산을 2-케토산으로 전환하는 산화적 탈아민화 반응을 PLP가 촉매할 수 있음이 보고된 바 있다. 이에, PLP-Cu 복합체를 사용하여 아미노산을 2-케토산으로 전환하는 아미노산의 탈아민화 반응을 수행하여 2-케토산의 전환 수율을 확인하였다.It has been reported that when the metal ion of vitamin B6 is present, PLP can catalyze an oxidative desalination reaction that converts an amino acid to 2-keto acid. Thus, the conversion of 2-keto acid was confirmed by performing a deamination reaction of an amino acid that converts amino acid to 2-keto acid using PLP-Cu complex.

구체적으로, 대표적인 5 개의 아미노산(류신, 이소류신, 발린, 노발린 및 페닐알라닌)을 각각 10 ㎎/㎖ 농도로 증류수에 용해하여 아미노산 용액을 준비하였다. 그런 다음, 10 mM PLP-Cu 복합체를 포함하는 0.1 M 인산염 완충용액(pH 7.0)을 반응 용액으로서 준비하고, 상기 반응 용액 1.0 ㎖에 준비한 아미노산 용액을 첨가하여 탈아민화 반응을 개시하였다. 이 때, 기질인 아미노산, 촉매인 PLP 및 Cu(II)은 몰비율이 1:1:1이 되도록 하여, 각각 10 mM의 농도로 반응 용액에 포함되어 반응을 개시하고, 37 ℃에서 24 시간 동안 항온 인큐베이터에서 반응하였다. 반응 개시 24시간 후, 반응물을 빠르게 냉각하여 반응을 종결시키고, 반응물 내 생성된 2-케토산 및 암모니아를 정량분석하였다. Specifically, five representative amino acids (leucine, isoleucine, valine, novaline and phenylalanine) were each dissolved in distilled water at a concentration of 10 mg / ml to prepare an amino acid solution. Then, 0.1M phosphate buffer solution (pH 7.0) containing 10 mM PLP-Cu complex was prepared as a reaction solution, and the amino acid solution prepared in 1.0 ml of the reaction solution was added to initiate the depolymerization reaction. At this time, the reaction was initiated by adding the amino acid as a substrate, PLP and Cu (II) as catalysts to the reaction solution at a molar ratio of 1: 1: 1, respectively, at a concentration of 10 mM, And reacted in a constant temperature incubator. Twenty-four hours after the start of the reaction, the reaction was rapidly cooled to terminate the reaction, and the produced 2-keto acid and ammonia in the reaction were quantitatively analyzed.

암모니아의 농도는 NeuLog 암모니움 이온-선택적 센서 시스템을 이용하여 정량하였다. 정량분석을 통해 생성된 2-케토산의 몰농도를 반응 초기 기질 아미노산 몰농도로 나누어(mM 2-케토산/ mM 아미노산), 반응 수율(conversion yield)로 나타내었다. 아미노산은 OPA 및 FMOC 시약을 이용하여 유도체화하고, ZORBAX Eclipse AAA 컬럼을 장착한 HPLC에서 유도체화된 아미노산을 정량 분석하였다. 2-케토산의 정량을 위해서, o-페닐렌디아민을 이용한 반응을 통해 반응용액 내의 2-케토산에 형광 퀴녹살린(quinoxaline)이 결합되도록 유도체화한 다음 형광 분석을 수행하였다. 350 nm의 자극 파장에서 410 nm 방출 형광을 측정하였으며, 각각의 반응 용액으로부터 측정한 형광 강도를 2-케토산의 검량선(calibration curve)과 비교하여 반응 용액 내 생성된 2-케토산의 농도(mM)를 계산하였다.Ammonia concentration was quantified using NeuLog ammonia ion-selective sensor system. The molar concentration of 2-keto acid produced by quantitative analysis was expressed as the conversion yield by dividing the initial molar concentration of substrate amino acid by the reaction (mM 2-keto acid / mM amino acid). Amino acids were derivatized using OPA and FMOC reagents and quantified by HPLC on a ZORBAX Eclipse AAA column. For the determination of 2-keto acid, fluorescence analysis was carried out after derivatizing quinoxaline to bind quinoxaline to 2-keto acid in the reaction solution through reaction using o-phenylenediamine. 410 nm emission fluorescence was measured at a stimulus wavelength of 350 nm. The fluorescence intensity measured from each reaction solution was compared with a calibration curve of 2-keto acid to determine the concentration of 2-keto acid (mM ) Were calculated.

그 결과, 하기 [표 1]에서 나타난 바와 같이 PLP 및 Cu2+ 이온이 함께 반응용액에 첨가되었을 때, 5 종류의 모든 아미노산(발린, 류신, 이소류신, 페닐알라닌, 노발린)에서 산화적 탈아민화 반응이 일어나, 2-케토산으로 전환되었음을 확인하였다(표 1). 기질 아미노산에 따라 생성된 각각의 2-케토산에 대하여, 반응 수율은 약 45 내지 75%(mM/mM)이며, 암모니아의 생성은 2-케토산 생성보다 낮은 전환 수율을 나타내어 20% 수준으로 나타나는 것을 확인하였다(표 1). 또한, PLP의 선택성은 반응용액 내 기질로 첨가된 아미노산의 측쇄의 분기 사슬 또는 방향족 구조와 관계없이 지속될 수 있음을 확인하였다.As a result, when PLP and Cu2 + ions were added together to the reaction solution as shown in the following Table 1, an oxidative desalination reaction occurred in all five kinds of amino acids (valine, leucine, isoleucine, phenylalanine and novaline) , 2-keto acid (Table 1). For each 2-keto acid produced according to the substrate amino acid, the reaction yield is about 45-75% (mM / mM), and the production of ammonia shows a lower conversion yield than the 2-keto acid production to 20% (Table 1). It was also confirmed that the selectivity of PLP can be maintained regardless of the branched chain or aromatic structure of the side chain of the amino acid added to the substrate in the reaction solution.

PLP-Cu 복합체에 의해 전환된 2-케토산의 전환 수율Conversion yield of 2-keto acid converted by PLP-Cu complex 기질 아미노산
Substrate amino acid
산물 2-케토산
Product 2-keto acid
전환 수율(%)Conversion yield (%)
2-케토산2-keto acid NH3 NH 3 발린Balin 2-케토이소발레르산
(2-ketoisovalerate,KIV)
2-Ketoisovaleric acid
(2-ketoisovalerate, KIV)
4545 1919
류신Leucine 7373 2222 이소류신Isoleucine 5656 2020 페닐알라닌Phenylalanine 6262 2020 노발린Novaline 5353 2121

시험관 내(In vitro In vitroIn vitro ) 단계에서 ) Step PLPPLP -Cu 복합체 및 -Cu complex and KivDKivD // ADHADH 효소에 의한 아미노산으로부터 고급 알코올 생산 반응 Production of higher alcohol from amino acid by enzyme

PLP-Cu 복합체가 아미노산을 2-케토산으로 전환할 수 있음을 확인하여, 전환된 2-케토산이 이후 산화과정을 통해 고급 알코올(higer alcohol)로 전환될 수 있도록 효소 반응과 연결하여, 도 1의 모식도에서 나타난 바와 같은 과정으로 고급 알코올 생산 반응을 수행하였다.It has been confirmed that the PLP-Cu complex can convert an amino acid into 2-keto acid, so that the converted 2-keto acid can be converted into a higher alcohol through an oxidation process, 1, a high-alcohol production reaction was carried out.

구체적으로, 공지된 방법에 따라 락토코커스 락티스(Lactococcus latis)에서 케토리소발레르산 디카르복실라제(ketoisovalerate decarboxylase, KivD)를 발현하여 분리하였고, 사카로마이서스 세레비지아에(Saccharomyces cerevisiae)에서 알코올 탈수소효소(alcohol dehydrogenase, ADH)를 발현하여 분리하였다[14]. 그런 다음, 10 unit의 정제된 케토리소발레르산 디카르복실라제(ketoisovalerate decarboxylase, KivD; Lactococcus latis 유래), 10 unit의 알코올 탈수소효소(alcohol dehydrogenase, ADH; Saccharomyces cerevisiae 유래) 및 1 mM NADH 조효소를 포함하는 반응 혼합액(1mM MGSO4, 0.5 mM 티아민 피로인산을 포함하는 0.1 M 인산염 완충용액, pH 7.0)을 준비하였다. 기질 용액을 준비하기 위해서 대표적인 5 개의 아미노산(류신, 이소류신, 발린, 노발린 및 페닐알라닌)을 각각 10 ㎎/㎖ 농도로 증류수에 용해하여 아미노산 용액을 준비하였다. 10 mM PLP-Cu 복합체를 포함하는 0.1 M 인산염 완충용액(pH 7.0)에 상기 준비한 아미노산 용액을 10 mM의 농도로 첨가하여, 아미노산, PLP 및 Cu(II)의 몰비율이 1:1:1이 되도록 하여 기질 용액을 준비하였다. 그런 다음, 상기 준비한 기질 용액(아미노산, PLP 및 Cu(II) 포함)에 반응 혼합액(KivD, ADH 및 NADH 포함)을 가하여 아미노산 탈아민화 반응을 개시하였다. 1 시간 후, 반응물을 빠르게 냉각하여 반응을 종결시키고, 반응물 내 생성된 알코올을 가스 크로마토그래피(GC)로 정량 분석하였다.Specifically, ketoisovalerate decarboxylase (KivD) was expressed and separated from Lactococcus latis according to a known method, and Saccharomyces cerevisiae was isolated and purified. (Alcohol dehydrogenase (ADH)) was isolated and isolated from the cells [14]. Then, 10 units of purified ketoisovalerate decarboxylase (KivD; Lactococcus (1 mM MgSO 4 , 0.5 mM thiamine pyrophosphate in 0.1 M phosphate buffer, pH 10) containing 10 units of alcohol dehydrogenase (ADH; derived from Saccharomyces cerevisiae ) and 1 mM NADH coenzyme 7.0). To prepare the substrate solution, five representative amino acids (leucine, isoleucine, valine, novaline and phenylalanine) were dissolved in distilled water at a concentration of 10 mg / ml to prepare an amino acid solution. To the 0.1M phosphate buffer solution (pH 7.0) containing 10 mM PLP-Cu complex, the amino acid solution prepared above was added at a concentration of 10 mM to prepare a solution having a molar ratio of amino acid, PLP and Cu (II) of 1: 1: 1 To prepare a substrate solution. Then, the reaction mixture (including KivD, ADH and NADH) was added to the prepared substrate solution (including amino acids, PLP and Cu (II)) to initiate amino acid deamination reaction. After 1 hour, the reaction was rapidly cooled to terminate the reaction, and the produced alcohol was quantitatively analyzed by gas chromatography (GC).

그 결과, 하기 [표 2]에서 나타난 바와 같이 PLP-Cu 복합체 및 KivD/ADH 효소에 의한 반응을 통해 아미노산을 고급 알코올로 전환하였으며, 기질 아미노산의 측쇄 구조에 따라 이에 해당하는 고급 알코올로 전환할 수 있음을 확인하였다(표 2). 고급 알코올로의 전환 수율에 있어서 기질 아미노산의 측쇄 구조가 영향을 미치며, 측쇄에 분지 구조를 가지는 아미노산인 발린, 류신, 이소류신 또는 노발린을 기질로 사용하였을 때는 각각 생성된 고급 알코올은 10% 이하의 전환 수율을 나타내는 반면, 측쇄에 방향족 고리를 가지는 페닐알라닌을 기질로 사용하였을 때의 전환 수율은 약 20%임을 확인하였다(표 2). 시험관 내에서 PLP-Cu 복합체 및 KivD/ADH 효소에 의한 고급 알코올 생산 과정을 수행하는 것을 통해, NADPH에서 이동하는 환원 등가(reducing equivalent)가 존재하는 경우 2-케토산이 생성됨에 따라 동시에 효소에 의한 환원 반응이 나타날 수 있음을 확인하였다. 그러나, 환원 효소 등가가 존재하지 않는 시험관 내 환경에서, 환원 효소가 불안정 또는 불활성화되었기 때문에 고급 알코올의 최종 전환 수율이 낮은 수준으로 나타나는 것을 확인하였다.As a result, as shown in the following Table 2, amino acids were converted into higher alcohols by reaction with PLP-Cu complex and KivD / ADH enzyme and converted to higher alcohol according to the side chain structure of the substrate amino acid (Table 2). When valine, leucine, isoleucine, or novaline, which are amino acids having a branched structure on the side chain, are used as a substrate in the conversion yield to the higher alcohol, the produced higher alcohol is not more than 10% The conversion yield was about 20% when phenylalanine having an aromatic ring in the side chain was used as a substrate (Table 2). In the presence of reducing equivalents that migrate in NADPH through the production of high-grade alcohols by PLP-Cu complex and KivD / ADH enzyme in vitro, 2-keto acid is produced, Reduction reaction could be observed. However, it was confirmed that the final conversion yield of the higher alcohol was lowered because the reducing enzyme was unstable or inactivated in the in vitro environment in which no reducing enzyme equivalent was present.

생체 내(In vivo In In vivovivo ) 단계에서 ) Step PLPPLP -Cu 복합체 및 -Cu complex and KivDKivD // ADHADH 효소에 의한 아미노산으로부터 고급 알코올 생산 반응 Production of higher alcohol from amino acid by enzyme

<3-1> 단일 아미노산이 기질로 포함된 배지에서의 아미노산으로부터 고급 알코올의 생산 반응 <3-1> Production of higher alcohol from amino acid in medium containing single amino acid as substrate

PLP-Cu와 KivD/ADH 효소가 함께 포함된 배지에서 연속적인 전환 반응이 진행되어 아미노산으로부터 고급 알코올을 생산할 수 있음을 확인하였으나, 시험관 내 반응은 낮은 전환 수율을 나타내었다. 이를 극복하기 위해서 대장균(E. coli BL21(DE3)) 내에서 전세포 생체 전환 반응을 이용하여, 생체 내에서 고급 알코올을 합성하는 [PLP-Cu] 촉매-[KivD/ADH] 효소의 커플링 반응(coupling reaction)을 수행하였다(도 2).In the medium containing PLP-Cu and KivD / ADH enzymes, it was confirmed that the continuous conversion reaction proceeded to produce higher alcohol from amino acid, but the in vitro reaction showed low conversion yield. To overcome this, the coupling reaction of the [PLP-Cu] catalyst- [KivD / ADH] enzyme, which synthesizes a high-level alcohol in vivo using a whole-cell bioconversion reaction in E. coli BL21 (DE3) coupling reaction was performed (FIG. 2).

구체적으로, 공지된 방법에 따라 KivD 또는 ADH를 발현하거나 KivD 및 ADH를 공동-발현(KivD+ADH)하는 대장균을 제조하였다[14]. 그런 다음, 10 ㎎/㎖의 아미노산(발린, 류신, 이소류신, 페닐알라닌 또는 노발린) 및 1 mM PLP-Cu 복합체를 첨가한 M9 최소배지[15]에 KivD, ADH 또는 KivD+ADH를 발현하는 대장균을 접종하고 37℃에서 진탕배양하였다. 배양한 대장균이 OD 600nm에서의 흡광도가 0.6이 되면, 배지에 1 mM IPTG를 첨가하여 4 일 동안 37 ℃에서 본배양하였다. 본 배양 종료 후, 배지를 수득하여 GC 분석으로 배지 내 생성된 고급 알코올을 정량 분석하였다.Specifically, Escherichia coli expressing KivD or ADH or co-expressing KivD and ADH (KivD + ADH) was prepared according to a known method [14]. Then, E. coli expressing KivD, ADH or KivD + ADH in an M9 minimal medium [15] supplemented with 10 mg / ml of amino acids (valine, leucine, isoleucine, phenylalanine or novaline) and 1 mM PLP- And inoculated and cultured with shaking at 37 ° C. When the cultured Escherichia coli had an absorbance of 0.6 at OD 600 nm, 1 mM IPTG was added to the medium and the cells were cultured at 37 ° C for 4 days. After completion of the cultivation, a medium was obtained and the high-alcohol produced in the medium was quantitatively analyzed by GC analysis.

그 결과, 도 3에서 나타난 바와 같이 KivD를 과발현하지 않고 ADH 만을 발현한 대장균 실험군에서는 배지 내에 [PLP-Cu] 복합체가 존재함에도 불구하고 고급 알코올이 생산되지 않았으며, ADH를 과발현하지 않고 KivD 만을 과발현한 대장균 실험군에서는 아미노산을 해당하는 고급 알코올로 전환할 수 있음을 확인하였고, 이 때 전환 수율을 약 10 내지 20% 수준임을 확인하였다(도 3). PLP-Cu 복합체를 첨가하지 않은 배지에서 배양한 대장균 실험군은 KivD 또는 ADH의 발현 여부와 관계없이 알코올을 생산하지 않아, 아미노산을 2-케토산으로 전환하고 고급 알코올을 합성하는 과정에서 PLP가 주요한 역할을 할 수 있음을 확인하였다. 또한, 재조합으로 ADH를 과발현하지 않고 KivD만을 과발현한 재조합 대장균 실험균에서는 사카로마이서스 세레비지아에 유래의 ADH를 과발현하지 않더라도 대장균이 가지고 있는 ADH를 이용하여 낮은 수율의 알코올 전환이 가능한 것을 확인하였다.As a result, as shown in FIG. 3, the E. coli cells expressing only ADH without overexpression of KivD did not produce high-level alcohol even though the [PLP-Cu] complex was present in the culture medium, and did not overexpress ADH, In one E. coli experimental group, it was confirmed that the amino acid could be converted to the corresponding higher alcohol, and it was confirmed that the conversion yield was about 10 to 20% (FIG. 3). E. coli cultured in culture medium without PLP-Cu complex did not produce alcohol regardless of expression of KivD or ADH, and PLP plays a major role in the conversion of amino acid to 2-keto acid and synthesis of higher alcohol The results of this study are as follows. In addition, it was confirmed that the recombinant Escherichia coli, which overexpressed KivD alone without overexpressing ADH by recombination, was able to achieve a low yield of alcohol conversion using ADH contained in Escherichia coli strains even when ADH derived from Saccharomyces cerevisiae was not overexpressed Respectively.

또한, [PLP-Cu]를 포함하는 배지에서 ADH 및 KivD를 공동-발현하는 대장균을 배양하여 고급 알코올 생산을 수행한 결과, 고급 알코올의 생산 수율이 유의적으로 증가하여, ADH를 과발현하지 않고 KivD 만을 발현하는 대장균에 비해 약 2배의 수준으로 전환 수율을 나타내는 것을 확인하였다. 특히, 2-페닐알라닌을 기질로 하여 생성된 2-페닐에탄올의 경우에는 80% 이상의 전환 수율을 나타내는 것을 확인하였다(도 3).In addition, when Escherichia coli co-expressing ADH and KivD was cultured in a culture medium containing [PLP-Cu] to produce high-grade alcohol, the yield of high-alcohol production was significantly increased, Which is about twice as high as that of Escherichia coli expressing E. coli alone. In particular, it was confirmed that 2-phenylethanol produced using 2-phenylalanine as a substrate exhibited a conversion yield of 80% or more (FIG. 3).

<3-2> 혼합 아미노산이 기질로 포함된 배지에서의 아미노산으로부터 고급 알코올의 생산 반응 <3-2> Production of higher alcohol from amino acid in medium containing mixed amino acid as substrate

2-케토산으로부터 고급 알코올을 생산하는 공지된 연구들에서, 배지 내에 2-케토산을 추가로 첨가하는 것은 전환 수율을 증가시키는 것에 중요한 역할을 할 수 있음이 알려져 있다. 따라서, 음식물 쓰레기 또는 폐수와 같이 다양한 물질이 포함되어 있는 혼합물 배지에서 혼합된 아미노산을 기질로 사용하는 경우 PLP-Cu 및 KivD/ADH 효소 반응을 통해 고급 알코올을 효과적으로 생산할 수 있는지 여부를 판단하기 위해, 효모 추출물의 아미노산 혼합물로부터 고급 알코올의 생산 여부를 확인하였다.In known studies for producing higher alcohols from 2-keto acids, it is known that additional addition of 2-keto acid in the medium can play an important role in increasing the conversion yield. Therefore, in order to determine whether or not a high-quality alcohol can be efficiently produced through PLP-Cu and KivD / ADH enzyme reactions when amino acids mixed in a mixture medium containing various substances such as food waste or wastewater are used as a substrate, The production of higher alcohol was confirmed from the amino acid mixture of yeast extract.

구체적으로, 40 g/ℓ BD bacto 효모 추출물(21.64 g/ℓ 아미노산, 4.48 g/ℓ 재(ash), 3.05 g/ℓ 다양한 염(various salts), 1.24 g/ℓ 물 및 6.53 g/ℓ 탄수화물을 포함함) 및 M9 염(6.3 g/ℓ NaHP4, 3.0 g/ℓ KH2PO4, 0.5 g/ℓ NaCl, 24 ㎎/ℓ ㎎SO4, 2.2 ㎎/ℓ CaCl2 및 2.0 ㎎/ℓ 비타민 B1)을 혼합하여, 4% 효모 추출물의 아미노산 배지를 준비하였다. 아미노산 배지에는 1.20 g/ℓ 이소류신, 1.64 g/ℓ 류신, 1.04 g/ℓ 페닐알라닌, 1.40 g/ℓ 발린, 2.40 g/ℓ 아미노 질소(amino nitrogen) 및 미량 필수 원소가 포함된다. 그런 다음, 준비한 아미노산 배지에 1 mM PLP-Cu 복합체를 첨가하고, KivD 또는 ADH를 발현하거나 KivD 및 ADH를 공동-발현(KivD+ADH)하는 대장균을 접종하고 37℃에서 진탕배양하였다. 배양한 대장균이 OD 600nm에서의 흡광도가 0.6이 되면, 배지에 1 mM IPTG를 첨가하여 4 일 동안 37 ℃에서 본배양하였다. 본 배양 중, 24 시간에 1 회 간격으로 배지를 수득하여 GC 분석으로 배지 내 생성된 고급 알코올을 정량 분석하였다. Specifically, 40 g / l BD bacto yeast extract (21.64 g / l amino acid, 4.48 g / l ash, 3.05 g / l various salts, 1.24 g / l water and 6.53 g / l carbohydrate including;) and M9 salts (6.3 g / ℓ NaHP 4, 3.0 g / ℓ KH 2 PO 4, 0.5 g / ℓ NaCl, 24 ㎎ / ℓ ㎎SO 4, 2.2 ㎎ / ℓ CaCl 2 And 2.0 mg / l vitamin B1) were mixed to prepare an amino acid culture medium of 4% yeast extract. Amino acid media includes 1.20 g / l isoleucine, 1.64 g / l leucine, 1.04 g / l phenylalanine, 1.40 g / l valine, 2.40 g / l amino nitrogen and trace essential elements. Then, 1 mM PLP-Cu complex was added to the prepared amino acid medium, and E. coli expressing KivD or ADH or co-expressing KivD and ADH (KivD + ADH) was inoculated and cultured at 37 ° C with shaking. When the cultured Escherichia coli had an absorbance of 0.6 at OD 600 nm, 1 mM IPTG was added to the medium and the cells were cultured at 37 ° C for 4 days. During the main culture, the medium was obtained once every 24 hours, and the high-alcohol produced in the medium was quantitatively analyzed by GC analysis.

그 결과, 도 4에서 나타난 바와 같이 PLP-Cu를 첨가하지 않은 배지에서 KivD+ADH 공동발현 대장균을 배양하는 경우에 비해, PLP-Cu를 포함하는 배지에서 KivD+ADH 공동발현 대장균을 배양하였을 때 고급 알코올의 생산이 현저하게 증가하는 것을 확인하였다. 특히, 페닐알라닌으로부터 2-페닐에탄올의 전환이 가장 높은 수준으로 나타나, 1.0 g/ℓ의 생산량(produvtivity) 및 55 % 전환 수율(conversion yield)를 나타내는 것을 확인하였다(도 4a 및 도 4b).As a result, as shown in FIG. 4, when KivD + ADH co-expressed Escherichia coli was cultured in a medium containing PLP-Cu compared to culturing KivD + ADH coexpressing Escherichia coli in a medium without PLP-Cu, It was confirmed that the production of alcohol remarkably increased. In particular, the conversion of 2-phenylethanol from phenylalanine was found to be the highest level and it was confirmed that it exhibited a produvtivity of 1.0 g / l and a conversion yield of 55% (Figs. 4A and 4B).

Claims (10)

i) 배지에 피리독살인산(pyridoxal phosphate, PLP) 및 구리 이온(Cu)을 첨가하여 2-케토산(2-keto acid)를 생산하도록 탈아민화 반응을 유도하는 단계;
ii) 상기 단계 i)에서 반응을 유도한 배지에 케토리소발레르산 디카르복실라제(ketoisovalerate decarboxylase, KivD)를 과발현하는 재조합 대장균을 접종하는 단계; 및
iii) 상기 단계 ii)에서 접종한 대장균이 상기 단계 i)에서 생산된 2-케토산을 디카르복실 및 알데하이드 환원하도록 배양하는 단계;를 포함하는, PLP를 이용한 대장균 기반의 고급 알코올(higer alcohol) 생산 방법.
i) inducing a deamination reaction to produce pyridoxal phosphate (PLP) and copper ion (Cu) to the medium to produce 2-keto acid;
ii) inoculating recombinant E. coli overexpressing ketoisovalerate decarboxylase (KivD) in the medium from which the reaction was induced in step i); And
iii) culturing Escherichia coli inoculated in step ii) so that the 2-keto acid produced in step i) is reduced to be dicarboxylated and aldehyde-reduced, Production method.
제 1항에 있어서, 상기 단계 i)의 배지는 발린(Val), 류신(Leu), 이소류신(Ile), 페닐알라닌(Phe) 및 노발린(norvaline)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 아미노산을 포함하는 것을 특징으로 하는, PLP를 이용한 대장균 기반의 고급 알코올 생산 방법.
The method according to claim 1, wherein the medium of step i) comprises at least one amino acid selected from the group consisting of Val, Leu, Ile, phenylalanine (Phe) and norvaline Wherein the method comprises the steps of:
제 1항에 있어서, 상기 단계 i)의 배지는 음식물 쓰레기, 가축 분뇨 또는 생활 폐수 중 어느 하나인 유기성 폐기물인 것을 특징으로 하는, PLP를 이용한 대장균 기반의 고급 알코올 생산 방법.
The method according to claim 1, wherein the medium of step i) is organic wastes such as food wastes, livestock manure or domestic wastewater.
제 1항에 있어서, 상기 단계 i)의 2-케토산은 2-케토이소발레르산(2-ketoisovalerate, KIV), 2-케토이소카프로산(2-ketoisocaproate, KIC), 2-케토-3-메틸발레르산(2-keto-3-methylvalerate, KMV), 페닐피루빈산(phenylpyruvate, PP) 및 2-케토발레르산(2-ketovalerate, KV)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는, PLP를 이용한 대장균 기반의 고급 알코올 생산 방법.
The method of claim 1, wherein the 2-keto acid of step i) is selected from the group consisting of 2-ketoisovalerate, KIV, 2-ketoisocaproate, Characterized in that it is at least one selected from the group consisting of 2-keto-3-methylvalerate, KMV, phenylpyruvate (PP) and 2-ketovalerate (KV) To produce a high-alcohol-based Escherichia coli using PLP.
제 1항에 있어서, 상기 단계 ii)의 대장균은 KivD와 함께 알코올 탈수소효소(alcohol dehydrogenase, ADH)를 공동-발현하는 것을 특징으로 하는, PLP를 이용한 대장균 기반의 고급 알코올 생산 방법.
The method according to claim 1, wherein the Escherichia coli in step ii) co-expresses an alcohol dehydrogenase (ADH) with KivD.
제 1항에 있어서, 상기 고급 알코올은 이소부탄올(isobutanol), 2-메틸부탄올(2-methylbutanol), 3-메틸부탄올(3-methylbutanol), 2-페닐에탄올(2-phenylethanol) 및 부탄올(butanol)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는, PLP를 이용한 대장균 기반의 고급 알코올 생산 방법.
The method of claim 1, wherein the higher alcohol is selected from the group consisting of isobutanol, 2-methylbutanol, 3-methylbutanol, 2-phenylethanol, Wherein the PLP-based high-alcohol production method is based on E. coli.
PLP 및 Cu를 첨가한 배지에 KivD 및 ADH를 공동발현하는 재조합 대장균을 접종하여 배양하는 단계를 포함하는, PLP를 이용한 대장균 기반의 고급 알코올 생산 방법.
PLP and Cu in a culture medium containing a recombinant Escherichia coli co-expressing KivD and ADH, and culturing.
제 7항에 있어서, 상기 배지는 발린, 류신, 이소류신, 페닐알라닌 및 노발린으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 아미노산을 포함하는 것을 특징으로 하는, PLP를 이용한 대장균 기반의 고급 알코올 생산 방법.
The method according to claim 7, wherein the culture medium contains at least one amino acid selected from the group consisting of valine, leucine, isoleucine, phenylalanine and novaline.
제 7항에 있어서, 상기 배지는 음식물 쓰레기, 가축 분뇨 또는 생활 폐수 중 어느 하나인 유기성 폐기물인 것을 특징으로 하는, PLP를 이용한 대장균 기반의 고급 알코올 생산 방법.
[8] The method of claim 7, wherein the culture medium is an organic waste selected from the group consisting of food waste, livestock manure, and domestic wastewater.
제 7항에 있어서, 상기 고급 알코올은 이소부탄올, 2-메틸부탄올, 3-메틸부탄올, 2-페닐에탄올 및 부탄올로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는, PLP를 이용한 대장균 기반의 고급 알코올 생산 방법.
8. The method according to claim 7, wherein the higher alcohol is at least one selected from the group consisting of isobutanol, 2-methylbutanol, 3-methylbutanol, 2-phenylethanol and butanol. Alcohol production method.
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