KR20220136947A - Recombinant microalga with highly improved tolerances towards high CO2 and/or low pH conditions - Google Patents

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KR20220136947A
KR20220136947A KR1020220040865A KR20220040865A KR20220136947A KR 20220136947 A KR20220136947 A KR 20220136947A KR 1020220040865 A KR1020220040865 A KR 1020220040865A KR 20220040865 A KR20220040865 A KR 20220040865A KR 20220136947 A KR20220136947 A KR 20220136947A
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고려대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a genetically modified microalgal strain Chlamydomonas reinhardtii PMA4ΔCter-V4 derived from Chlamydomonas reinhardtii, and uses thereof. A gene encoding a PMA protein is introduced into recombinant microalgae according to the present invention.

Description

고농도 CO2 및/또는 산성에 대한 내성이 증진된 재조합 미세조류{Recombinant microalga with highly improved tolerances towards high CO2 and/or low pH conditions}Recombinant microalga with highly improved tolerances towards high CO2 and/or low pH conditions

본 발명은 고농도 CO2 및/또는 낮은 pH (산성) 환경에 대한 내성이 향상된 신규 재조합 미세조류 균주에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 클라미도모나스 레인하티 (Chlamydomonas reinhardtii) 유래의 유전자 변이 미세조류 균주 클라미도모나스 레인하티 PMA4ΔCter-V4과 -V10 및 이의 용도에 관한 것이다.The present invention relates to a novel recombinant microalgal strain with improved resistance to high-concentration CO 2 and/or low pH (acidic) environments, and more particularly, Chlamydomonas reinhardtii-derived genetically modified microalgal strain Clara Midomonas reinhati PMA4ΔCter-V4 and -V10 and uses thereof.

산업 혁명 이후 끊임없이 증가하는 인류발생적 CO2로 인해 지구온난화 및 해양산성화 등 여러 가지 환경 문제가 발생하고 있다. 이를 해결하기 위해 지난 수십 년간 수많은 CO2 포집, 활용 및 저장 기술 (CO2 capture, utilization, and storage; CCUS)이 개발, 제안되어 왔다. 여러 CCUS 기술 가운데 최근 들어 CO2 활용 (CO2 utilization) 기술이 크게 주목을 받고 있는데, 이는 해당 기술을 활용할 경우 CO2 전환을 통해 다양한 유용 물질을 생산할 수 있어 CO2 감축에 직접적인 기 여하면서도 여타 CO2 포집 및 저장 (CO2 capture and storage; CCS) 기술, 즉 단순히 산업 활동에 의해 발생하는 CO2를 포집하고 거대한 저장소에 격리하는 기술의 가장 큰 문제점인 부족한 기술 경제성을 극복할 수 있는 장점을 가지기 때문이다. CO2 전환 기술은 사용 플랫폼에 따라 크게 화학적 전환, 생물학적 전환 기술로 분류할 수 있는데, 이 중 생물학적 전환 기술이 화학적 전환 방식에 비해 보다 안정적이고 지속 가능성이 높아 각광을 받고 있다. 그 이유는, 생물학적 CO2 전환의 대표 메커니즘인 광합성은 상온, 상압 상의 조건에서 외부 에너지 투입 없이 무제한 공급이 가능한 태양광을 활용하여 구동이 가능하기 때문에, 이에 따라 높은 경제성 및 전주기적 관점에서 월등한 CO2 저감 효과의 증대를 기대할 수 있기 때문이다.Various environmental problems such as global warming and ocean acidification are occurring due to the constantly increasing anthropogenic CO 2 since the industrial revolution. To solve this problem, numerous CO 2 capture, utilization, and storage technologies (CO 2 capture, utilization, and storage; CCUS) have been developed and proposed over the past few decades. Among the various CCUS technologies, CO 2 utilization technology has recently received a lot of attention, which can produce a variety of useful substances through CO 2 conversion, which directly contributes to CO 2 reduction and other CO 2 2 Because it has the advantage of overcoming the lack of technological economics, the biggest problem of CO2 capture and storage (CCS) technology, that is, the technology that simply captures CO 2 generated by industrial activities and isolates it in huge storage. to be. CO 2 conversion technology can be largely classified into chemical conversion and biological conversion technology depending on the platform used. Among them, biological conversion technology is attracting attention because it is more stable and more sustainable than chemical conversion method. The reason is that photosynthesis, a representative mechanism of biological CO 2 conversion, can be driven by using sunlight, which can be supplied without external energy, without external energy input at room temperature and pressure, so it is superior in terms of high economic efficiency and life cycle. This is because an increase in the CO 2 reduction effect can be expected.

생물학적 전환 기술의 기반이 되는 여러 종의 생물체 가운데, 미세조류 (광합성 미생물)는 타 생물학적 CO2 전환 플랫폼 생물에 비해 높은 성장성, 이에 따른 높은 CO2 고정 능력으로 빠른 시일 내에 생물학적 CO2 전환 기술을 현실화하게 할 생물종으로 많은 관심을 얻고 있다. 뿐만 아니라 미세조류는 내재적으로 바이오 연료부터 소재, 고부가 영양보조물질 및 약리물질 등 인류가 필요로 하는 대부분의 유용 물질을 생산할 수 있는 능력이 있어 그 가치를 더욱 인정받고 있다. 또한 미세조류 배양 공정은 습식 생물공정으로 산업 CO2 배출원에 직접 연결하여 구동함으로써 배출되는 대량의 CO2에 집약적으로 대응 가능하여 그 활용성이 유망한 것으로 평가되고 있다.Among the various species of organisms that are the basis of biological conversion technology, microalgae (photosynthetic microorganisms) realize biological CO 2 conversion technology in the near future due to their high growth potential and thus high CO 2 fixation ability compared to other biological CO 2 conversion platform organisms. It is attracting a lot of attention as a species to make it happen. In addition, microalgae are recognized for their inherent ability to produce most useful substances needed by mankind, such as biofuels, materials, high value-added nutritional supplements, and pharmacological substances. In addition, the microalgae culture process is a wet biological process, and its utility is evaluated as promising because it can intensively respond to a large amount of CO 2 emitted by directly connecting and driving an industrial CO 2 emission source.

그러나 앞서 언급한 여러 장점에도 불구하고, 미세조류가 실질적으로 활용되기에 생물학적 특징에 기인한 낮은 환경 내성, 그 중에서도 낮은 CO2 내성이 미세조류의 CO2 저감 산업의 중추적 생물학 플랫폼으로 본격적으로 활용하고자 하는 시도에 있어 가장 큰 걸림돌이 되고 있다. 다시 말해 CO2는 미세조류의 광독립 배양 과정에서 단독 탄소원으로 이용되는 중요한 물질이지만, 역설적이게도 일정 농도 이상의 CO2 (약 5% 이상)가 지속적으로 공급될 경우 세포 내부의 과도한 산성화가 유발되어 세포의 활성에 큰 악영향을 미침으로써 CO2 전환능을 저하시키고 결국 세포의 사멸에 이르게 한다. 문제는 일반 산업 공정에서 발생하는 배기가스의 경우 LNG 연소 등 소수의 낮은 CO2 농도를 배출하는 배출원을 제외하면, 대부분이 10% 이상의 고농도 CO2를 함유하고 있어 이를 미세조류 광독립 배양 공정에 적용할 경우, 위의 언급과 같이 많은 경우 세포 활성 저하 및 사멸에 이르는 결과를 얻게 되고, 이 경우 더 이상 CO2를 전환할 주체가 CO2 전환 시스템 상에서 제거되는 효과를 가져오기 때문에, 미세조류를 활용한 CO2의 안정적 전환, 이에 기반한 해당 생물학적 유용 물질 생산 공정의 성공적인 운영을 위해 미세조류의 고농도 CO2에 대한 내성 확보는 극복해야 할 가장 중요한 문제 중 하나이다.However, despite the aforementioned advantages, since microalgae are practically utilized, low environmental tolerance due to biological characteristics, especially low CO 2 tolerance, is intended to be used in earnest as a pivotal biological platform for microalgae CO 2 reduction industry. It is the biggest obstacle to trying. In other words, CO 2 is an important material used as the sole carbon source in the process of photo-independent culture of microalgae, but paradoxically, when CO 2 (about 5% or more) above a certain concentration is continuously supplied, excessive acidification inside the cell is induced. By having a significant adverse effect on cell activity, CO 2 conversion ability is reduced and eventually leads to cell death. The problem is that, in the case of exhaust gases from general industrial processes, most of them contain more than 10% of high-concentration CO 2 , except for sources that emit a small number of low CO 2 concentrations, such as LNG combustion. In this case, as mentioned above, in many cases, the result is reduced cell activity and death, and in this case, the subject to convert CO 2 is removed from the CO 2 conversion system. For the stable conversion of CO 2 and the successful operation of the production process for biologically useful substances based thereon, securing resistance to high concentration of CO 2 of microalgae is one of the most important problems to be overcome.

전술한 기술적 필요성에 의해, 미세조류의 CO2에 대한 불내성 (intolerance)과 관련한 생물학적 메커니즘 분석을 통해 미세조류가 고농도 CO2에 대해 낮은 내성을 보이는 원인을 분석하였고, 그 결과 원형질막 상의 양성자 펌프 (proton pump), 즉 원형질막 양성자-ATP 분해효소 (plasma membrane H+ -ATPase; PMA)의 이상 저발현이 고농도 CO2 공급 시 미세조류 세포 내 과도한 산성화를 유발하는 핵심 원인으로 판단하였으며, 이를 극복하고자 외래 PMA 유전자를 도입한 결과 CO2 내성뿐만 아니라 일반 산성 환경 (낮은 pH)에서도 생존율이 획기적으로 증대됨을 확인하고, 본 발명을 완성하였다.Due to the above-described technical necessity, the cause of microalgae showing low resistance to high concentration of CO 2 was analyzed through biological mechanism analysis related to intolerance of microalgae to CO 2 , and as a result, proton pump (proton) on the plasma membrane pump), that is, abnormal low expression of plasma membrane H+ -ATPase (PMA) was determined to be the key cause of excessive acidification in microalgal cells when high concentration of CO 2 is supplied. To overcome this, exogenous PMA gene As a result of introducing CO 2 , it was confirmed that the survival rate was remarkably increased not only in CO 2 resistance but also in a general acidic environment (low pH), and the present invention was completed.

본 발명의 하나의 목적은 PMA 단백질을 코딩하는 유전자가 도입된 재조합 미세조류를 제공하는 것이다. One object of the present invention is to provide a recombinant microalgae into which a gene encoding a PMA protein is introduced.

본 발명의 다른 하나의 목적은 PMA 단백질의 활성이 강화된 고농도 CO2 또는 산성에 대한 내성이 증진된 재조합 미세조류를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a recombinant microalgae with enhanced resistance to high concentration CO 2 or acid with enhanced PMA protein activity.

본 발명의 또 다른 하나의 목적은 상기 재조합 미세조류를 배양하는 단계를 포함하는 바이오매스 또는 바이오연료 생산방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for producing biomass or biofuel comprising the step of culturing the recombinant microalgae.

본 발명의 또 다른 하나의 목적은 상기 재조합 미세조류를 배양하는 단계를 포함하는 바이오매스 또는 바이오연료 생산성 증진방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for enhancing the productivity of biomass or biofuel comprising the step of culturing the recombinant microalgae.

본 발명의 또 다른 하나의 목적은 PMA 단백질을 코딩하는 폴리뉴클레오티드에서 자가억제 부위를 암호화하는 C-말단의 서열 일부가 제거된 폴리뉴클레오티드의 단편; 및 상기 단편에 링커로 작동가능하게 연결된 형광단백질을 코딩하는 폴리뉴클레오티드를 포함하는, PMA 단백질 과발현용 발현 카세트를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is a fragment of a polynucleotide in which a portion of the C-terminal sequence encoding a self-repression site has been removed from a polynucleotide encoding a PMA protein; and a polynucleotide encoding a fluorescent protein operably linked to the fragment by a linker, to provide an expression cassette for overexpression of PMA protein.

본 발명의 또 다른 하나의 목적은 상기 발현 카세트를 포함하는 발현 벡터를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide an expression vector comprising the expression cassette.

본 발명의 또 다른 하나의 목적은 상기 발현 벡터가 도입된 형질전환체를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a transformant into which the expression vector is introduced.

본 발명의 또 다른 하나의 목적은 형질전환체를 배양하는 단계를 포함하는 바이오매스 또는 바이오연료 생산방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for producing biomass or biofuel comprising the step of culturing a transformant.

본원에서 개시되는 각각의 설명 및 실시형태는 각각의 다른 설명 및 실시 형태에도 적용될 수 있다. 즉, 본원에서 개시된 다양한 요소들의 모든 조합이 본 발명의 범주에 속한다. 또한, 하기 기술되는 구체적인 서술에 의하여 본 발명의 범주가 제한된다고 할 수 없다.Each description and embodiment disclosed herein is also applicable to each other description and embodiment. That is, all combinations of the various elements disclosed herein are within the scope of the present invention. In addition, it cannot be said that the scope of the present invention is limited by the specific descriptions described below.

또한, 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 통상의 실험만을 사용하여 본 출원에 기재된 본 발명의 특정 양태에 대한 다수의 등가물을 인지하거나 확인할 수 있다. 또한, 이러한 등가물은 본 발명에 포함되는 것으로 의도된다.In addition, those skilled in the art will recognize, or be able to ascertain using no more than routine experimentation, many equivalents to the specific embodiments of the invention described herein. Also, such equivalents are intended to be encompassed by the present invention.

아울러, 본원의 명세서 전체에 있어서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.In addition, throughout the specification of the present application, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further included, rather than excluding other components unless otherwise stated. do.

본 발명은 고농도 CO2 및/또는 낮은 pH (산성) 환경에 대한 내성이 향상된 신규 재조합 미세조류 균주로서, 클라미도모나스 레인하티 (Chlamydomonas reinhardtii) 유래의 유전자 변이 미세조류 균주 Chlamydomonas reinhardtii PMA4 ΔCter-V4, 및 이를 활용하여 CO2를 바이오매스 및 바이오 연료로 전환하는 방법에 관한 것이다.The present invention is a novel recombinant microalgal strain with improved resistance to high-concentration CO 2 and/or low pH (acidic) environment, Chlamydomonas reinhardtii-derived genetically modified microalgal strain Chlamydomonas reinhardtii PMA4 ΔCter-V4, And it relates to a method of converting CO 2 into biomass and biofuel by using the same.

본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 방안으로서, 미세조류의 CO2에 대한 불내성 (intolerance)과 관련한 생물학적 메커니즘 분석을 통해 미 세조류가 고농도 CO2에 대해 낮은 내성을 보이는 원인을 분석하였고, 그 결과 원형질 막상의 양성자 펌프 (proton pump), 즉 원형질막 양성자-ATP 분해효소 (plasma membrane H+ -ATPase; PMA)의 이상 저발현이 고농도 CO2 공급 시 미세조류 세포 내 과도한 산성화를 유발하는 핵심 원인으로 판단하였으며, 이를 극복하고자 외래 PMA 유전자를 도입한 결과, CO2 내성뿐만 아니라 일반 산성 환경 (낮은 pH)에서도 생존율이 획기적으로 증대됨을 확인함으로써 완성되었다.As a method to solve the problems of the prior art, the present invention analyzed the cause of microalgae showing low resistance to high concentration of CO 2 through the analysis of biological mechanisms related to intolerance to CO 2 of microalgae, and the Results Aberrant and low expression of the proton pump of the plasma membrane, that is, plasma membrane H+ -ATPase (PMA), is judged to be a key cause of excessive acidification in microalgal cells when high-concentration CO 2 is supplied. As a result of introducing a foreign PMA gene to overcome this, it was completed by confirming that the survival rate was dramatically increased not only in CO 2 resistance but also in a general acidic environment (low pH).

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 일 양태로 PMA 단백질을 코딩하는 유전자가 도입된 재조합 미세조류를 제공할 수 있다. In order to achieve the above object, in one aspect, the present invention may provide a recombinant microalgae into which a gene encoding a PMA protein is introduced.

또한, 다른 양태로 PMA 단백질의 활성이 강화된 고농도 CO2 또는 산성에 대한 내성이 증진된 재조합 미세조류를 제공할 수 있다.In addition, in another aspect, it is possible to provide a recombinant microalgae with enhanced resistance to high concentration CO 2 or acid with enhanced activity of the PMA protein.

본 발명에서 용어, “미세조류”는 광합성 작용을 하는 수중에 존재하는 식물 플랑크톤을 말한다. 50여만 종으로 해양 또는 담수에 존재하고, 온천, 심해 등의 열악한 환경에서도 생명력을 가지며, 바이오 연료 및 기능성 단백질로서 활용도가 높다고 보고된다.As used herein, the term “microalgae” refers to phytoplankton present in water that performs photosynthesis. It is reported that over 500,000 species exist in the ocean or freshwater, have vitality in harsh environments such as hot springs and deep sea, and have high utility as biofuels and functional proteins.

본 발명의 미세조류는 미세조류에서 특정 단백질을 발현하도록 변형된 재조합 미세조류일 수 있다. The microalgae of the present invention may be recombinant microalgae modified to express a specific protein in the microalgae.

구체적으로, 상기 “재조합 미세조류”는 PMA 단백질을 발현하도록 변형된 미세조류일 수 있으며, 구체적으로는 PMA 단백질이 발현되지 않은 모균주에 비하여 고농도 CO2 및/또는 산성에 대한 내성이 증진된 것일 수 있다.Specifically, the "recombinant microalgae" may be microalgae modified to express PMA protein, and specifically, high-concentration CO 2 and/or resistance to acidity is enhanced compared to the parent strain in which the PMA protein is not expressed. can

본 발명에서 용어, “PMA 단백질”은 원형질막 양성자-ATP 분해효소 (plasma membrane H+ -ATPase; PMA)로 원형질만 양성자 펌프라고도 불린다. 원형질막 양성자 운반 ATP 분해효소는 주로 곰팡이 또는 식물의 원형질막에서 발견되는 일종의 가수분해효소(hydrolase)이자 기전성 펌프(electrogenic pump)로서, ATP 가수분해를 이용하여 원형질막을 가로질러 양성자(H+)의 능동수송(active transport)을 일으킨다. 원형질막 양성자 운반 ATP 분해효소의 활성은 세포막을 가로질러 전기화학적 기울기(electrochemical gradients)를 형성하기 때문에 다른 대사산물들과 이온들의 2차 수송(secondary transport)을 일으키게 되며, 이에 따라 다양한 대사산물들의 세포내 수송과 환경에 따른 식물의 반응 등을 포함하여 다양한 대사 과정이 촉진된다.As used herein, the term “PMA protein” is a plasma membrane H+-ATPase (PMA), also called a proton pump only for plasma. Plasma membrane proton transport ATP lyase is a type of hydrolase and electrogenic pump mainly found in the plasma membrane of fungi or plants. It causes active transport. Since the activity of plasma membrane proton transport ATP lyase forms electrochemical gradients across the cell membrane, secondary transport of other metabolites and ions occurs. Various metabolic processes are promoted, including transport and the response of plants to the environment.

상기 PMA 단백질은 니코티아나 플럼배지니폴리아 (Nicotiana plumbaginifolia) 유래 PMA4 단백질일 수 있다. 상기 PMA4 단백질은 종의 장벽 없이 발현 가능하다. The PMA protein may be a PMA4 protein derived from Nicotiana plumbaginifolia. The PMA4 protein can be expressed without a species barrier.

상기 PMA4 단백질은 공지된 데이터 베이스인 NCBI Genbank에서 확인할 수 있다. 또한 이에 상응하는 활성을 가지면서 다른 유래의 단백질이라면 제한없이 포함될 수 있다. 구체적으로는, 상기 단백질은 서열번호 1의 아미노산 서열을 포함하는 단백질일 수 있으며, 서열번호 1의 아미노산 서열로 구성되는 단백질, 서열번호 1의 아미노산 서열로 이루어진 단백질, 또는 서열번호 1의 아미노산 서열을 갖는 단백질과 혼용되어 사용될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The PMA4 protein can be identified in NCBI Genbank, a known database. In addition, if it is a protein of other origin while having a corresponding activity, it may be included without limitation. Specifically, the protein may be a protein comprising the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1, a protein consisting of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1, a protein consisting of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1, or the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1 It may be used in combination with a protein having, but is not limited thereto.

상기 단백질은 서열번호 1 및/또는 상기 서열번호 1과 적어도 70%, 80%, 85%, 90%, 95%, 96%, 97%, 98%, 또는 99% 이상의 상동성(homology) 또는 동일성(identity)을 가지는 아미노산 서열일 수 있다. 또한, 이러한 상동성 또는 동일성을 가지며 상기 단백질에 상응하는 효능을 나타내는 아미노산 서열이라면, 일부 서열이 결실, 변형, 치환 또는 부가된 아미노산 서열을 갖는 보조 단백질도 본 출원의 범위 내에 포함됨은 자명하다.The protein has at least 70%, 80%, 85%, 90%, 95%, 96%, 97%, 98%, or 99% homology or identity to SEQ ID NO: 1 and/or SEQ ID NO: 1 (identity) may be an amino acid sequence having. In addition, it is apparent that an accessory protein having an amino acid sequence in which some sequences are deleted, modified, substituted or added is also included within the scope of the present application, as long as the amino acid sequence has such homology or identity and exhibits efficacy corresponding to the protein.

더불어, 공지의 유전자 서열로부터 조제될 수 있는 프로브, 예를 들면, 상기 폴리펩티드를 암호화하는 염기서열의 전체 또는 일부에 대한 상보 서열과 엄격한 조건 하에 하이브리드화되는 폴리뉴클레오티드에 의해 코딩되는 폴리펩티드로서, PMA 활성을 갖는 폴리펩티드도 제한 없이 포함될 수 있다.In addition, as a polypeptide encoded by a polynucleotide that hybridizes under stringent conditions with a probe that can be prepared from a known gene sequence, for example, a sequence complementary to all or part of a nucleotide sequence encoding the polypeptide, PMA activity Polypeptides having a can also be included without limitation.

상기 PMA4 단백질은 서열번호 2의 폴리뉴클레오티드 서열로 코딩되는 것일 수 있다. The PMA4 protein may be encoded by the polynucleotide sequence of SEQ ID NO: 2.

상기 PMA4 단백질은 상기 단백질과 서열은 다르나 기능이 동일한 기능적인 단편을 포함할 수 있다. The PMA4 protein may include a functional fragment having the same function but different in sequence from the protein.

본 발명에서 용어, “기능적인 단편”은 상기 단백질에 상응하는 효능을 나타내는 아미노산 서열을 의미하는 것으로서, 상기 단백질의 아미노산 서열의 일부 서열이 결실, 변형, 치환 또는 부가된 아미노산 서열을 갖는 단백질도 상기 단백질과 상응하는 활성을 갖는다면, 본 출원의 범위 내에 포함됨은 자명하며, 이는 본 출원의 목적상 기능적 단편이라고 할 수 있다.As used herein, the term “functional fragment” refers to an amino acid sequence exhibiting efficacy corresponding to the protein, and a protein having an amino acid sequence in which a partial sequence of the amino acid sequence of the protein is deleted, modified, substituted or added is also described above. If it has an activity corresponding to that of a protein, it is obvious that it is included within the scope of the present application, and it can be referred to as a functional fragment for the purpose of the present application.

구체적으로는 상기 기능적인 단편은 상기 PMA4 단백질에서 일부 서열이 결실된 아미노산 서열일 수 있으며, 보다 구체적으로는, 상기 PMA4 단백질의 자가억제 부위를 암호화하는 C-말단의 서열 일부가 제거된 단편인 것일 수 있고, 보다 더 구체적으로 PMA4 전장 단백질의 C-말단에서 단백질의 자가억제 도메인인 100개의 아미노산 서열이 제거된 것일 수 있다. Specifically, the functional fragment may be an amino acid sequence in which a partial sequence is deleted from the PMA4 protein, and more specifically, a fragment in which a portion of the C-terminal sequence encoding the self-repression site of the PMA4 protein is removed. Or, more specifically, the 100 amino acid sequence that is the self-repression domain of the protein may be removed from the C-terminus of the PMA4 full-length protein.

상기 PMA4 전장 단백질의 C-말단에서 단백질의 자가억제 도메인인 100개의 아미노산 서열이 제거된 서열은 서열번호 3의 아미노산 서열일 수 있으며, 상기 서열번호 3의 아미노산 서열은 서열번호 4의 폴리뉴클레오티드 서열로 코딩된 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. The sequence in which 100 amino acid sequences, which are self-repression domains of the protein, are removed from the C-terminus of the PMA4 full-length protein may be the amino acid sequence of SEQ ID NO: 3, and the amino acid sequence of SEQ ID NO: 3 is the polynucleotide sequence of SEQ ID NO: 4 It may be coded, but is not limited thereto.

상기 용어, “자가억제 도메인”은 PMA4 단백질 스스로가 발현을 억제할 수 있는 도메인을 의미한다. As used herein, the term “self-repression domain” refers to a domain capable of inhibiting expression of the PMA4 protein itself.

상기 단백질의 기능적 단편은 서열번호 3 및/또는 상기 서열번호 3과 적어도 70%, 80%, 85%, 90%, 95%, 96%, 97%, 98%, 또는 99% 이상의 상동성(homology) 또는 동일성(identity)을 가지는 아미노산 서열일 수 있다. 또한, 이러한 상동성 또는 동일성을 가지며 상기 단백질에 상응하는 효능을 나타내는 아미노산 서열이라면, 일부 서열이 결실, 변형, 치환 또는 부가된 아미노산 서열을 갖는 보조 단백질도 본 출원의 범위 내에 포함됨은 자명하다.The functional fragment of the protein has at least 70%, 80%, 85%, 90%, 95%, 96%, 97%, 98%, or 99% homology to SEQ ID NO: 3 and/or SEQ ID NO: 3 ) or an amino acid sequence having identity. In addition, it is apparent that an accessory protein having an amino acid sequence in which some sequences are deleted, modified, substituted or added is also included within the scope of the present application, as long as the amino acid sequence has such homology or identity and exhibits efficacy corresponding to the protein.

또한, 본 발명은 상기 유전 서열을 모균주의 코돈 출연 빈도에 기반하여 코돈 최적화한 서열도 포함할 수 있음이 자명하다.In addition, it is apparent that the present invention may also include a sequence in which the genetic sequence is codon-optimized based on the codon appearance frequency of the parent strain.

본 발명에서 용어 "폴리뉴클레오티드"는 DNA 또는 RNA 분자를 포괄적으로 포함하는 의미를 가지며, 폴리뉴클레오티드에서 기본 구성 단위인 뉴클레오티드는 천연 뉴클레오티드 뿐만 아니라, 당 또는 염기 부위가 변형된 유사체도 포함할 수 있다(Scheit, Nucleotide Analogs, John Wiley, New York(1980); Uhlman 및 Peyman, Chemical Reviews, 90:543-584(1990) 참조).In the present invention, the term "polynucleotide" has a meaning to encompass DNA or RNA molecules, and nucleotides, which are basic structural units in polynucleotides, may include not only natural nucleotides, but also analogs in which sugar or base sites are modified ( Scheit, Nucleotide Analogs, John Wiley, New York (1980); see Uhlman and Peyman, Chemical Reviews, 90:543-584 (1990)).

상기 서열번호 1 또는 3의 아미노산 서열을 포함하는 단백질을 코딩하는 폴리뉴클 레오티드는 PMA4 단백질 또는 이의 기능적 단편의 활성을 갖는 단백질을 코딩할 수 있는 서열이라면 제한 없이 포함될 수 있다. The polynucleotide encoding the protein comprising the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1 or 3 may be included without limitation as long as it is a sequence capable of encoding a protein having the activity of the PMA4 protein or a functional fragment thereof.

본 출원에서 용어, 단백질이 "발현되도록/되는"은 목적 단백질이 미생물 내에 도입되거나, 미생물내 존재하는 단백질인 경우 내재적 또는 변형전에 비하여 그 활성이 강화된 상태를 의미한다.In the present application, the term, "to be expressed / to be expressed" a protein refers to a state in which the activity of the target protein is enhanced compared to that before intrinsic or modified when the target protein is introduced into a microorganism or exists in a microorganism.

구체적으로, "단백질의 도입" 은, 미생물이 본래 가지고 있지 않았던 특정 단백질의 활성을 나타나게 되는 것 또는 해당 단백질의 내재적 활성 또는 변형 전 활성에 비하여 향상된 활성을 나타나게 되는 것을 의미한다. 예를 들어, 특정 단백 질을 코딩하는 폴리뉴클레오티드가 미생물 내 염색체로 도입되거나, 특정 단백질을 코딩하는 폴리뉴클레오티드를 포함하는 단편 또는 벡터가 미생물 내로 도입되어 이의 활성이 나타나는 것일 수 있다. "내재적 활성"은 자연적, 또는 인위적 요인에 의한 유전적 변이로 미생물의 형질이 변화하는 경우, 형질 변화 전 모균주가 본래 가지고 있던 특정 단백질의 활성을 말한다.Specifically, "introduction of protein" means that the activity of a specific protein that the microorganism did not originally have or exhibited an improved activity compared to the intrinsic activity or activity before modification of the protein. For example, a polynucleotide encoding a specific protein may be introduced into a chromosome in a microorganism, or a fragment or vector containing a polynucleotide encoding a specific protein may be introduced into the microorganism to exhibit its activity. "Intrinsic activity" refers to the activity of a specific protein originally possessed by the parent strain before the transformation when the trait of a microorganism is changed due to genetic variation caused by natural or artificial factors.

상기 특정 단백질 및/또는 유전자의 활성을 도입, 강화, 불활성화 하는 방법 은 미생물이 가진 특징에 따라 당해 분야에 공지된 적합한 방법을 이용하여 수행될 수 있다.The method for introducing, enhancing, and inactivating the activity of the specific protein and/or gene may be performed using a suitable method known in the art according to the characteristics of the microorganism.

본 출원에서 용어, 단백질의 활성의 "강화"는 상기 단백질의 활성이 도입되거나, 또는 내재적 활성에 비하여 증가되는 것을 의미한다. 상기 활성의 "도입"은, 자연적 혹은 인위적으로 미생물이 본래 가지고 있지 않았던 특정 폴리펩타이드의 활성이 나타나게 되는 것을 의미한다.As used herein, the term “enhancement” of the activity of a protein means that the activity of the protein is introduced or increased compared to the intrinsic activity. The "introduction" of the activity means that the activity of a specific polypeptide that the microorganism did not originally have naturally or artificially appears.

본 출원에서 용어, 단백질의 활성이 내재적 활성에 비하여 "증가"한다는 것 은, 미생물이 가진 단백질의 내재적 활성 또는 변형 전 활성에 비하여 활성이 향상된 것을 의미한다. 상기 "내재적 활성"은, 자연적 또는 인위적 요인에 의한 유전적 변이로 미생물의 형질이 변화하는 경우, 형질 변화 전 모균주 또는 비변형 미생물 이 본래 가지고 있던 특정 단백질의 활성을 말한다. 변형 전 활성으로 혼용되어 사용될 수 있다. 상기 활성 증가는, 외래의 단백질을 도입하는 것과, 내재적인 단백 질의 활성 강화를 모두 포함할 수 있다. 상기 단백질의 활성 증가/강화는, 유전자의 발현 증가/강화에 의해 달성될 수 있다.As used herein, the term "increased" in the activity of a protein compared to the intrinsic activity means that the activity is improved compared to the intrinsic activity or the activity before modification of the protein of the microorganism. The "intrinsic activity" refers to the activity of a specific protein originally possessed by the parent strain or unmodified microorganism before the transformation when the trait of the microorganism is changed due to genetic mutation caused by natural or artificial factors. It can be used in combination with the activity before modification. The increase in activity may include both introducing an exogenous protein and enhancing the activity of an intrinsic protein. Increasing/enhancing the activity of the protein may be achieved by increasing/enhancing the expression of a gene.

구체적으로, 본 출원에서 활성 증가는,Specifically, in the present application, the increase in activity is

1) 상기 단백질을 암호화하는 폴리뉴클레오티드의 카피수 증가,1) increasing the number of copies of the polynucleotide encoding the protein;

2) 상기 폴리뉴클레오티드의 발현이 증가하도록 발현조절 서열의 변형,2) modification of the expression control sequence to increase the expression of the polynucleotide,

3) 상기 단백질의 활성이 강화되도록 염색체 상의 폴리뉴클레오티드 서열의 변형,3) modification of the polynucleotide sequence on the chromosome to enhance the activity of the protein;

4) 상기 단백질의 활성을 나타내는 외래 폴리뉴클레오티드 또는 상기 폴리뉴클레오티드의 코돈 최적화된 변이형 폴리뉴클레오티드의 도입, 또는4) introduction of a foreign polynucleotide exhibiting the activity of the protein or a codon-optimized mutant polynucleotide of the polynucleotide, or

5) 이의 조합에 의해 강화되도록 변형하는 방법 등에 의하여 수행될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.5) It may be performed by a method of deforming to be strengthened by a combination thereof, but is not limited thereto.

상기 1) 폴리뉴클레오티드의 카피수 증가는, 특별히 이에 제한되지 않으나, 벡터에 작동 가능하게 연결된 형태로 수행되거나, 숙주세포 내의 염색체 내로 삽입됨으로써 수행될 수 있다. 구체적으로, 숙주와 무관하게 복제되고 기능할 수 있는 벡터에 본원의 단백질을 암호화하는 폴리뉴클레오티드가 작동 가능하게 연결되어 숙주세포 내에 도입됨으로써 수행될 수 있거나, 숙주세포 내의 염색체 내로 상기 폴리뉴클레오티드를 삽입시킬 수 있는 벡터에 상기 폴리뉴클레오티드가 작동 가능 하게 연결되어 숙주세포 내에 도입됨으로써 상기 숙주세포의 염색체 내 상기 폴리뉴클레오티드의 카피수를 증가하는 방법으로 수행될 수 있다.1) The increase in the copy number of the polynucleotide is not particularly limited thereto, but may be performed in a form operably linked to a vector or inserted into a chromosome in a host cell. Specifically, the polynucleotide encoding the protein of the present disclosure is operably linked to a vector capable of replicating and functioning independently of the host and introduced into a host cell, or inserting the polynucleotide into a chromosome in the host cell. The polynucleotide is operably linked to a capable vector and introduced into a host cell, thereby increasing the number of copies of the polynucleotide in the chromosome of the host cell.

다음으로, 2) 폴리뉴클레오티드의 발현이 증가하도록 발현조절 서열의 변형 은, 특별히 이에 제한되지 않으나, 상기 발현조절 서열의 활성을 더욱 강화하도록 핵산 서열을 결실, 삽입, 비보전적 또는 보전적 치환 또는 이들의 조합으로 서열상의 변이를 유도하여 수행하거나, 더욱 강한 활성을 가지는 핵산 서열로 교체함에 의하여 수행될 수 있다. 상기 발현조절 서열은, 특별히 이에 제한되지 않으나 프로 모터, 오퍼레이터 서열, 리보좀 결합 부위를 코딩하는 서열, 전사 및 해독의 종결을 조절하는 서열 등을 포함할 수 있다.Next, 2) modification of the expression control sequence so as to increase the expression of the polynucleotide, but is not particularly limited thereto, deletion, insertion, non-conservative or conservative substitution of the nucleic acid sequence to further enhance the activity of the expression control sequence, or these It can be carried out by inducing a mutation in the sequence with a combination of The expression control sequence is not particularly limited thereto, but may include a promoter, an operator sequence, a sequence encoding a ribosome binding site, a sequence controlling the termination of transcription and translation, and the like.

상기 폴리뉴클레오티드 발현 단위의 상부에는 본래의 프로모터 대신 강력한 이종 프로모터가 연결될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 아울러, 3) 염색체 상의 폴리뉴클레오티드 서열의 변형은, 특별히 이에 제한되지 않으나, 상기 폴리뉴클레오티드 서열의 활성을 더욱 강화하도록 핵산 서열을 결실, 삽입, 비보전적 또는 보전적 치환 또는 이들의 조합으로 발현조절 서열상의 변이를 유도하여 수행하거나, 더욱 강한 활성을 갖도록 개량된 폴리뉴클레오티드 서열로 교체함에 의하여 수행될 수 있다.A strong heterologous promoter may be linked to the upper portion of the polynucleotide expression unit instead of the original promoter, but is not limited thereto. In addition, 3) the modification of the polynucleotide sequence on the chromosome is not particularly limited thereto, but the expression control sequence by deletion, insertion, non-conservative or conservative substitution of the nucleic acid sequence or a combination thereof to further enhance the activity of the polynucleotide sequence. It can be carried out by inducing a mutation in the phase, or by replacing it with an improved polynucleotide sequence to have stronger activity.

또한, 4) 외래 폴리뉴클레오티드 서열의 도입은, 상기 단백질과 동일/유사한 활성을 나타내는 단백질을 암호화하는 외래 폴리뉴클레오티드, 또는 이의 코돈 최적화된 변이형 폴리뉴클레오티드를 숙주세포 내로 도입하여 수행될 수 있다. 상기 외래 폴리뉴클레오티드는 상기 단백질과 동일/유사한 활성을 나타내는 한 그 유래나 서열에 제한 없이 사용될 수 있다. 또한 도입된 상기 외래 폴리뉴클레오티드가 숙주세포 내에서 최적화된 전사, 번역이 이루어지도록 이의 코돈을 최적화하여 숙주세포 내로 도입할 수 있다. 상기 도입은 공지된 형질전환 방법을 당업자가 적절히 선택하여 수행될 수 있으며, 숙주 세포 내에서 상기 도입된 폴리뉴클레오티드가 발현됨으로써 단백질이 생성되어 그 활성이 증가될 수 있다.In addition, 4) introduction of a foreign polynucleotide sequence, a foreign polynucleotide encoding a protein exhibiting the same/similar activity as the protein, or a codon-optimized mutant polynucleotide thereof may be introduced into a host cell. The foreign polynucleotide may be used without limitation in origin or sequence as long as it exhibits the same/similar activity as the protein. In addition, the introduced foreign polynucleotide may be introduced into the host cell by optimizing its codon so that the optimized transcription and translation are performed in the host cell. The introduction can be performed by appropriately selecting a known transformation method by those skilled in the art, and the introduced polynucleotide is expressed in a host cell to generate a protein and increase its activity.

마지막으로, 5) 상기 1) 내지 4)의 조합에 의해 강화되도록 변형하는 방법 은, 상기 단백질을 암호화하는 폴리뉴클레오티드의 카피수 증가, 이의 발현이 증가하도록 발현조절 서열의 변형, 염색체 상의 상기 폴리뉴클레오티드 서열의 변형 및 상기 단백질의 활성을 나타내는 외래 폴리뉴클레오티드 또는 이의 코돈 최적화된 변이형 폴리뉴클레오티드의 변형 중 하나 이상의 방법을 함께 적용하여 수행될 수 있다.Finally, 5) the method of modifying to be enhanced by the combination of 1) to 4) above, increasing the copy number of the polynucleotide encoding the protein, modifying the expression control sequence to increase its expression, the polynucleotide on the chromosome Modification of the sequence and modification of a foreign polynucleotide exhibiting the activity of the protein or a codon-optimized mutant polynucleotide thereof may be applied together to perform at least one method.

본 발명에서 사용되는 용어 "CO2 내성 및/또는 산성에 대한 내성이 강화된 재조합 미세조류"란, 종래 CO2 불내성을 가지거나 약한 내성을 가지는 미세조류와 달리, PMA4 단백질의 활성이 강화 또는 발현되도록 변형됨으로써, CO2 내성 및/또는 산성에 대한 내성이 강화된 재조합 미세조류를 의미할 수 있다. The term "recombinant microalgae with enhanced CO 2 tolerance and/or acid tolerance" used in the present invention means that, unlike microalgae with conventional CO 2 intolerance or weak tolerance, the activity of PMA4 protein is enhanced or expressed By being modified as possible, it may mean a recombinant microalgae with enhanced resistance to CO 2 and/or acid.

또한, 상기 "CO2 내성 및/또는 산성에 대한 내성이 강화된 재조합 미세조류 "는 야생형 미세조류이나 자연적 또는 인위적으로 유전적 변형이 일어난 미세조류를 모두 포함하며, 외부 유전자가 삽입되거나 내재적 유전자의 활성이 강화되거나 불활성화되는 등의 원인으로 인해서 특정 기작이 약화되거나 강화된 미생물로서, 목적하는 CO2 내성 및/또는 산성에 대한 내성 강화를 위하여 유전적 변형이 일어나거나 활성을 강화시킨 미세조류 일 수 있다. In addition, the "recombinant microalgae with enhanced resistance to CO 2 resistance and / or acid" includes both wild-type microalgae or microalgae in which genetic modification has occurred naturally or artificially, and external genes are inserted or of endogenous genes Microalgae in which a specific mechanism is weakened or strengthened due to a cause such as activity is enhanced or inactivated, and genetic modification or activity is enhanced to enhance the desired CO 2 resistance and/or resistance to acid can

구체적으로 상기 미세조류는 그 종류가 특별히 제한되지 않으나, 구체적으로는 클라미도모나스(Chlamydomonas) 속일 수 있으며, 보다 구체적으로는 클라미도모나스 레인하티(Chlamydomonas reinhardtii)일 수 있다.Specifically, the type of the microalgae is not particularly limited, but specifically Chlamydomonas may be a genus, and more specifically, may be Chlamydomonas reinhardtii.

상기 “클라미도모나스 레인하티”는 두 개의 편모와 함께 헤엄치는 직경 약 10마이크로미터의 단세포 녹조류로, 하이드록시프롤린이 풍부한 당단백질로 이루어진 세포벽, 커다란 컵 모양의 엽록체, 커다란 피레노이드, 빛을 감지하는 안점을 가지고 있다. The “Chlamydomonas reinhati” is a single-celled green alga with a diameter of about 10 micrometers that swims with two flagella, a cell wall made of hydroxyproline-rich glycoprotein, a large cup-shaped chloroplast, a large pyrenoid, and light have a focus on

클라미도모나스 속 미세조류는 토양과 담수에 전 세계적으로 널리 분포되어 있는데, 그 중 클라미도모나스 레인하티는 연구가 많이 된 생물학적 모델 유기체이며, 부분적으로는 배양이 용이하고 유전학을 조작할 수 있는 능력이 있다. 클라미도모나스 레인하티는 조명이 있을 시 광독립영양적으로 자랄 수 있으나 유기 탄소가 공급되면 어둠 속에서도 자랄 수 있다. 상업적으로 클라미도모나스 레인하티는 바이오 의약품 및 바이오 연료 생산에 관심이 있을 뿐만 아니라 수소를 만드는 데 유용한 연구 도구로 알려져 있다.Microalgae of the genus Chlamydomonas are widely distributed worldwide in soil and freshwater, among which Chlamydomonas reinhati is a well-studied biological model organism, partly because of its ease of culture and ability to manipulate genetics. There is this. Chlamydomonas reinhati can grow photoautotrophically in the presence of light, but can also grow in the dark if organic carbon is supplied. Commercially, Chlamydomonas reinhati is interested in the production of biopharmaceuticals and biofuels, as well as known as a useful research tool for making hydrogen.

상기 클라미도모나스 레인하티는 클라미도모나스 라인하르드티와 혼용되어 사용될 수 있다. The Chlamydomonas reinhatti may be used in combination with Chlamydomonas reinhard tea.

본 발명자들은 이산화탄소 및/또는 산성에 내성이 있는 신균주를 한국생명공학연구원 미생물자원센터에 기탁하여 기탁번호 KCTC14511BP를 부여받았다.The present inventors deposited a new strain resistant to carbon dioxide and/or acid to the Microbial Resource Center of the Korea Research Institute of Bioscience and Biotechnology and were given an accession number KCTC14511BP.

본 출원의 또 다른 하나의 양태는 PMA 단백질을 코딩하는 폴리뉴클레오티드에서 자가억제 부위를 암호화하는 C-말단의 서열 일부가 제거된 폴리뉴클레오티드의 단편; 및 상기 단편에 링커로 작동가능하게 연결된 형광단백질을 코딩하는 폴리뉴클레오티드를 포함하는, PMA 단백질 과발현용 발현 카세트를 제공하는 것이다.Another aspect of the present application provides a fragment of a polynucleotide in which a portion of the sequence at the C-terminus encoding a self-repression site is removed from a polynucleotide encoding a PMA protein; and a polynucleotide encoding a fluorescent protein operably linked to the fragment by a linker, to provide an expression cassette for overexpression of PMA protein.

상기 용어, “PMA 단백질” 및 “PMA 단백질을 코딩하는 폴리뉴클레오티드에서 자가억제 부위를 암호화하는 C-말단의 서열 일부가 제거된 폴리뉴클레오티드의 단편”은 상기에서 설명한 바와 같다. The terms “PMA protein” and “a fragment of a polynucleotide in which a portion of the C-terminal sequence encoding the self-suppression site has been removed from the polynucleotide encoding the PMA protein” are as described above.

본 발명에서 용어, “발현카세트”는 PMA4 단백질 또는 이의 기능적 단편이 발현되도록 폴리펩티드를 암호화하는 폴리뉴클레오티드 서열, 링커 및 형광단백질을 코딩하는 폴리뉴클레오티드 서열을 포함하는 플랫폼을 의미할 수 있다. As used herein, the term “expression cassette” may refer to a platform including a polynucleotide sequence encoding a polypeptide, a linker, and a polynucleotide sequence encoding a fluorescent protein so that the PMA4 protein or a functional fragment thereof is expressed.

또한, 상기 발현카세트는 프로모터 및 선택적으로 인핸서(enhancer) 서열이나 종결서열과 같은 자체의 발현을 조절하는 서열을 포함할 수 있다. In addition, the expression cassette may include a promoter and optionally a sequence controlling the expression of itself, such as an enhancer sequence or a terminator sequence.

상기 용어, “링커”는 PMA4 단백질 또는 이의 기능적 단편을 코딩하는 폴리뉴클레오티드 서열과 형광단백질을 코딩하는 폴리뉴클레오티드 서열을 연결하는 것을 의미하는 것으로서, 발현카세트가 작동가능하도록 연결하는 것이라면 제한없이 포함될 수 있으며, 구체적으로는 GGSGGGSG일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.As used herein, the term “linker” refers to linking a polynucleotide sequence encoding a PMA4 protein or a functional fragment thereof and a polynucleotide sequence encoding a fluorescent protein, and may be included without limitation as long as the expression cassette is operably linked. , specifically, may be GGSGGGSG, but is not limited thereto.

상기 용어 “형광단백질”은 스스로가 가진 폴리펩타이드(polypeptide) 서열(sequence) 내 3개의 아미노산(amino acid)이 발색단(chromophore)을 자체적으로 형성해 가시광 영역의 형광(fluorescence)을 나타내는 단백질을 말한다. 이처럼 독특한 형광 특성을 공유하며 구조적으로 유사한 단백질 군을 모두 형광 단백질로 정의할 수 있으며, 구체적으로는 GFP, mVenus일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.The term "fluorescence protein" refers to a protein that exhibits fluorescence in the visible region by forming a chromophore in its own polypeptide sequence by three amino acids. A group of proteins that share such unique fluorescence properties and are structurally similar can all be defined as fluorescent proteins, and specifically, GFP and mVenus, but are not limited thereto.

본 발명은 또 다른 양태로 상기 발현 카세트를 포함하는 발현 벡터 및 상기 발현 벡터가 도입된 형질전환체를 제공할 수 있다.In another aspect, the present invention may provide an expression vector including the expression cassette and a transformant into which the expression vector is introduced.

본 발명에서 용어, 벡터란 연결되어 있는 다른 핵산을 운반할 수 있는 핵산분자를 의미한다. 벡터의 하나의 유형인 플라스미드는 그 안에 추가적으로 DNA조각을 연결시킬 수 있는 환형의 이중가닥 DNA 루프를 의미한다.As used herein, the term vector refers to a nucleic acid molecule capable of transporting another nucleic acid to which it is linked. A plasmid, a type of vector, refers to a circular double-stranded DNA loop into which additional DNA fragments can be linked.

본 발명의 벡터는 작동 가능하도록 연결된 목적 단백질을 코딩하는 유전자의 발현을 지시할 수 있는데, 이러한 벡터를 발현 벡터라고 한다. 일반적으로, 재조합 DNA 기술의 사용에 있어서 발현 벡터는 플라스미드 형태이다.The vector of the present invention can direct the expression of a gene encoding a target protein operably linked to, such a vector is referred to as an expression vector. Generally, in the use of recombinant DNA technology, the expression vector is in the form of a plasmid.

상기 발현벡터는 숙주세포에 따라, 사용가능한 발현벡터의 종류가 결정될 수 있는데, 미세조류를 숙주로서 사용하는 경우는 발현 벡터로서, 예를 들면 pChlamy_4 벡터를 이용할 수 있으며, 프로모터로서 Hsp70A-Rbc S2를 이용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.As the expression vector, the type of expression vector that can be used may be determined depending on the host cell. When microalgae are used as the host, for example, pChlamy_4 vector may be used as the expression vector, and Hsp70A-Rbc S2 may be used as a promoter. available, but not limited thereto.

미세조류로의 DNA의 도입방법으로서는, 예를 들면 일렉트로포레이션법(Method Enzymol., 194, 182- 187(1990)), 스페로플라스트법(Proc. Natl. Acad. Sci.USA, 84, 1929-1933(1978)), 아세트산리튬법(J. Bacteriol., 153, 163-168(1983)) 등이 이용가능하다.As a method of introducing DNA into microalgae, for example, the electroporation method (Method Enzymol., 194, 182-187 (1990)), the spheroplast method (Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 84, 1929) -1933 (1978)), the lithium acetate method (J. Bacteriol., 153, 163-168 (1983)), etc. are available.

아울러, 상기 발현벡터에는, 목적 유전자의 발현의 억제 또는 증폭, 또는 유도를 위한 각종의 기능을 가진 발현 억제용의 단편이나, 형질전환체의 선택을 위한 마커나 항생물질에 대한 내성유전자, 균체 밖으로의 분비를 목적으로 한 시그널을 코딩하는 유전자, 난발현성 단백질에 적합한 맞춤형 융합인자 등을 추가로 포함할 수도 있다. In addition, the expression vector includes a fragment for suppression of expression having various functions for suppressing, amplifying, or inducing the expression of a target gene, a marker for selection of a transformant, a gene resistant to antibiotics, and outside the cell body. It may further include a gene encoding a signal for the purpose of secretion, a custom fusion factor suitable for a difficult-to-express protein, and the like.

본 발명에서 용어, "형질전환"은 DNA를 숙주세포로 도입하여 DNA가 염색체 외 인자로서 또는 염색체 통합완성에 의해 복제가능하게 되는 것을 의미한다.As used herein, the term "transformation" refers to introducing DNA into a host cell so that the DNA becomes replicable as an extrachromosomal factor or by chromosomal integration completion.

본 발명에 따른 형질전환에 사용되는 숙주 세포는 당업계에 널리 알려져 있는 숙주세포는 어떤 것이나 사용할 수 있으나, 본 발명의 PMA4를 코딩하는 유전자의 도입효율과 발현효율이 높은 숙주를 사용할 수 있는데, 예를 들면 미세조류, 박테리아, 곰팡이, 효모, 식물 또는 동물(예컨대, 포유동물 또는 곤충) 세포를 포함할 수 있다. 바람직하게, 상기 숙주세포는 미세조류일 수 있다. As the host cell used for the transformation according to the present invention, any host cell well known in the art may be used, but a host having high transduction efficiency and expression efficiency of the PMA4 encoding gene of the present invention may be used. for example, microalgal, bacterial, fungal, yeast, plant or animal (eg mammalian or insect) cells. Preferably, the host cell may be a microalgae.

상기 미세조류는 상기에서 설명한 바와 같다. The microalgae are the same as described above.

본 발명은 또 다른 양태로 상기 본 발명의 재조합 미세조류를 배양하는 단계를 포함하는 바이오매스 또는 바이오연료 생산방법을 제공할 수 있다.In another aspect, the present invention may provide a biomass or biofuel production method comprising the step of culturing the recombinant microalgae of the present invention.

또한, 또 다른 양태로 상기 재조합 미세조류를 배양하는 단계를 포함하는 바이오매스 또는 바이오연료 생산성 증진방법을 제공할 수 있다.In addition, in another aspect, it is possible to provide a method for enhancing the productivity of biomass or biofuel comprising the step of culturing the recombinant microalgae.

또한, 또 다른 양태로 본 발명의 형질전환체를 배양하는 단계를 포함하는 바이오매스 또는 바이오연료 생산방법을 제공할 수 있다.In addition, in another aspect, it is possible to provide a method for producing biomass or biofuel comprising the step of culturing the transformant of the present invention.

상기 용어, “재조합 미세조류”는 상기에서 설명한 바와 같다. The term, “recombinant microalgae” is the same as described above.

상기 용어, “배양”은 상기 재조합 미세조류가 성장할 수 있도록 하는 것으로서, 본 발명의 형질전환체를 배양하기 위한 배지 및 배양조건은 숙주 세포에 따라 적절히 선택 이용할 수 있다. 영양배지는 숙주세포의 생육에 필요한 탄소원 무기질소원 또는 유기질소원을 포함하고 있는 것이 바람직하다. 탄소원으로는 글루코오스, 덱스트란, 가용성 전분, 수크로오스, 및 메탄올 등이 예시된다. 무기질소원 또는 유기 질소원으로는 암모늄염류, 질산염류, 아미노산, 콘스팁 리쿼(corn steep liquer), 펩톤, 카제인, 소 추출물, 대두백, 및 감자추출물 등이 예시된다. 필요에 따라 다른 영양소, 예를 들어 염화나트륨, 염화칼슘, 인산이수소나트륨, 염화마그네슘 같은 무기염, 비타민류, 및 항생물질(테트라사이클린, 네오마신, 암피실린, 및 카나마이 신)등을 포함할 수 있다. 배양 시는 세포의 생육과 단백질의 대량 생산에 적합하도록 온도, 배지의 pH 및 배양 시간 등의 조건들을 적절하게 조절할 수 있다.As used herein, the term “culture” is used to allow the recombinant microalgae to grow, and the medium and culture conditions for culturing the transformant of the present invention can be appropriately selected and used according to the host cell. The nutrient medium preferably contains a carbon source, an inorganic nitrogen source or an organic nitrogen source necessary for the growth of host cells. Examples of the carbon source include glucose, dextran, soluble starch, sucrose, and methanol. Examples of the inorganic nitrogen source or organic nitrogen source include ammonium salts, nitrates, amino acids, corn steep liquer, peptone, casein, bovine extract, soybean bag, and potato extract. Other nutrients, such as sodium chloride, calcium chloride, sodium dihydrogen phosphate, magnesium chloride, vitamins, and antibiotics (tetracycline, neomacin, ampicillin, and kanamycin) may be included as needed. . During culturing, conditions such as temperature, pH of the medium, and incubation time can be appropriately adjusted to be suitable for cell growth and mass production of proteins.

보다 구체적으로, 본 발명에서의 상기 배양은 고농도 CO2를 포함하는 산업 배기가스를 활용한 광독립 배양일 수 있다.More specifically, the culture in the present invention may be a photo-independent culture utilizing industrial exhaust gas containing a high concentration of CO 2 .

상기 용어, “광독립 배양”은 광 조건 하에서 독립 배양을 하는 것을 의미할 수 있다.The term, “photoindependent culture” may refer to independent culture under light conditions.

상기 고농도 CO2 배양은 20% CO2를 배양 상부 공간 (head space)에 지속적으로 공급하면서 23 ℃의 온도 조건 하에서 수행될 수 있다. 또한, 상기 고농도 CO2 배양은 50 μmol photons m-2 s-1의 광조건에서 수행될 수 있다. The high-concentration CO 2 culture may be performed under a temperature condition of 23° C. while continuously supplying 20% CO 2 to the culture head space. In addition, the high-concentration CO 2 culture may be performed under a light condition of 50 μmol photons m- 2 s -1 .

본 발명에 따르면, 산업 배기가스 내 포함된 고농도 CO2를 단독 탄소원으로 활용하여 미세조류 바이오매스 및 해당 생물 유래 바이오연료 (바이오디젤)를 생성할 수 있다. 여기서, 산업 배기가스 내 포함된 고농도 CO2를 단독 탄소원으로 활용하여 미세조류 바이오매스 및 해당 생물 유래 바이오연료 (바이오디젤)를 생성할 수 있다. 상기 실제 산업 배기가스를 활용한 바이오매스 및 바이오연료 생 산은 광생물반응기에서 수행되며 고농도 CO2 (CO2 약 13%, 질소 산화물 약 20 ppm, 황 산화물 약 32 ppm)가 포함된 산업 배기가스를 해당 광생물반응기에 0.1 vvm으로 주입하여 수행될 수 있다. According to the present invention, it is possible to generate microalgal biomass and biofuel (biodiesel) derived from the organism by using high-concentration CO 2 contained in industrial exhaust gas as a single carbon source. Here, it is possible to generate microalgal biomass and biofuel (biodiesel) derived from the organism by utilizing the high-concentration CO 2 contained in the industrial exhaust gas as a single carbon source. Biomass and biofuel production using the actual industrial exhaust gas is carried out in a photobioreactor, and industrial exhaust gas containing high concentration of CO 2 (CO 2 about 13%, nitrogen oxides about 20 ppm, sulfur oxides about 32 ppm) is produced. It can be carried out by injecting 0.1 vvm into the corresponding photobioreactor.

또한, 상기 실제 산업 배기가스를 활용한 바이오매스 및 바이오 연료 생산은 유동적인 광도 조사 및 가변적인 온도 조건이 나타나는 옥외조건에서 수행될 수 있다. In addition, the production of biomass and biofuel using the actual industrial exhaust gas may be performed under outdoor conditions in which fluid light irradiation and variable temperature conditions appear.

본 발명의 구체적인 일 실시예에서는, 미세조류의 CO2에 대한 낮은 내성이 결국 산성 기체인 CO2에 의한 심각한 세포 내부 산성화에 기인하고 있음을 문헌 분석을 통해 인지한 후, 산성 및 고농도 CO2 환경 하 모균주 Chlamydomonas reinhardtii CC125 내에서 기존 연구를 통해 알려진 미세조류의 CO2 내성과 관련 있는 유전자에 대한 발현 정도 (전사체) 분석을 수행하였다. 이를 통해 해당 균주의 CO2 불내성의 원인이 세포 내 pH 유지, 즉 pH 항상성을 관장하는 가장 중요하다고 알려진 PMA가 산성 및 고농도 CO2 환경, 즉 내부 산성화가 쉽게 일어나는 환경에서 오히려 저발현되는 현상을 관찰하였다. In a specific embodiment of the present invention, after recognizing through literature analysis that the low tolerance of microalgae to CO 2 is due to severe internal acidification of cells by CO 2 as an acidic gas, acidic and high-concentration CO 2 environment Expression level (transcriptome) analysis of genes related to CO 2 tolerance of microalgae known through previous studies was performed in the lower parent strain Chlamydomonas reinhardtii CC125. Through this, it was observed that PMA, which is known to be the most important cause of the intolerance of CO 2 in the cell, which governs pH homeostasis, is rather underexpressed in an acidic and high-concentration CO 2 environment, that is, in an environment where internal acidification easily occurs. did.

이에 따라, 본 발명에서는 미세조류의 CO2 불내성의 핵심 원인을 낮은 pH 및 고농도 CO2 조건, 즉 내부 산성화 촉진 환경에서의 낮은 PMA 발현 정도로 규정하였고, 선행 연구들에 의해 종의 장벽 없이 발현 가능하다고 알려진 니코티아 나 플럼배지니폴리아 (Nicotiana plumbaginifolia) 유래 PMA4 단백질의 유전 서열을 모균주의 코돈 출연 빈도에 기반하여 코돈 최적화하였다. Accordingly, in the present invention, the core cause of CO 2 intolerance of microalgae was defined as low pH and high concentration CO 2 conditions, that is, low PMA expression in an internal acidification promoting environment, and can be expressed without a species barrier by previous studies. The genetic sequence of the known PMA4 protein from Nicotiana plumbaginifolia was codon-optimized based on the codon appearance frequency of the parent strain.

특히, PMA4 단백질의 자가억제 부위 (autoinhibitory domain)를 암호화하고 있는 C-말단 쪽 100개의 아미노산 서열(300bp)이 삭제될 경우 (PMAΔCter), 해당 단백질의 양성자 (proton; H+) 배출 능력이 향상됨에 착안하여 관련 부위를 제거하였다. 추가로, 차후 세포 내에서 발현된 단백질의 용이한 동정을 위해 글리신-리치 (glycine-rich) 연결체 시퀀스 (linker sequence)를 매개로 하여 형광 단백질 중 하나인 Venus를 C-말단이 제거된 PMA4 단백질에 부착하였다 (PMA4ΔCter-V). 이후, 해당 유전자를 전기천공법을 통해 삽입하여 Chlamydomonas reinhardtii CC125 야생형 균주 내에서의 성공적인 발현을 통해 미세조류 세포의 양성자 배출 능력을 향상시킴으로써, 산성 환경 및 고농도 CO2 공급 환경에 대한 높은 내성을 부여하여, 상기 세포 내부 산성화 조건들 아래에서도 세포 내부 pH 유지 능력이 향상되어 원활한 광합성을 가능하게 하였고, 결국 바이오매스 생산성 및 CO2 고정 속도가 현저하게 향상된 클라미도모나스 레인하티 (Chlamydomonas reinhardtii) 유래의 변이 미세조류 균주, Chlamydomonas reinhardtii PMA4ΔCter-V4 및 -V10을 확인하였다. In particular, when the C-terminal 100 amino acid sequence (300bp) encoding the autoinhibitory domain of the PMA4 protein is deleted (PMAΔCter), the protein's proton (proton; H+) ejection ability is improved. Thus, the relevant part was removed. In addition, for easy identification of proteins expressed in cells in the future, Venus, one of the fluorescent proteins, was converted to a C-terminal removed PMA4 protein through a glycine-rich linker sequence. (PMA4ΔCter-V). Thereafter, the gene was inserted through electroporation to improve the proton excretion ability of microalgal cells through successful expression in Chlamydomonas reinhardtii CC125 wild-type strain, thereby conferring high resistance to acidic and high-concentration CO 2 supply environments. , The ability to maintain the internal pH of the cell was improved even under the conditions of acidification inside the cell, enabling smooth photosynthesis, and eventually, the biomass productivity and the CO 2 fixation rate were significantly improved. Chlamydomonas reinhardtii-derived mutation micro Algal strains, Chlamydomonas reinhardtii PMA4ΔCter-V4 and -V10 were identified.

또한, 본 발명의 구체적인 일 실시예에 따르면, 산성 조건 및 고농도 CO2 환경에 대한 고내성을 가지는 미세조류 균주 Chlamydomonas reinhardtii PMA4ΔCter-V4는 그 유래가 되는 야생형 균주 Chlamydomonas reinhardtii CC125에 비해 월등한 고농도 CO2 (20% CO2) 환경 하에서 고성장성 (최대 성장 기준 3.2배 이상) 및 낮은 pH 환경 (아세테이트가 공급된 혼합 영양 배양 환경 하 pH 5.5)에서의 생존성을 가진다. In addition, according to a specific embodiment of the present invention, the microalgal strain Chlamydomonas reinhardtii PMA4ΔCter-V4 having high tolerance to acidic conditions and high concentration CO 2 environment is superior to the wild-type strain Chlamydomonas reinhardtii CC125 from which it is derived. High concentration CO 2 It has high growth (more than 3.2 times the maximum growth standard) and viability in a low pH environment (pH 5.5 under a mixed nutrient culture environment fed with acetate) under a (20% CO 2 ) environment.

또한, 실제 고농도 CO2 뿐만 아니라 다양한 생물 유해성 산성 가스 (질소 산화물 및 황 산화물)을 함유하고 있는 석탄 연소 배기가스에 직접 균주를 적용, 배양한 결과, 모균주에 비해 2.28배 이상의 광독립 성장성 및 2.22배 이상의 CO2 전환 속도가 향상되는 것을 확인하였다. In addition, as a result of directly applying and culturing the strain directly to coal combustion exhaust gas containing not only high concentration of CO 2 but also various biohazardous acid gases (nitrogen oxide and sulfur oxide), the photo-independent growth potential and 2.22 times higher than that of the parent strain and 2.22 It was confirmed that the CO2 conversion rate was improved more than twice.

또한, 미세조류 바이오매스를 생산하는 동시에 광합성을 통해 세포 내에서 생합성하는 여러 유용 물질 중, 대표적인 바이오디젤 (Fatty acid methyl ester; 지방산 메틸 에스터) 생산성 또한 4.99배 이상까지 증대되는 것을 확인하였다. In addition, it was confirmed that the productivity of representative biodiesel (Fatty acid methyl ester; fatty acid methyl ester) was also increased by 4.99 times or more among various useful substances that were biosynthesized in cells through photosynthesis while simultaneously producing microalgal biomass.

이를 통해 본 발명에서 제작된 변이 균주는 산업 배기가스 유래 CO2를 전환함으로써 산업 탄소 배출 저감에 기여하는 동시에 탄소 중립적 유용 물질을 실질적으로 생산할 수 있는 플랫폼 균주로 활용하는데 매우 적합하다. Through this, the mutant strain produced in the present invention is very suitable for use as a platform strain that can substantially produce carbon-neutral useful substances while contributing to industrial carbon emission reduction by converting industrial exhaust gas-derived CO 2 .

또한, 본 발명에 따른 균주의 경우 유전적 변이가 용이하지만 낮은 고농도 CO2 내성으로 인해 재활용성이 떨어지는 것으로 평가받던 Chlamydomonas reinhardtii 균주를 기반으로 하고 있기 때문에, 이 균주를 모균주로 한 차후 추가 유전적 변이를 통해 CO2로부터 바이오 연료뿐만 아니라 더욱 다양한 물질을 직접 생산할 수 있는 능력을 부여함으로써, 미세조류 기반의 지속 가능한 사회를 앞당기는데 기여할 것으로 기대된다. In addition, in the case of the strain according to the present invention, since it is based on the Chlamydomonas reinhardtii strain, which is easy to genetically mutate but has been evaluated as having poor recyclability due to low high-concentration CO 2 resistance, additional genetic By giving the ability to directly produce more diverse materials as well as biofuels from CO 2 through mutation, it is expected to contribute to advancing a microalgae-based sustainable society.

본 발명에 따른 낮은 pH (산성 조건) 및 고농도 CO2 환경에 대한 고 내성을 가지는 미세조류 균주 Chlamydomonas reinhardtii PMA4ΔCter-V4와 -V10은 그 유래가 되는 야생형 균주 Chlamydomonas reinhardtii CC125에 비해 월등한 고농도 CO2 (20% CO2) 환경 하 성장성 (최대 성장 기준 3.2배 이상) 및 낮은 pH 환경 (아세테이트가 공급된 혼합 영양 배양 환경 하 pH 5.5)에서의 생존성을 보임을 확인하였다. 또한 실제 고농도 CO2 뿐만 아니라 다양한 생물 유해성 산성 가스 (질소 산화물 및 황 산화물)을 함유하고 있는 석탄 연소 배기가스에 직접 균주를 적용, 배양한 결과 모균주에 비해 2.28배 이상의 광독립 성장성 및 2.22배 이상의 CO2 전환 속도 향상이 가능함 또한 입증하였다. 또한 미세조류 바이오매스를 생산하는 동시에 광합성을 통해 세포 내에서 생합성 하는 여러 유용 물질 중 대표적인 바이오디젤 (Fatty acid methyl ester; 지방산 메틸 에스터) 생산성 또한 4.99배 이상까지 증대됨을 실험적으로 검증하였다. 이를 통해 본 발명에서 제작된 변이 균주는 산업 배기가스 유래 CO2를 전환함으로써 산업 탄소 배출 저감에 기여하는 동시에 탄소 중립적 유용 물질을 실질적으로 생산할 수 있는 플랫폼 균주로 활용하는데 매우 적합하다. 또한, 본 균주의 경우 유전적 변이가 용이하지만 낮은 고농도 CO2 내성으로 인해 제 활용성이 떨어지는 것으로 평가받던 Chlamydomonas reinhardtii 균주를 기반으로 하고 있기 때문에 이 균주를 모균주로 한 차후 추가 유전적 변이를 통해 CO2로부터 바이오연료 뿐만 아니라 더욱 다양한 물질을 직접 생산할 수 있는 능력을 부여함으로써 미세조류 기반의 지속 가능한 사회를 앞당기는데 기여할 것으로 기대된다.The microalgal strains Chlamydomonas reinhardtii PMA4ΔCter-V4 and -V10 having high tolerance to low pH (acidic conditions) and high concentration CO 2 environment according to the present invention are superior to the wild-type strain Chlamydomonas reinhardtii CC125 from which they are derived. % CO 2 ) It was confirmed that it showed growth potential (more than 3.2 times the maximum growth standard) and viability in a low pH environment (pH 5.5 under a mixed nutrient culture environment supplied with acetate). In addition, as a result of direct application and cultivation of the strain to coal combustion exhaust gas containing not only high-concentration CO 2 but also various biohazardous acid gases (nitrogen oxide and sulfur oxide), it has a photo-independent growth potential of 2.28 times higher than that of the parent strain and 2.22 times higher than that of the parent strain. It was also demonstrated that it is possible to improve the CO 2 conversion rate. In addition, it was experimentally verified that the productivity of biodiesel (fatty acid methyl ester; fatty acid methyl ester), a representative of various useful substances biosynthesized in cells through photosynthesis while producing microalgal biomass, also increased by 4.99 times or more. Through this, the mutant strain produced in the present invention is very suitable for use as a platform strain that can substantially produce carbon-neutral useful substances while contributing to industrial carbon emission reduction by converting industrial exhaust gas-derived CO 2 . In addition, since this strain is based on the Chlamydomonas reinhardtii strain, which is easy to genetically mutate but has been evaluated to have poor utility due to low high-concentration CO 2 resistance, this strain is used as the parent strain and then through additional genetic mutation. It is expected to contribute to advancing a microalgae-based sustainable society by giving the ability to directly produce more diverse materials as well as biofuels from CO 2 .

도 1은 모델 미세조류이자 본 발명을 위한 모균주 Chlamydomonas reinhardtii CC125의 CO2 불내성 원인 규명을 위한 전사체 분석에 사용하기 위한 조 건 수립 과정에서 도출된 미세조류 성장성 그래프이다.
도 2는 미세조류의 세포 내부 산성화를 유발하는 고농도 CO2 환경 (CO2 20%) 및 낮은 pH (산성, pH 5.0)에서 모균주 클라미도모나스 레인하티 (Chlamydomonas reinhardtii)의 전사체 분석 결과이다.
도 3은 전사체 및 번역 수준에서 유전자 발현 결과의 재현성을 각각 qRT-PCR 및 면역 블로팅에 의해 확인한 결과이다.
도 4는 Chlamydomonas reinhardtii CC125에 고농도 CO2 및 산성 환경에 대한 내성을 향상시키기 위해 삽입된 유전자의 모식도이다.
도 5는 PMA4ΔCter-V4 유전자의 미세조류 균주 내로의 안정적 삽입 확인을 위한 야생형 Chlamydomonas reinhardtii CC125와 변이 균주 Chlamydomonas reinhardtii PMA4ΔCter-V4와 -V10의 PCR 이미지이다. 도 4에서 A는 actin 단백질을 암호화하고 있는 유전서열로 내인성 대조군 (endogenous control)로 사용되었으며 P는 관심 서열, 즉 PMA4ΔCter-V4와 PMA4ΔCter-V10에 대한 PCR 증폭 결과이다.
도 6은 야생형 Chlamydomonas reinhardtii CC125와 변이 균주 Chlamydomonas reinhardtii PMA4ΔCter-V4과 -V10의 전사체 수준에서 PMA4ΔCter-V 유전자의 상대적 발현 량을 나타내는 그래프이다.
도 7은 야생형 Chlamydomonas reinhardtii CC125와 변이 균주 Chlamydomonas reinhardtii PMA4ΔCter-V4과 -V10의 단백질 수준에서 PMA4ΔCter-V 유전자의 상대적 발현 량을 나타내는 웨스턴 블랏 (Western blot) 이미지이다.
도 8은 야생형 Chlamydomonas reinhardtii CC125와 변이 균주 Chlamydomonas reinhardtii PMA4ΔCter-V4와 -V10의 산성 (pH 5.5, 혼합 영양 배양 배지) 내성을 비교한 고체 배지 배양 결과이다.
도 9는 야생형 Chlamydomonas reinhardtii CC125와 변이 균주 Chlamydomonas reinhardtii PMA4ΔCter-V4와 -V10의 산성 (pH 5.5, 혼합 영양 배양 배지) 내성을 비교한 액체 배지 배양 결과이다.
도 10은 야생형 Chlamydomonas reinhardtii CC125와 변이 균주 Chlamydomonas reinhardtii PMA4ΔCter-V4와 -V10의 고농도 CO2 내성을 확인하기 위해 20% CO2 공급 조건에서 액체 독립 영양 배지 배양을 통해 도출된 성장성 평가 결과를 나타내는 그래프이다.
도 11은 광독립영양 바이오매스 생산(상단 도면)과 CO2 고정율(RCO2, 하단 도면)의 경우 매우 높은 CO2 조건(20% CO2)에서 개선되는 것도 확인한 그래프이다.
도 12는 야생형 Chlamydomonas reinhardtii CC125와 변이 균주 Chlamydomonas reinhardtii PMA4ΔCter-V4와 -V10의 일반 중성 대기 조건 및 고농도 CO2 환경 하에서 광합성 유래 산소 생산 속도를 비교한 결과에 대한 그래프이다.
도 13은 야생형 Chlamydomonas reinhardtii CC125와 변이 균주 Chlamydomonas reinhardtii PMA4ΔCter-V4와 -V10의 고농도 CO2 환경하에 노출된 시간에 따른 세포 내부 pH (pHi)에 대한 모니터링 결과를 나타내는 그래프이다.
도 14는 야생형 Chlamydomonas reinhardtii CC125와 변이 균주 Chlamydomonas reinhardtii PMA4ΔCter-V4과 -V10로부터 각각 분리해낸 원형질막 샘플로부터 측정된 PMA 활성을 나타낸 그래프이다.
도 15는 pH 지시약인 브로모크레졸 퍼플 (bromocresol purple)을 활용하여 야생형 Chlamydomonas reinhardtii CC125와 변이 균주 Chlamydomonas reinhardtii PMA4ΔCter-V4와 -V10의 세포의 양성자 배출 능력을 고체 배지 상에서 시각화한 결과이다.
도 16은 실제 산업 배기가스를 탄소원으로 적용한 야생형 Chlamydomonas reinhardtii CC125와 변이 균주 Chlamydomonas reinhardtii PMA4ΔCter-V4의 10 L 규모 광생물반응기 내에서 옥외 배양한 이미지이다.
도 17은 실제 산업 배기가스를 탄소원으로 적용한 야생형 Chlamydomonas reinhardtii CC125와 변이 균주 Chlamydomonas reinhardtii PMA4ΔCter-V4의 10 L 규모 광생물반응기 내에서 옥외 배양한 균주들의 성장성 (biomass productivity), CO2 고정 속도 (CO2 fixation rate), 열량 생산성 (calorific productivity), 바이 오디젤 생산성 (biodiesel productivity), 및 총지질 생산성 (lipid productivit y)을 비교하는 그래프이다.
1 is a model microalgae and the parent strain Chlamydomonas reinhardtii CC125 for the present invention is a microalgae growth graph derived from the process of establishing conditions for use in transcriptome analysis for identifying the cause of CO 2 intolerance.
2 is a transcript analysis result of the parent strain Chlamydomonas reinhardtii in a high-concentration CO 2 environment (CO 2 20%) and low pH (acidity, pH 5.0) causing internal acidification of microalgae.
3 shows the results of confirming the reproducibility of gene expression results at the transcript and translation levels by qRT-PCR and immunoblotting, respectively.
4 is a schematic diagram of a gene inserted into Chlamydomonas reinhardtii CC125 to improve resistance to high concentration of CO 2 and acidic environment.
5 is a PCR image of wild-type Chlamydomonas reinhardtii CC125 and mutant Chlamydomonas reinhardtii PMA4ΔCter-V4 and -V10 to confirm stable insertion of the PMA4ΔCter-V4 gene into a microalgal strain. In FIG. 4, A is a gene sequence encoding an actin protein, which was used as an endogenous control, and P is a PCR amplification result for a sequence of interest, that is, PMA4ΔCter-V4 and PMA4ΔCter-V10.
6 is a graph showing the relative expression levels of the PMA4ΔCter-V gene in the transcript levels of wild-type Chlamydomonas reinhardtii CC125 and mutant Chlamydomonas reinhardtii PMA4ΔCter-V4 and -V10.
7 is a Western blot image showing the relative expression levels of the PMA4ΔCter-V gene at the protein level of wild-type Chlamydomonas reinhardtii CC125 and mutant Chlamydomonas reinhardtii PMA4ΔCter-V4 and -V10.
8 is a solid medium culture result comparing the acid (pH 5.5, mixed nutrient culture medium) resistance of wild-type Chlamydomonas reinhardtii CC125 and mutant strains Chlamydomonas reinhardtii PMA4ΔCter-V4 and -V10.
9 is a liquid medium culture result comparing the acid (pH 5.5, mixed nutrient culture medium) resistance of wild-type Chlamydomonas reinhardtii CC125 and mutant strains Chlamydomonas reinhardtii PMA4ΔCter-V4 and -V10.
10 is a graph showing the growth evaluation results derived from culturing in a liquid autotrophic medium under 20% CO2 supply conditions to confirm the high-concentration CO 2 tolerance of wild-type Chlamydomonas reinhardtii CC125 and mutant strains Chlamydomonas reinhardtii PMA4ΔCter-V4 and -V10.
11 is a graph confirming that photoautotrophic biomass production (top view) and CO 2 fixation rate (RCO 2 , bottom view) are also improved under very high CO 2 conditions (20% CO 2 ).
12 is a graph showing the results of comparison of photosynthetic oxygen production rates under normal neutral atmospheric conditions and high-concentration CO2 environments of wild-type Chlamydomonas reinhardtii CC125 and mutant strains Chlamydomonas reinhardtii PMA4ΔCter-V4 and -V10.
13 is a graph showing the monitoring results of the internal pH (pHi) of wild-type Chlamydomonas reinhardtii CC125 and mutant strains Chlamydomonas reinhardtii PMA4ΔCter-V4 and -V10 according to time exposed to a high-concentration CO 2 environment.
14 is a graph showing PMA activity measured from plasma membrane samples isolated from wild-type Chlamydomonas reinhardtii CC125 and mutant strains Chlamydomonas reinhardtii PMA4ΔCter-V4 and -V10, respectively.
15 is a visualization of the proton-discharging ability of cells of wild-type Chlamydomonas reinhardtii CC125 and mutant Chlamydomonas reinhardtii PMA4ΔCter-V4 and -V10 on a solid medium using bromocresol purple, a pH indicator.
16 is an image of outdoor culture in a 10 L-scale photobioreactor of wild-type Chlamydomonas reinhardtii CC125 and mutant strain Chlamydomonas reinhardtii PMA4ΔCter-V4 to which actual industrial exhaust gas is applied as a carbon source.
FIG. 17 shows the growth (biomass productivity), CO 2 fixation rate (CO 2 ) of the wild-type Chlamydomonas reinhardtii CC125 and the mutant Chlamydomonas reinhardtii PMA4ΔCter-V4 in a 10 L-scale photobioreactor, in which actual industrial exhaust gas is applied as a carbon source. fixation rate), calorific productivity, biodiesel productivity, and total lipid productivity (lipid productivity) is a graph comparing.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. These Examples are for explaining the present invention in more detail, and the scope of the present invention is not limited by these Examples.

실험예 1: 미세조류 균주, 배지 제형 및 배양 조건Experimental Example 1: Microalgal strain, medium formulation and culture conditions

C. reinhardtii WT(wild-type) 균주 CC-125는 미네소타 대학의 Chlamydomonas Resource Center에서 입수하였으며, 본 발명에 사용된 모든 조작된 세포주는 상기 균주에서 구성되었다. C. reinhardtii WT (wild-type) strain CC-125 was obtained from the Chlamydomonas Resource Center at the University of Minnesota, and all engineered cell lines used in the present invention were constructed from this strain.

미세조류의 실험실 규모에서의 배양은 변형된 Tris-acetate-phosphate(TAP; 이하 MTAP) 및 Tris-phosphate(TP; 이하 MTP) 배지로 수행하고, 배지의 완충 용량은 배양의 산도를 엄격하게 유지하기 위한 추가 완충 물질인 MES를 사용하였다. 이는, 암모늄 섭취로 인해 pH가 매우 낮아져 CO2 내성을 정확하게 평가할 수 없기 때문이다. Cultivation of microalgae at laboratory scale is performed with modified Tris-acetate-phosphate (TAP; hereinafter MTAP) and Tris-phosphate (TP; hereinafter MTP) medium, and the buffer capacity of the medium is used to strictly maintain the acidity of the culture. MES, an additional buffer material for This is because the pH is very low due to ammonium uptake, so that CO 2 tolerance cannot be accurately evaluated.

중성 pH의 혼합영양 MTAP 배지는 10 mM MES, 17.4 mM acetic acid, 7 mM NH4Cl, 0.83 mM MgSO4·7H2O, 0.45 mM CaCl2·2H2O, 1.65 mM K2HPO4, 1.05 mM KH2PO4, 0.134 mM Na2EDTA·2H2O, 0.136 mM ZnSO4·7H2O, 0.184 mM H3BO3, 40 μM MnCl2·4H2O, 32.9 μM FeSO4·7H2O, 12.3 μM CoCl2·6H2O, 10 μM CuSO4·5H2O, and 4.44 μM (NH4)6MoO3로 구성되며, pH는 25mM Tris 염기로 조정하였다. 참고로, 이러한 모든 물질은 Sigma-Aldrich(미국)에서 구입하였다.Neutral pH mixed nutrient MTAP medium is 10 mM MES, 17.4 mM acetic acid, 7 mM NH 4 Cl, 0.83 mM MgSO 4 ·7H 2 O, 0.45 mM CaCl 2 ·2H 2 O, 1.65 mM K 2 HPO 4 , 1.05 mM KH 2 PO 4 , 0.134 mM Na 2 EDTA·2H 2 O, 0.136 mM ZnSO 4 ·7H 2 O, 0.184 mM H 3 BO 3 , 40 μM MnCl 2 ·4H 2 O, 32.9 μM FeSO 4 ·7H 2 O, 12.3 consisting of μM CoCl 2 .6H 2 O, 10 μM CuSO 4 .5H 2 O, and 4.44 μM (NH 4 )6MoO 3 , the pH was adjusted with 25 mM Tris base. For reference, all these materials were purchased from Sigma-Aldrich (USA).

아세트산 대신 0.35‰ HCl을 첨가하고, 그 외 MTAP 제제와 동일한 방법으로 독립영양 MTP 배지(pH 7.0)를 제조하였다. Instead of acetic acid, 0.35‰ HCl was added, and an autotrophic MTP medium (pH 7.0) was prepared in the same manner as for other MTAP preparations.

세포는 연속 광 조명(50 μE m-2 s-1) 하에 120 rpm의 회전 속도로 23 °C의 인큐베이터에서 진탕 배양하였다. 헤드스페이스에는 각 실험의 목적에 따라 공기와 20% CO2 농축 공기를 제공하였고, 800 nm에서 UV-1800 UV 분광 광도계(Shimadzu, Japan)를 사용하여 세포 성장을 매일 모니터링하였다. Cells were incubated with shaking in an incubator at 23 °C at a rotation speed of 120 rpm under continuous light illumination (50 μE m-2 s-1). The headspace was provided with air and 20% CO 2 enriched air according to the purpose of each experiment, and cell growth was monitored daily at 800 nm using a UV-1800 UV spectrophotometer (Shimadzu, Japan).

미세조류의 비생장률(μ; d-1)은 다음 식 1에 따라 평가하였다. The specific growth rate (μ; d-1) of microalgae was evaluated according to Equation 1 below.

[식 1][Equation 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

여기에서, OD800,F 및 OD800,I는 2개의 특정 시점, 즉 tF 및 tI에서 측정된 800nm에서의 최종 및 초기 광학 밀도이다.Here, OD 800,F and OD 800,I are the final and initial optical densities at 800 nm measured at two specific time points, t F and t I .

실험예 2: RNA 준비 및 RNA-seq 분석Experimental Example 2: RNA preparation and RNA-seq analysis

높은 CO2 및 낮은 pH 민감성 유전자를 식별하기 위하여, 미세조류 성장 속도를 50% 억제한 특정 CO2(20% CO2) 조건 및 pH(pH 5.0) 조건에서 성장한 C. reinhardtii의 RNA 샘플 (대기 pH 7.0)(성장률 감소를 유발한 유효 농도, EC50)를 분리하였다(도 1). 배양 전에 CO2 및 pH의 EC50 값은 미리 결정하였다.To identify high CO 2 and low pH sensitive genes, RNA samples of C. reinhardtii grown under specific CO 2 (20% CO 2 ) conditions and pH (pH 5.0) conditions that inhibited the growth rate of microalgae by 50% (atmospheric pH) 7.0) (effective concentration that caused a decrease in growth rate, EC50) was isolated (FIG. 1). EC50 values of CO 2 and pH prior to incubation were determined in advance.

세포 성장 1일 후, 노출 시간을 스트레스 자극이 목표 수준에서 스트레스 유발 성장 억제를 유발하는 짧은 기간으로 결정하고, 세포가 시간적 적응 단계의 중앙에 진입하기 전(3일에서 4일 사이), 미세조류 세포를 원심분리(1373 × g, 5분)에 의해 수득 후 액체 질소를 사용하여 즉시 동결시켰다. After 1 day of cell growth, the exposure time is determined as the short period during which the stress stimulus induces stress-induced growth inhibition at the target level, before the cells enter the center of the temporal adaptation phase (between 3 and 4 days), the microalgae Cells were harvested by centrifugation (1373 x g, 5 min) and then immediately frozen using liquid nitrogen.

또한, 단백질 수준에서 조건 의존적 PMA 발현 패턴을 조사하기 위하여, 이와 동일한 세포 샘플을 면역블롯팅 분석에 사용했다. 이후, PureHelixTM Total RNA Purification Kit(Nanohelix, Korea)를 이용하여 RNA 추출을 수행하고, RNA-seq 기반 전사체 분석을 각 조건에서 6개의 생물학적 복제물을 사용하여 수행하였다.In addition, to investigate condition-dependent PMA expression patterns at the protein level, these same cell samples were used for immunoblotting analysis. Then, RNA extraction was performed using the PureHelixTM Total RNA Purification Kit (Nanohelix, Korea), and RNA-seq-based transcript analysis was performed using 6 biological replicates in each condition.

RNA 시료의 양과 질을 확인하기 위하여, NanoDropTM 분광광도계 장치(Thermo Fisher Scientific, USA)와 Agilent 2100 Bioanalyzer(Agilent Technologies, USA)를 사용하였다. 라이브러리 준비를 위해, 약 6.0의 RNA 무결성 번호(RIN)를 나타내는 RNA 샘플을 TruSeq RNA 라이브러리 준비 키트(Illumina, USA)를 사용하여 선택하고, 그런 다음 Illumina NovaSeqTM 6000 시퀀싱 시스템을 사용하여 RNA-seq를 수행 후 150bp paired-end 읽기를 생성하였다. 또한, 결과 데이터는 기본 매개변수가 있는 Bowtie2 소프트웨어를 사용하여 C. reinhardtii(Chlamydomonas reinhardtii v5.6, JGI)의 참조 게놈에 매핑하였다.To confirm the quantity and quality of RNA samples, a NanoDropTM spectrophotometer (Thermo Fisher Scientific, USA) and an Agilent 2100 Bioanalyzer (Agilent Technologies, USA) were used. For library preparation, RNA samples exhibiting an RNA integrity number (RIN) of approximately 6.0 were selected using the TruSeq RNA Library Preparation Kit (Illumina, USA), and then RNA-seq was performed using the Illumina NovaSeq™ 6000 sequencing system. Afterwards, a 150 bp paired-end read was generated. In addition, the resulting data were mapped to the reference genome of C. reinhardtii (Chlamydomonas reinhardtii v5.6, JGI) using Bowtie2 software with basic parameters.

Bioconductor R 소프트웨어 패키지 edgeR을 사용하여 각 유전자의 RPKM(백만 매핑된 읽기당 킬로베이스당 읽기) 단위를 계산하고 DEG를 식별한 후, 유의미한 DEG 유전자 세트를 사용하여 R 패키지 topGO를 사용하여 GO 농축 분석을 수행하고 Fisher의 정확한 테스트 방법을 사용하여 통계적 유의성을 결정하였다(p < 0.05).After calculating the RPKM (reads per kilobase per million mapped reads) unit of each gene using the Bioconductor R software package edgeR and identifying the DEGs, significant DEG gene sets were used to perform GO enrichment analysis using the R package topGO using the R package topGO. and statistical significance was determined using Fisher's exact test method (p < 0.05).

GO 용어를 할당하기 위해 관련 유전자를 KEGG(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes) 데이터베이스를 사용하여 이종 그룹 클러스터(COG) 범주에 주석을 달고, CO2 내성과 관련된 개별 유전자(도 2)를 Chlamydomonas reinhardtii v5.6 데이터베이스에 제공된 유전자 주석을 기반으로 선택 및 분석하였. 그런 다음, 그들의 발현 패턴을 프로파일링하여 높은 CO2 조건이 전사체 수준에서 세포에 미치는 영향을 종합적으로 평가하였다.To assign GO terms, related genes were annotated into heterogeneous group clusters (COG) categories using the Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG) database, and individual genes associated with CO 2 tolerance (Figure 2) were identified in Chlamydomonas reinhardtii v5. 6 were selected and analyzed based on gene annotations provided in the database. Then, their expression patterns were profiled to comprehensively evaluate the effect of high CO 2 conditions on cells at the transcript level.

실험예 3: PMA 과발현 발현벡터 제조 및 이를 이용한 형질전환Experimental Example 3: Preparation of PMA overexpression expression vector and transformation using the same

PMA 과발현 발현벡터를 제조하기 위하여, N. plumbaginifolia 유래 PMA인 PMA4를 선택하였으며, 이의 코딩 서열을 National Center for Biotechnology Information(NCBI, USA) 데이터베이스에서 얻었다. In order to prepare a PMA overexpression expression vector, PMA4, a PMA derived from N. plumbaginifolia, was selected, and its coding sequence was obtained from the National Center for Biotechnology Information (NCBI, USA) database.

미세조류 균주에 개선된 H+ 압출 능력을 부여하기 위하여 H+ 유출을 감소시킬 수 있는 원래 서열(100개 아미노산, 300bp) 내의 C-말단 자가억제 도메인의 코딩 영역을 제거하였다. The coding region of the C-terminal autorepression domain in the original sequence (100 amino acids, 300 bp), which could reduce H+ efflux, was removed to confer improved H+ extrusion ability to the microalgal strain.

또한, 외인성 단백질의 국소화 및 최종 발현 표적인 PMA4ΔCter-V의 서열을 확인하기 위하여, Gly-rich GGSGGGSG Flexible linker에 의해 녹색 형광 단백질(GFP)의 유도체인 mVenus를 PMA4ΔCter에 부착하였다.In addition, in order to confirm the sequence of PMA4ΔCter-V, a localization and final expression target of the exogenous protein, mVenus, a derivative of green fluorescent protein (GFP), was attached to PMA4ΔCter by a Gly-rich GGSGGGSG flexible linker.

그런 다음, 키메라 단백질 코딩 서열을 C. reinhardtii 핵의 코돈 사용 선호도를 고려하여 GeneArt™ GeneOptimizer™ 소프트웨어(Thermo Fisher Scientific, USA)를 사용하여 코돈 최적화하고 GeneArt를 사용하여 합성하였다. 이어서, 상기 유전자 카세트를 EcoRI 및 BglII로 분해하고 구성적 프로모터(Hsp70A-Rbc S2) 및 제오신 내성 유전자(Sh Ble)를 함유하는 pChlamy_4 단백질 발현 벡터(Thermo Fisher Scientific, USA)에 클로닝하였다. PMA4ΔCter-V-보유 플라스미드는 형질전환 전에 ScaI에 의해 선형화되었다. 클로닝 단계에 사용된 모든 제한 효소 및 T4 DNA 리가제는 Thermo Fisher Scientific(USA)에서 구입하였다.Then, the chimeric protein coding sequence was codon-optimized using GeneArt™ GeneOptimizer™ software (Thermo Fisher Scientific, USA) taking into account the codon usage preference of the C. reinhardtii nucleus and synthesized using GeneArt. Then, the gene cassette was digested with EcoRI and BglII and cloned into a pChlamy_4 protein expression vector (Thermo Fisher Scientific, USA) containing a constitutive promoter (Hsp70A-Rbc S2) and a zeocin resistance gene (Sh Ble). The PMA4ACter-V-bearing plasmid was linearized with ScaI prior to transformation. All restriction enzymes and T4 DNA ligases used in the cloning step were purchased from Thermo Fisher Scientific (USA).

mVenus 코딩 삽입물을 제작하기 위하여, 해당 서열(즉, PMA4ΔCter 및 링커 서열이 없는 PMA4ΔCter-V)을 동일한 발현 벡터 백본에 클로닝하고, 이후 전기천공법으로 미세조류에 형질전환하였다. To construct the mVenus coding insert, the corresponding sequence (ie, PMA4ACter and PMA4ACter-V without linker sequence) was cloned into the same expression vector backbone and then transformed into microalgae by electroporation.

세포 농도가 ~1.5 × 106 세포 mL-1에 도달할 때까지 씨드(seed)를 200mL의 기존 혼합 영양(TAP) 배지에서 신선하게 유지하고 성장시켰으며, 이후 1373 x g에서 5분 동안 부드럽게 원심분리하여 수집하고 10 mL의 MAX EfficiencyTM Transformation Reagent for Algae(Thermo Fisher Scientific, USA)에 재현탁한 후, 2회 세척하였다.Seeds were kept fresh and grown in 200 mL of conventional mixed nutrient (TAP) medium until the cell concentration reached ~1.5 × 106 cells mL-1, followed by gentle centrifugation at 1373 × g for 5 min. It was collected and resuspended in 10 mL of MAX Efficiency™ Transformation Reagent for Algae (Thermo Fisher Scientific, USA), and washed twice.

전기 투과화 후, 세포를 15분 동안 인큐베이션하고 40mM 자당이 보충된 10mL의 TAP 배지로 옮겼다. 암실에서 16시간 동안 배양한 후, 세포를 수집하여 TAP 배지, 1.5%(w/v) 식물 한천(Duchefa Biochemie, The Netherlands) 및 5 μg mL-1 Zeocin(Thermo Fisher Scientific, 미국)으로 구성된 고체 배지에 두었다. 플레이트의 세포를 저조도 조건(50 μE m-2 s-1)에서 23°C에서 7일 동안 성장시켰다.After electropermeabilization, cells were incubated for 15 min and transferred to 10 mL of TAP medium supplemented with 40 mM sucrose. After incubation in the dark for 16 h, cells were collected and solid medium consisting of TAP medium, 1.5% (w/v) plant agar (Duchefa Biochemie, The Netherlands) and 5 μg mL-1 Zeocin (Thermo Fisher Scientific, USA). placed on Cells in the plate were grown for 7 days at 23 °C in low light conditions (50 µE m -2 s -1 ).

실험예 3: 이뮤노블로팅Experimental Example 3: Immunoblotting

1차 항체로는 Agrisera의 H+ ATPase(1:1,000; AS07 260) 및 AtpB(1:10,000; AS05 085)를 사용하였으며, 2차 항체로는 Agrisera의 HRP-접합 염소 항-토끼 IgG(조건 의존적 PMA 발현의 정량화를 위한 1:100,000 및 외인성 PMA 단백질 검출을 위한 1:1500; AS09 602)를 사용하였다. 2차 항체의 희석 비율은 개발 시약의 제조사 프로토콜에 따라 조정하고 단백질 발현 수준의 정량적 분석에서 밴드 강도는 ImageJ 소프트웨어를 사용하여 측정하였다. Agrisera's H+ ATPase (1:1,000; AS07 260) and AtpB (1:10,000; AS05 085) were used as the primary antibody, and Agrisera's HRP-conjugated goat anti-rabbit IgG (condition-dependent PMA) was used as the secondary antibody. 1:100,000 for quantification of expression and 1:1500 for detection of exogenous PMA protein; AS09 602) were used. The dilution ratio of the secondary antibody was adjusted according to the manufacturer's protocol of the developing reagent, and the band intensity in the quantitative analysis of protein expression level was measured using ImageJ software.

실험예 4: 프라이머Experimental Example 4: Primer

이 연구에서 이름과 서열을 포함하여 사용된 모든 프라이머의 전체 목록은 하기 표 1과 같다. A full list of all primers used in this study, including names and sequences, is shown in Table 1 below.

[표 1][Table 1]

Figure pat00002
Figure pat00002

실험예 5: 유세포분석Experimental Example 5: Flow cytometry

BD AccuriTM C6 Plus 소프트웨어(BD Biosciences, USA) 및 Flowjo 소프트웨어(BD Biosciences, USA)가 있는 유세포 분석기(BD AccuriTM C6 Plus 유세포 분석기; BD Biosciences, USA)를 사용하여 각 세포주의 정량적 형광을 추정하였다. 488 nm 레이저로 여기되고 방출은 533/30 nm 대역통과 필터(FITC-A)를 사용하여 감지하였다. Quantitative fluorescence of each cell line was estimated using a flow cytometer (BD Accuri™ C6 Plus flow cytometer; BD Biosciences, USA) with BD Accuri™ C6 Plus software (BD Biosciences, USA) and Flowjo software (BD Biosciences, USA). Excitation with a 488 nm laser and emission detected using a 533/30 nm bandpass filter (FITC-A).

실험예 6: 세포 내성 확인Experimental Example 6: Confirmation of cell resistance

낮은 pH 내성 테스트에 사용된 산성 매질의 pH 값을 HCl(MTAP 및 MTP 매질 모두)로 조정하였다. 스폿 플레이팅 배양의 경우, 오토클레이브 후 식물 한천(1.5% w/v)을 사용하여 다양한 pH 값(즉, pH 7.0 및 pH 5.5)의 액체 배지를 고형화하여 사용하였다. 5 × 105 세포 mL-1에서 시작하여 4회의 연속 10배 희석을 수행한 다음, 각 희석액의 20μL 분취량을 pH 조정된 플레이트에 스포팅하였니다. 또한, CO2 내성 테스트를 극도로 높은 CO2 조건(농축 공기 20%)에서 독립영양 배지(즉, 초기 pH 값이 7.0인 MTP)로만 수행하여 유기 탄소원(즉, 아세트산)에 의해 유발되는 추가 산성화 효과를 분리하였다.The pH values of the acidic media used for the low pH tolerance test were adjusted with HCl (both MTAP and MTP media). For the spot plating culture, after autoclaving, a liquid medium of various pH values (ie, pH 7.0 and pH 5.5) was used to solidify using plant agar (1.5% w/v). Four serial 10-fold dilutions were performed starting at 5 × 10 5 cells mL −1 , and then 20 μL aliquots of each dilution were spotted onto pH-adjusted plates. In addition, further acidification induced by organic carbon sources (i.e., acetic acid) was performed only in an autotrophic medium (i.e., MTP with an initial pH value of 7.0) under extremely high CO2 conditions ( 20 % enriched air) for CO2 tolerance testing. The effect is isolated.

또한 적응 효과를 배제하기 위해, 세포를 주변 조건에서 높은 CO2 조건으로 갑자기 옮겼다. 세포 현탁액의 광학 밀도(OD800)는 각 균주에 대해 플롯된 관련 보정 함수를 사용하여 바이오매스 농도(g L-1)로 변환하였다.Also, to rule out adaptive effects, cells were abruptly transferred from ambient to high CO 2 conditions. The optical density (OD800) of the cell suspension was converted to the biomass concentration (g L −1 ) using the relevant calibration function plotted for each strain.

선형 회귀 곡선은 세포 배양 건조 세포 중량(DCW)과 탁도 간의 상관 관계를 기반으로 도출하였다. DCW는 Whatman GF/C glass microfiber filter(GE Healthcare, USA)를 사용하여 필터 기반 중량법으로 측정하였다. 세포 샘플은 각 세포주의 독립 영양 배양(대기 pH 7.0 조건에서) 과정에 걸쳐 수득하였으며, 이는 상관 관계를 확립하기 위해 별도로 수행하였다. 각 배양액에서 100μL 및 5mL의 분취량을 샘플링하여 탁도 및 DW를 각각 측정했다. 그런 다음, 다음 식 2를 사용하여 바이오매스 생산성(P; g L-1 d-1)을 계산하였다. A linear regression curve was derived based on the correlation between cell culture dry cell weight (DCW) and turbidity. DCW was measured by a filter-based gravimetric method using a Whatman GF/C glass microfiber filter (GE Healthcare, USA). Cell samples were obtained over the course of autotrophic culture (at atmospheric pH 7.0) of each cell line, which was performed separately to establish correlation. Aliquots of 100 μL and 5 mL from each culture were sampled to determine turbidity and DW, respectively. Then, the biomass productivity (P; g L −1 d −1 ) was calculated using Equation 2 below.

[식 2][Equation 2]

Figure pat00003
Figure pat00003

여기에서, XF(g L-1) 및 XI(g L-1)은 각각 tF 및 tI의 두 특정 시점에서 측정된 최종 및 초기 DCW를 나타낸다. Here, X F (g L −1 ) and X I (g L −1 ) represent the final and initial DCW measured at two specific time points t F and t I , respectively.

독립영양 조건에서 탄소 균형이 주어졌을 때 CO2 고정률(RCO2; g CO2 L-1 d-1)은 다음 식 3을 사용하여 평가하였다. Given the carbon balance under autotrophic conditions, the CO2 fixation rate (RCO2; g CO2 L -1 d -1 ) was evaluated using Equation 3 below.

[식 3][Equation 3]

Figure pat00004
Figure pat00004

여기서 C, MCO2 및 MC는 각각 탄소 함량(% w/w), CO2의 분자량(44.01g mol-1) 및 탄소의 원자 질량(12.01g mol-1)을 나타낸다. where C, M CO2 and M C represent the carbon content (% w/w), the molecular weight of CO2 (44.01 g mol -1 ) and the atomic mass of the carbon (12.01 g mol -1 ), respectively.

실험실 규모의 내성 시험에서 각 세포주의 탄소 함량은 50%로 가정하였으며, 야외 배양에서 조류 세포의 실질적인 탄소 고정 능력을 정확하게 추정하기 위해 미세 조류의 탄소 함량 펠릿은 실제로 5E-CHN2200 원소 분석기(Changsha Kaiyuan Instruments, 중국)를 사용하여 결정하였다.In the laboratory-scale tolerance test, the carbon content of each cell line was assumed to be 50%, and to accurately estimate the actual carbon fixation capacity of algal cells in field culture, the carbon content pellets of microalgae were actually analyzed using a 5E-CHN2200 elemental analyzer (Changsha Kaiyuan Instruments). , China) was used.

실험예 7: 석탄 연소 연도 가스 주입으로 야외(옥상) 재배Experimental Example 7: Outdoor (rooftop) cultivation by injection of coal-fired flue gas

제작된 본 발명의 돌연변이체(PMA4ΔCter-V4)의 배양을 위하여, 미세조류 CO2 전환 공장을 한국 정부의 허가(허가 번호: LML 19-912) 하에 건설 및 운영하였다. 실증 공장(도 16)에서 10L(작업 부피) 기포 기둥 PBR과 실외 미세조류 재배에 최적화된 독립영양 배지를 사용하여 개념 증명 실외 재배를 수행하였다. 미세조류 세포를 접종하기 전에 PBR과 공업용수 10L를 포함한 배양 시스템을 고알칼리성(~pH 12, 10mM KOH 보충)으로 소독하고, 이웃 석탄 연소 보일러에서 배출되는 연도 가스 흐름을 제거했다. 이후 0.1 vvm의 폭기 속도로 수상에 지속적으로 살포하였다.For the cultivation of the produced mutant (PMA4ΔCter-V4) of the present invention, a microalgal CO2 conversion plant was constructed and operated under the permission of the Korean government (permission number: LML 19-912). Proof-of-concept outdoor cultivation was performed in a demonstration plant ( FIG. 16 ) using 10 L (working volume) bubble column PBR and an autotrophic medium optimized for outdoor microalgal cultivation. Prior to inoculation of microalgal cells, the culture system containing PBR and 10 L of industrial water was sterilized with high alkalinity (~pH 12, supplemented with 10 mM KOH), and the flue gas stream from a neighboring coal-fired boiler was removed. Thereafter, the water was continuously sprayed with an aeration rate of 0.1 vvm.

배기 가스는 80.57% N2, 13.18% CO2, 7.46% O2, 20.27ppm NOX 및 32.04ppm SOX로 구성되었다. 연도 가스의 산성 성분(예: CO2, NOX 및 SOX)의 KOH와 산성 성분의 상호 작용으로 인해 가스 주입으로 인해 수상(~pH 7.11)이 중화되는 동시에, 대규모 작업에 적합한 중탄산염 완충 시스템이 자동으로 형성된다. 그 다음, 배양 배지로 7mM NH4Cl, 0.83mM MgSO4·7H2O, 0.45mM CaCl2·2H2O, 1.65mM K2HPO4, 1.05mM KH2PO4, 0.134mM Na2EDTA·2H2O, 0.136 mM ZnSO4·7H2O, 0.184 mM H3BO3, 40 μM MnCl2·4H2O, 32.9 μM FeSO4·7H2O, 12.3 μM CoCl2·6H2O, 10 μM CuSO4·5H2O, 및 4.44 μM (NH4)6MoO3를 첨가하여 제조하였다. 독립영양 배양액을 기준으로 신선하고 대기에서 자란 조류 종자 50 mg L-1을 접종하여 배양을 시작하고 2주(14일) 동안 계속하였다. 조류 배양물의 pH는 작업 내내 ~6.56으로 유지하였다. 생성된 바이오매스를 연속 흐름 원심분리기(21,000 × g)로 수득 후 추가 분석을 위해 동결건조(1kPa의 압력 및 -55°C의 온도에서)하였다.The exhaust gas consisted of 80.57% N 2 , 13.18% CO 2 , 7.46% O 2 , 20.27 ppm NOX and 32.04 ppm SOX. The interaction of the acid component with the KOH of the acid component of the flue gas (eg CO 2 , NOX and SOX) causes the gas injection to neutralize the aqueous phase (~pH 7.11), while at the same time automatically providing a bicarbonate buffer system suitable for large-scale operations. is formed Then, as a culture medium, 7 mM NH 4 Cl, 0.83 mM MgSO 4 .7H 2 O, 0.45 mM CaCl 2 .2H 2 O, 1.65 mM K 2 HPO 4 , 1.05 mM KH 2 PO 4 , 0.134 mM Na 2 EDTA.2H 2 O, 0.136 mM ZnSO 4 7H 2 O, 0.184 mM H 3 BO 3 , 40 μM MnCl 2 4H 2 O, 32.9 μM FeSO 4 7H 2 O, 12.3 μM CoCl 2 6H 2 O, 10 μM CuSO 4 Prepared by adding 5H 2 O, and 4.44 μM (NH 4 )6MoO 3 . The culture was started by inoculating 50 mg L-1 of fresh, air-grown algal seeds based on the autotrophic culture medium and continued for 2 weeks (14 days). The pH of the algal culture was maintained at ˜6.56 throughout the run. The resulting biomass was obtained by a continuous flow centrifuge (21,000 × g) and then lyophilized (at a pressure of 1 kPa and a temperature of -55 °C) for further analysis.

실험예 8: 분석 방법(총 지질 함량, 총 FAME 함량 및 발열량)Experimental Example 8: Analysis method (total lipid content, total FAME content and calorific value)

야외 재배에서 수확한 바이오매스를 사용하여 각각의 지질 생산성(mg lipid L-1 d-1), 바이오디젤 생산성(mg FAME L-1 d-1) 및 발열량(kJ L-1 d-1) 변형률은 다음 식 4를 사용하여 계산하였다. Using biomass harvested from field cultivation, each lipid productivity (mg lipid L -1 d -1 ), biodiesel productivity (mg FAME L -1 d -1 ) and calorific value (kJ L -1 d -1 ) strain rate was calculated using Equation 4 below.

[식 4][Equation 4]

Figure pat00005
Figure pat00005

여기서 P와 LHV는 바이오매스 생산성(mg 바이오매스 L1 d1) 및 낮은 발열량(순 발열량이라고도 함)이다. 다양한 매트릭(matrics)을 계산하기 위해 P(mg 바이오매스 L-1 d-1), 총 지질 함량(% w/w), 총 FAME 함량(% w/w) 및 LHV(kJ g-1) 값을 결정하였다. P는 상기 식 2를 사용하여 계산하였다. where P and LHV are biomass productivity (mg biomass L1 d1) and low calorific value (also called net calorific value). P(mg biomass L -1 d -1 ), total lipid content (% w/w), total FAME content (% w/w) and LHV (kJ g -1 ) values to calculate various metrics was decided. P was calculated using Equation 2 above.

바이오매스의 총 지질 함량을 측정하기 위해 수정된 BlighDyer 방법에 따라 건조된 바이오매스의 총 지질 분획을 추출하고 중량 분석을 사용하여 함량을 결정하였다. 바이오디젤 함량 분석을 위해 나머지 총 지질 분획으로부터 FAME(일반적으로 바이오디젤 분획이라고 함)를 준비하고 DB-23 GC 컬럼이 장착된 Agilent 7890 A 가스 크로마토그래피(GC) 시스템(Agilent Technology, USA) 및 화염 이온화 검출기(FID)를 사용하여 분석하였다. 추출된 지질 시료에 10 mg의 pentadecanoic acid(C15:0)를 내부 표준물질로 첨가한 후, 3% 메탄올성 황산을 이용한 에스테르 교환 반응을 통해 FAME로 전환시켰다. 그 다음, 생성된 전환된 지질을 GC로 정량화하였다. Supelco® 37 성분 FAME 믹스, F.A.M.E. RM-3과 F.A.M.E.를 혼합하고 Mix RM-5(모두 미국 Sigma-Aldrich에서 구입)를 FAME 참조 표준으로 채택하였다.The total lipid fraction of the dried biomass was extracted according to the modified BlighDyer method to determine the total lipid content of the biomass and the content was determined using gravimetric analysis. Prepare FAME (commonly referred to as biodiesel fraction) from the remaining total lipid fraction for biodiesel content analysis and use an Agilent 7890 A Gas Chromatography (GC) System (Agilent Technology, USA) equipped with a DB-23 GC column (Agilent Technology, USA) and flame Analysis was performed using an ionization detector (FID). After adding 10 mg of pentadecanoic acid (C15:0) as an internal standard to the extracted lipid sample, it was converted to FAME through transesterification using 3% methanolic sulfuric acid. The resulting converted lipids were then quantified by GC. Supelco ® 37 component FAME mix, FAME RM-3 and FAME were mixed and Mix RM-5 (all purchased from Sigma-Aldrich, USA) was adopted as the FAME reference standard.

FID의 운반 가스와 연료 가스로 각각 헬륨과 수소와 고순도 공기의 혼합물을 사용하였다. A mixture of helium, hydrogen, and high-purity air was used as the carrier gas and fuel gas of the FID, respectively.

GC 작동 조건은 다음과 같다: 주입 부피, 1 μL; 분할 비율, 1:50; 입구 온도, 250℃; 검출기 온도, 280 ℃; 및 오븐 온도, 50℃에서 1분간 유지, 25℃ min-1의 속도로 175℃로 증가, 4℃ min-1의 속도로 230℃로 증가, 230℃에서 5분간 유지. GC operating conditions were as follows: injection volume, 1 μL; split ratio, 1:50; inlet temperature, 250°C; detector temperature, 280 °C; and oven temperature, hold at 50° C. for 1 minute, increase to 175° C. at a rate of 25° C. min −1 , increase to 230° C. at a rate of 4° C. min -1 , hold at 230° C. for 5 minutes.

바이오매스의 발열량(LHV) 평가는 5E-C5500 자동 폭탄 열량계(Changsha Kaiyuan Instruments, China)를 사용하여 수행하였다.The calorific value (LHV) evaluation of biomass was performed using a 5E-C5500 automatic bomb calorimeter (Changsha Kaiyuan Instruments, China).

실험예 9: 통계 및 재현성Experimental Example 9: Statistics and Reproducibility

모든 실험은 해당 그림에 표시하였다. 결과는 평균(평균 ± SD)의 표준 편차를 보여주는 평균 값과 오차 막대로 표시하였다. 필요한 경우 양측 스튜던트 t-검정을 수행하여 두 그룹의 평균 값 사이에 통계적으로 유의한 차이가 있는지 확인하였다. All experiments are indicated in the corresponding figure. Results are presented as mean values and error bars showing the standard deviation of the mean (mean ± SD). If necessary, a two-sided Student's t-test was performed to check whether there was a statistically significant difference between the mean values of the two groups.

RNA-seq 데이터 분석에서 |log2FC|> 1 및 p < 0.05인 유전자는 DEG로 간주하였다. 통계적으로 유의한 차이는 일반화 선형 모델(GLM) 우도비(LR) 테스트에 의해 결정하였다. GO 용어는 Fisher의 정확한 테스트 방법을 사용하여 p < 0.05의 컷오프 값을 기반으로 결정하였다. 제작된 균주 및 WT 대조군 균주의 pHi 값을 상자 및 위스커 플롯과 비교하여 중앙값, 최대 및 최소 지점, 사분위수 범위를 입증하였다. PCR 및 면역블롯팅 결과를 포함한 겔 및 블롯 이미지는 단일 복제에서 수득하였다. 단백질 발현 수준의 정량 분석에서 단백질 샘플 간의 비교는 동일한 겔 내에서 수행하였다. 공초점 이미지는 생물학적으로 독립적인 3개의 샘플에서 획득하였다.In RNA-seq data analysis, genes with |log2FC|> 1 and p < 0.05 were considered DEGs. Statistically significant differences were determined by a generalized linear model (GLM) likelihood ratio (LR) test. GO terms were determined based on a cutoff value of p < 0.05 using Fisher's exact test method. The pHi values of the constructed strains and WT control strains were compared with box and whisker plots to demonstrate median, maximum and minimum points, and interquartile ranges. Gel and blot images, including PCR and immunoblotting results, were obtained in single replicates. Comparisons between protein samples in quantitative analysis of protein expression levels were performed in the same gel. Confocal images were acquired from three biologically independent samples.

실시예 1: 모균주 Chlamydomonas reinhardtii CC125의 전사체 분석 Example 1: Transcript analysis of the parent strain Chlamydomonas reinhardtii CC125

상기 실험예 2에 따라 모균주 Chlamydomonas reinhardtii CC125의 전사체를 분석하여 그 결과는 도 1과 도 2에 나타내었다.The transcriptome of the parent strain Chlamydomonas reinhardtii CC125 was analyzed according to Experimental Example 2, and the results are shown in FIGS. 1 and 2 .

도 1은 모델 미세조류이자 본 발명을 위한 모균주 Chlamydomonas reinhardtii CC125의 CO2 불내성 원인 규명을 위한 전사체 분석에 사용하기 위한 조 건 수립 과정에서 도출된 미세조류 성장성 그래프로, 화살표는 RNA-seq(n = 3)에 대한 바이오매스 샘플링 시점을 나타닌다.1 is a model microalgae and the parent strain Chlamydomonas reinhardtii CC125 for the present invention, a microalgae growth graph derived from the process of establishing conditions for use in transcript analysis to identify the cause of CO 2 intolerance, arrows indicate RNA-seq ( Biomass sampling time points for n = 3) are indicated.

도 1에서 확인할 수 있는 바와 같이 각 조건은 해당 조건에 노출 후 1일간 바이오매스 성장성이 일단 중성 대기 (ambient) 조건에서 배양 시에 비해 세포 내부 산성화 등의 원인으로 인해 성장성이 약 50% 감소하는 조건이며 이는 이후 전사체 분석을 위한 조건으로 되었다. As can be seen in FIG. 1 , each condition is a condition in which biomass growth potential for 1 day after exposure to the corresponding condition is reduced by about 50% due to causes such as internal acidification of cells compared to when cultured in a neutral atmospheric condition. and this became a condition for subsequent transcriptome analysis.

다음으로, 도 2는 미세조류의 세포 내부 산성화를 유발하는 고농도 CO2 환경 (CO2 20%) 및 낮은 pH (산성, pH 5.0)에서 모균주 클라미도모나스 레인하티 (Chlamydomonas reinhardtii)의 전사체 분석 결과이다. Next, Figure 2 is a transcript analysis result of the parent strain Chlamydomonas reinhardtii in a high-concentration CO 2 environment (CO 2 20%) and low pH (acidity, pH 5.0) that induces intracellular acidification of microalgae to be.

미세조류는 고농도 CO2 환경에 대응하여 크게 다섯 가지의 세포 반응을 보이는데, 이는 첫 번째 양성자 펌프의 과발현, 두 번째 탄소 집중 기작 (Carbon concentrating mechanism)의 저발현, 세 번째 세포막 성분의 변화, 네 번째 단백질 회복 기작의 활성화, 다섯 번째 ATP 합성 기작의 활성화 등이다. Microalgae show five major cellular responses in response to a high-concentration CO 2 environment, which is the overexpression of the first proton pump, the underexpression of the second carbon concentrating mechanism, the change of the third cell membrane component, and the fourth Activation of the protein repair mechanism, activation of the fifth ATP synthesis mechanism, and the like.

도 2에서 볼 수 있듯이, 기존 알려진 전사체 발현 예상 거동과는 달리 세포 내부 pH 유지에 가장 주된 역할을 한다고 알려진 양성자 펌프를 암호화하고 있는 PMA2와 PMA3 유전자가 오히려 내부 산성화를 일으키는 조건에서 이상 저발현이 나타났음을 확인할 수 있었다. As can be seen in FIG. 2 , unlike the expected behavior of known transcript expression, abnormally low expression of the PMA2 and PMA3 genes, which encode proton pumps, which are known to play the most major role in maintaining cell internal pH, are rather underexpressed under conditions that cause internal acidification. appeared to be confirmed.

또한, 이러한 결과는 도 3을 통해서도 확인할 수 있다. In addition, these results can also be confirmed through FIG. 3 .

도 3에서 볼 수 있듯이, PMA2(Cre10.g459200; 약간 하향 조절됨) 및 PMA3(Cre03.g164600; 통계적으로 유의하게 하향 조절됨)과 같은 PMA의 발현 감소를 높은 CO2 조건에서 확인할 수 있었으며, 이는 PMA가 다양한 산성 조건에 노출되는 동안 생명 유지에 중요한 역할을 하는 것을 시사하는 것이다. 높은 CO 조건 하에서 전사체 및 번역 수준에서 유전자 발현 결과의 재현성이 각각 qRT-PCR 및 면역 블로팅에 의해 확인되며, 이는 mRNA와 단백질의 발현 일치를 의미하고, 동시에 하향 조절이 선천적인 낮은 내성에 직접적인 영향을 주는 것임을 시사한다.As can be seen in FIG. 3 , a decrease in the expression of PMA such as PMA2 (Cre10.g459200; slightly down-regulated) and PMA3 (Cre03.g164600; statistically significant down-regulated) was confirmed in the high CO 2 condition, which indicates that PMA is This suggests that it plays an important role in maintaining life during exposure to various acidic conditions. The reproducibility of gene expression results at the transcript and translation levels under high CO conditions was confirmed by qRT-PCR and immunoblotting, respectively, implying that mRNA and protein expression match, and at the same time, down-regulation is direct to innate low tolerance. suggests that it is influencing

이에 따라, 고농도 CO2 취약 균주인 Chlamydomonas reinhardtii의 불내성 주원인이 PMA 유전자의 이상 저발현으로 규정하였다. Accordingly, the main cause of intolerance of Chlamydomonas reinhardtii, a strain susceptible to high CO 2 , was defined as abnormal low expression of the PMA gene.

실시예 2: 높은 CO2 내성을 갖는 미세조류 균주의 구축Example 2: Construction of microalgal strains with high CO2 resistance

상기 실험예 3에 따라 모균주(야생형) Chlamydomonas reinhardtii CC125에 PMA 단백질을 과발현 할 수 있는 발현카세트를 제조하고 이를 포함하는 발현벡터를 제조하였으며, 상기 발현벡터를 미세조류에 형질전환하여 높은 CO2 내성을 가지는 미세조류 균주를 제조하였다.According to Experimental Example 3, an expression cassette capable of overexpressing PMA protein was prepared in the parent strain (wild type) Chlamydomonas reinhardtii CC125, and an expression vector including the same was prepared, and the expression vector was transformed into microalgae to have high CO 2 resistance A microalgal strain having a was prepared.

구체적으로, 상기 실시예 1에 따르면 C. reinhardtii의 CO2 내성을 증가시키기 위한 과발현 표적은 전형적인 PMA, 즉 Nicotiana plumbaginifolia의 원형질막 H+-ATPase isoform 4(이하 PMA4라고 함)로, 이는 다른 식물 및 효모와 같은 다양한 바이오 플랫폼에서 잘 특성화되고 성공적으로 발현되기 때문이다.Specifically, according to Example 1, the overexpression target for increasing CO 2 tolerance of C. reinhardtii is typical PMA, that is, plasma membrane H+-ATPase isoform 4 of Nicotiana plumbaginifolia (hereinafter referred to as PMA4), which is This is because they are well characterized and successfully expressed in various bio platforms such as

이러한 PMA4의 과발현을 통하여 미세조류 시스템에서 활성화된다면, PMA4의 발현은 숙주와 무관하다는 특성 때문에 정체된 H+ 압출과 그에 따른 CO2 불내성으로 고통받는 다양한 미세조류 종에 대한 다목적 접근법이 될 수 있다.If activated in the microalgal system through this overexpression of PMA4, it could be a versatile approach for various microalgal species suffering from stagnant H+ extrusion and consequent CO2 intolerance due to the host-independent nature of PMA4 expression.

이를 위하여 미세조류 세포에 매우 큰 산에 대한 내성을 부여하기 위하여, PMA4 단백질을 코딩하는 유전자 서열에서 C-말단에 존재하는 자가억제 도메인을 결실시킨 후 이렇게 잘린 형태의 PMA4를 PMA4Cter라고 명명하였다.To this end, in order to confer resistance to very large acids in microalgal cells, the self-repression domain present at the C-terminus was deleted from the gene sequence encoding the PMA4 protein, and then the truncated form of PMA4 was named PMA4Cter.

그 후, 발현된 산-분비 나노머신의 세포내 국소화를 조사하기 위한 리포터를 라벨링하기 위하여, 링커(GGSGGGSG)를 이용하여 PMA4Cter 코딩 유전자 3'-코딩 말단에 Venus 형광 단백질(mVenus) 코딩 유전자를 연결하고, 이를 PMA4Cter-V라고 명명하였다. 아울러, 강력한 프로모터인 Hsp70A-Rbc S2를 연결하였다. Then, in order to label a reporter to investigate the intracellular localization of the expressed acid-secretion nanomachine, a Venus fluorescent protein (mVenus) coding gene was ligated to the 3'-coding end of the PMA4Cter coding gene using a linker (GGSGGGSG). and named it PMA4Cter-V. In addition, a strong promoter Hsp70A-Rbc S2 was ligated.

그 후, 코돈최적화된 삽입 카세트를 전기천공법(electroporation)에 의해 미세조류 세포로 형질전환한 후, 상기 실험예 4의 스크리닝 프라이머 세트를 이용하여 콜로니 PCR로 Zeocin을 포함하는 선택적 배지 플레이트에서 시간이 지남에 따라 유전 및 표현형 안정성이 유지되는 2 개의 독립적인 재조합 미세조류를 스크리닝하였다. 이를, 각각 PMA4Cter-V4, PMA4Cter-V10으로 명명하였다(도 4 및 도 5).Thereafter, the codon-optimized insertion cassette was transformed into microalgal cells by electroporation, followed by colony PCR using the screening primer set of Experimental Example 4 in a selective medium plate containing Zeocin. Two independent recombinant microalgae that maintained genetic and phenotypic stability over time were screened. These were named PMA4Cter-V4 and PMA4Cter-V10, respectively ( FIGS. 4 and 5 ).

도 4는 Chlamydomonas reinhardtii PMA4ΔCter-V4 또는 PMA4ΔCter-V10 균주의 유전체 DNA (genomic DNA) 상 유전자 삽입 위치 확인을 위한 차세대 염기서열 분석 (next generation sequencing) 결과 밝혀진 유전자 삽입 위치에 대한 모식도로, PMA4ΔCter-V4는 염색체 7번 (Chromosome 7; Chr 7)의 2714330 위치에 23 bp를 탈락시킨 후 삽입된 것을 확인한 것이며, PMA4ΔCter-V10은 염색체 6번의 2162725 위치에 5461 bp를 탈락시킨 후 삽입된 것을 확인한 것이다. 참고로, P, Z, L, V의 경우 각각 프로모터 (promotor), 지오신 항생제 내성 유전 자 (Zeocin antibiotic resistance gene), 연결체 서열 (linker sequence)와 Venus 형광단백질을 의미한다. 4 is a schematic diagram of the gene insertion position revealed as a result of next generation sequencing for confirming the gene insertion position on the genomic DNA of Chlamydomonas reinhardtii PMA4ΔCter-V4 or PMA4ΔCter-V10 strain, PMA4ΔCter-V4 is It was confirmed that 23 bp was deleted at position 2714330 of chromosome 7 (Chromosome 7; Chr 7) and then inserted, and PMA4ΔCter-V10 was inserted after dropping 5461 bp at position 2162725 of chromosome 6. For reference, in the case of P, Z, L, and V, respectively, a promoter, a Zeocin antibiotic resistance gene, a linker sequence, and a Venus fluorescent protein.

그 결과, 도 4 및 도 5에서 확인할 수 있듯이, 본 발명에서 제조한 발현카세트를 포함하는 발현벡터를 이용하여 형질전환시킨 균주가 각각 PMA4ΔCter-V4와 PMA4ΔCter-V10 유전자를 미세조류 균주 내에 안정적으로 삽입되었음을 확인할 수 있었다. 이와 달리, 모균주인 야생형(WT) 균주에서는 PMA4ΔCter-V의 발현이 확인되지 않았다. As a result, as can be seen in FIGS. 4 and 5 , the strains transformed using the expression vector containing the expression cassette prepared in the present invention stably inserted the PMA4ΔCter-V4 and PMA4ΔCter-V10 genes into the microalgal strain, respectively. was able to confirm that In contrast, expression of PMA4ΔCter-V was not confirmed in the parent strain, wild-type (WT) strain.

실시예 3: Chlamydomonas reinhardtii CC125, 및 Chlamydomonas reinhardtii PMA4ΔCter-V4의 PMA4ΔCter-V 유전자의 상대적 발현량 평가 Example 3: Evaluation of relative expression levels of PMA4ΔCter-V genes in Chlamydomonas reinhardtii CC125, and Chlamydomonas reinhardtii PMA4ΔCter-V4

Chlamydomonas reinhardtii CC125, 및 Chlamydomonas reinhardtii PMA4ΔCter-V4의 PMA4ΔCter-V 유전자의 상대적 발현량을 qRT-PCR과 웨스턴 블랏을 이용하여 유전자와 단백질 수준에서 각각 확인하였다. The relative expression levels of the PMA4ΔCter-V gene of Chlamydomonas reinhardtii CC125 and Chlamydomonas reinhardtii PMA4ΔCter-V4 were confirmed at the gene and protein level, respectively, using qRT-PCR and Western blot.

그 결과, 도 6 및 도 7에서 확인할 수 있듯이, 야생형에서는 PMA4ΔCter-V 유전자가 전혀 발현되지 않았으나, 본 발명에서 제작한 변이 균주 2종에서는 모두 PMA4ΔCter-V 유전자가 상대적으로 높게 발현되는 것을 확인할 수 있었고, 특히, PMA4ΔCter-V4에서 더 높게 발현되는 것을 확인할 수 있었다.As a result, as can be seen in FIGS. 6 and 7 , the PMA4ΔCter-V gene was not expressed at all in the wild type, but it was confirmed that the PMA4ΔCter-V gene was expressed relatively high in both of the two mutant strains prepared in the present invention. , in particular, it was confirmed that the expression was higher in PMA4ΔCter-V4.

실시예 4: Chlamydomonas reinhardtii CC125, 및 Chlamydomonas reinhardtii PMA4ΔCter-V4과 PMA4ΔCter-V10의 산성 및 고농도 CO2 내성 평가 Example 4: Chlamydomonas reinhardtii CC125, and Chlamydomonas reinhardtii PMA4ΔCter-V4 and PMA4ΔCter-V10 acid and high concentration CO2 tolerance evaluation

본 발명의 형질전환 세포의 특성을 확인하기 위하여, 낮은 pH에서 성장한 세포주의 생산성을 먼저 평가하였다. In order to confirm the characteristics of the transformed cells of the present invention, the productivity of the cell lines grown at low pH was first evaluated.

구체적으로, 조류 세포의 pH 내성 평가는 혼합 영양 및 독립 영양 조건의 두 가지 독립적인 배양 모드에서 수행하였고, 독립영양과 혼합영양 배양을 위해 아세트산을 유기탄소원으로 사용하였다. Specifically, the pH tolerance evaluation of algal cells was performed in two independent culture modes of mixed nutrient and autotrophic conditions, and acetic acid was used as an organic carbon source for autotrophic and mixed nutrient culture.

그 결과, 도 8과 도 9에서 확인할 수 있듯이, 고체배지를 이용한 배양과 액체배지를 이용한 배양 모두에서 5.5의 pH 값에서 형질전환된 세포주는 WT 세포와 비교하여 성장 성능에서 분명한 차이를 보였다. 특히, pH 5.5의 혼합영양배양에서 WT 세포의 증식속도는 현저히 저하된 것과 달리, 본 발명의 형질전환 균주의 생산성은 높아 재조합 미세조류의 내산성이 성공적으로 증대되었음을 알 수 있었다. As a result, as can be seen in FIGS. 8 and 9 , the cell line transformed at a pH value of 5.5 in both culture using a solid medium and culture using a liquid medium showed a clear difference in growth performance compared to WT cells. In particular, it was found that, in contrast to the marked decrease in the growth rate of WT cells in the mixed nutrient culture of pH 5.5, the productivity of the transformed strain of the present invention was high, and the acid resistance of the recombinant microalgae was successfully increased.

또한, 도 10에서 확인할 수 있듯이, 낮은 pH에서 본 발명의 형질전환 균주 성장은 중성 pH에서의 성장과 비슷한 것으로 확인되었다. 이를 통해, 본 발명과 같은 PMA 과발현 전략이 세포에 부정적인 영향을 미치지 않는 것으로 알 수 있었으며, 광독립 영양 산성 배양에서 외인성 PMA 발현 돌연변이체도 동일한 산도 (pH 5.5)에서 상대적으로 향상된 성장성을 나타내었으나 이는 혼합 영양 배양에서 얻은 결과와 비교할 때 극적인 성장 차이를 보이지는 않는 것으로 확인할 수 있었다.In addition, as can be seen in Figure 10, the growth of the transformant strain of the present invention at low pH was confirmed to be similar to the growth at neutral pH. Through this, it was found that the PMA overexpression strategy as in the present invention did not have a negative effect on cells, and the exogenous PMA expression mutant in photoautotrophic acidic culture also showed relatively improved growth at the same acidity (pH 5.5), but this It was confirmed that there was no dramatic difference in growth compared with the results obtained from nutrient culture.

한편, 도 11에서 확인할 수 있듯이, 광독립영양 바이오매스 생산(상단 도면)과 CO2 고정율(RCO2, 하단 도면)의 경우 매우 높은 CO2 조건(20% CO2)에서 개선되는 것도 확인할 수 있었다. 이와 같은 두 그래프는 동일한 시간 척도를 나타내며, 화살표는 세포주가 최대 농도에 도달한 시점(색상으로 구분)을 나타낸다. 중복 세포 배양의 데이터가 표시되며, 하단 도면에 표시된 각 점은 두 개의 생물학적 복제를 나타낸다. 배양 결과에 따르면, 결국 WT는 주변 CO2 조건(17일까지)에 비해 높은 CO2 조건(6일까지)에서 생산성이 1.09배 증가한 반면, 최대 바이오매스 생산은 0.66배 감소한 것으로 확인되었다. On the other hand, as can be seen in FIG. 11 , photoautotrophic biomass production (upper drawing) and CO 2 fixation rate (RCO2, lower drawing) were improved under very high CO 2 conditions (20% CO2). These two graphs represent the same time scale, and arrows indicate the time point (color-coded) at which the cell line reached its maximum concentration. Data from duplicate cell cultures are shown, with each dot shown in the bottom figure representing two biological replicates. According to the culture results, in the end, WT increased productivity 1.09 times under high CO 2 conditions (up to 6 days) compared to ambient CO 2 conditions (up to 17 days), whereas the maximum biomass production was reduced by 0.66 times.

이와 달리, 본 발명의 재조합 미세조류에서의 최대 바이오매스 생산능은 동일한 CO2 조건에서 WT 균주에서 발견된 것보다 현저히 높았고, PMA4ΔCter-V4 및 PMA4ΔCter-V10 각각 3.22배 및 3.03배 개선되는 것을 알 수 있었다(도 11의 상단). 또한, 형질전환 균주의 누적 생산 및 비율도 높은 CO2 조건(7일째까지) 하에서 주변 CO2 조건(즉, 독립영양 pH 7.0)(17일까지) 보다 훨씬 더 높았다. 구체적으로, 누적 바이오매스 생산은 PMA4ΔCter-V4 및 PMA4ΔCter-V10에서 각각 1.12배 및 1.09배 개선되었고, 생산성이 각각 2.77배 및 2.62배 개선되었다. 이는 PMA 발현 돌연변이가 세포내 산성화 효과를 약화시키면서 과량의 CO2를 유리하게 활용할 수 있음을 시사하는 것이다.In contrast, the maximum biomass production capacity in the recombinant microalgae of the present invention was significantly higher than that found in the WT strain under the same CO 2 condition, and it can be seen that PMA4ΔCter-V4 and PMA4ΔCter-V10 are improved by 3.22 times and 3.03 times, respectively. There was (top of Figure 11). In addition, the cumulative production and ratio of the transgenic strains were also much higher than the ambient CO 2 conditions (ie, autotrophic pH 7.0) (up to day 17) under high CO 2 conditions (up to day 7). Specifically, cumulative biomass production was improved by 1.12-fold and 1.09-fold in PMA4ΔCter-V4 and PMA4ΔCter-V10, respectively, and productivity by 2.77-fold and 2.62-fold, respectively. This suggests that the PMA expression mutation can advantageously utilize the excess CO 2 while attenuating the intracellular acidification effect.

이러한 성장 개선은 또한 배양 기간 동안 각 돌연변이체로 얻은 CO2 고정 양이 높은 CO2 제공 조건(도 11의 하단)에서 WT에서 발견된 것과 비교하여 상당히 개선되었음을 나타낸다. CO2 고정 속도 측면에서, PMA4ΔCter-V4와 PMA4ΔCter-V10은 효과적인 CO2 고정이 발생하는 기하급수적 성장 단계(2일과 6일 사이)에서 WT 균주와 비교할 때 각각 3.23배 및 2.99배 증가된 RCO2 값을 보여주었다.This growth improvement also indicates that the amount of CO 2 fixation obtained with each mutant during the incubation period was significantly improved compared to that found in WT under high CO 2 providing conditions (bottom of FIG. 11 ). In terms of CO 2 fixation rate, PMA4ΔCter-V4 and PMA4ΔCter-V10 increased RCO 2 values by 3.23-fold and 2.99-fold, respectively, when compared to WT strains in the exponential growth phase (between days 2 and 6) where effective CO 2 fixation occurs. showed

종합하면, 이러한 내성 개선 전략은 높은 CO2 공급 조건에서 짧은 배양 기간 동안 돌연변이체의 최대 바이오매스 농도를 높이고, CO2 제거율 및 효율성을 향상시키는 것을 시사한다. Taken together, this resistance improvement strategy suggests to increase the maximum biomass concentration of the mutant during a short incubation period in a high CO 2 supply condition, and to improve the CO 2 removal rate and efficiency.

실시예 5: Chlamydomonas reinhardtii CC125, 및 Chlamydomonas reinhardtii PMA4ΔCter-V4와 -V10의 고농도 CO2 환경에서의 특성 평가Example 5: Characterization of Chlamydomonas reinhardtii CC125, and Chlamydomonas reinhardtii PMA4ΔCter-V4 and -V10 in a high-concentration CO2 environment

Chlamydomonas reinhardtii CC125와 Chlamydomonas reinhardtii PMA4ΔCter-V4 또는 -V10에 대하여 고농도 CO2 환경에서의 특성을 평가하여, 그 결과를 도 12 및 도 13에 나타내었다. Characteristics of Chlamydomonas reinhardtii CC125 and Chlamydomonas reinhardtii PMA4ΔCter-V4 or -V10 in a high-concentration CO 2 environment were evaluated, and the results are shown in FIGS. 12 and 13 .

먼저, 도 12는 야생형 Chlamydomonas reinhardtii CC125와 변이 균주 Chlamydomonas reinhardtii PMA4ΔCter-V4와 -V10의 일반 중성 대기 조건 및 고농도 CO2 환경 하에서 광합성 유래 산소 생산 속도를 비교한 결과에 대한 그래프로, CO2로 성장한 WT 균주는 주변 조건에서 배양된 WT 균주보다 총 광합성 속도(즉, O2 발생 + 암호흡)가 더 낮았으며(약 50.4% 감소), 이는 높은 CO2 조건에 의해 미세조류 광합성 장치가 심하게 손상되는 것을 나타낸다. 그러나, 이와는 대조적으로, 높은 CO2 조건에서 성장한 PMA4ΔCter-V4 및 PMA4ΔCter-V10 균주는 대기 조건에서 성장하는 동안 발견된 것과 비교하여 증가된 광합성 O2 발생 속도를 보여주었다(각각 약 58.6% 및 37.3% 증가)(도 12).First, Figure 12 is a graph of the results of comparing the photosynthetic oxygen production rate under normal neutral atmospheric conditions and high concentration CO 2 environment of wild-type Chlamydomonas reinhardtii CC125 and mutant strains Chlamydomonas reinhardtii PMA4ΔCter-V4 and -V10. WT grown with CO 2 The strain had a lower total photosynthetic rate (i.e., O2 generation + dark respiration) than the WT strain cultured in ambient conditions (approximately 50.4% reduction), indicating that the microalgal photosynthetic apparatus is severely damaged by high CO2 conditions. . In contrast, however, the PMA4ACter-V4 and PMA4ACter-V10 strains grown in high CO2 conditions showed increased rates of photosynthetic O2 generation compared to those found during growth in atmospheric conditions (approximately 58.6% and 37.3% increases, respectively). ) (Fig. 12).

또한, 도 13은 야생형 Chlamydomonas reinhardtii CC125와 변이 균주 Chlamydomonas reinhardtii PMA4ΔCter-V4와 -V10의 고농도 CO2 환경하에 노출된 시간에 따른 세포 내부 pH (pHi)에 대한 모니터링 결과를 나타내는 그래프로, WT 균주는 높은 CO2에 노출된 2시간 동안 pHi가 급격히 감소한 반면(pH 중앙값 6.56), 본 발명의 재조합 미세조류는 산성 조건에서 거의 중성에 가까운 pH를 강력하게 유지하는 더 나은 능력을 보여주었다. 구체적으로, PMA4ΔCter-V4 및 PMA4ΔCter-V10에 대해 각각 6.65 및 6.78의 중간 pH 값을 확인할 수 있었다(도 13). In addition, FIG. 13 is a graph showing the monitoring results for cell internal pH (pHi) according to time exposed to a high-concentration CO 2 environment of wild-type Chlamydomonas reinhardtii CC125 and mutant strains Chlamydomonas reinhardtii PMA4ΔCter-V4 and -V10. While the pHi decreased sharply (pH median 6.56) during 2 hours of exposure to CO 2 , the recombinant microalgae of the present invention showed a better ability to strongly maintain a near-neutral pH in acidic conditions. Specifically, intermediate pH values of 6.65 and 6.78 were confirmed for PMA4ΔCter-V4 and PMA4ΔCter-V10, respectively ( FIG. 13 ).

이는 높은 CO2 조건이 세포질 pH를 낮추어 미세 조류의 생존율에 크게 영향을 미치고, CO2 유래 세포내 산성화에 대한 긍정적인 반응을 가짐을 나타내는 것이다. 결국, 광합성 CO2 고정 시스템과 O2 진화 시스템이 세포질 및 subcellular pH뿐만 아니라 주변의 pH 및 CO2 조건에 매우 민감하다는 점을 감안할 때, 높은 CO2 조건에서 pHi를 유지하는 세포 능력의 차이가 WT와 본 발명의 형질전환 균주 사이의 내성 격차의 근본적인 원인임을 시사하는 것이다.This indicates that the high CO 2 condition significantly affects the viability of microalgae by lowering the cytoplasmic pH, and has a positive response to CO 2 derived intracellular acidification. After all, given that photosynthetic CO2 fixation systems and O2 evolution systems are highly sensitive to cytoplasmic and subcellular pH as well as ambient pH and CO2 conditions, the difference in cellular ability to maintain pHi under high CO2 conditions is not significant for WT. and it suggests that it is the root cause of the resistance gap between the transformed strain of the present invention.

실시예 6: Chlamydomonas reinhardtii CC125, 및 Chlamydomonas reinhardtii PMA4ΔCter-V4와 -V10의 PMA 활성 및 세포의 양성자 배출 능력 평가 Example 6: Chlamydomonas reinhardtii CC125, and Chlamydomonas reinhardtii PMA4ΔCter-V4 and -V10 evaluation of PMA activity and proton excretion ability of cells

Chlamydomonas reinhardtii CC125, 및 Chlamydomonas reinhardtii PMA4ΔCter-V4와 -V10의 PMA 활성 및 세포의 양성자 배출 능력을 평가하여 그 결과를 도 14와 도 15에 나타내었다. 참고로, 이러한 평가는 시험관 내와 생체 내에서 종합적으로 ATPase 활성을 확인하는 것으로 평가하였다.Chlamydomonas reinhardtii CC125, and Chlamydomonas reinhardtii PMA4ΔCter-V4 and -V10 were evaluated for PMA activity and proton ejection ability of cells, and the results are shown in FIGS. 14 and 15 . For reference, this evaluation was evaluated by confirming the ATPase activity in vitro and in vivo.

도 14는 야생형 Chlamydomonas reinhardtii CC125와 변이 균주 Chlamydomonas reinhardtii PMA4ΔCter-V4와 -V10으로부터 각각 분리해낸 원형질막 샘플로부터 측정된 PMA 활성을 나타낸 그래프이다. 앞서 설명한 결과와 유사하게, PMA4ΔCter-V4 및 PMA4ΔCter-V10이 WT 균주보다 각각 약 2.5배 및 2.6배 더 높은 ATPase 매개 ATP 가수분해 성능을 나타내는 것을 확인하였다. 이는 본 발명의 형질전환 균주가 실질적으로 더 높은 H+를 갖는다는 것을 입증하는 것이다.14 is a graph showing PMA activity measured from plasma membrane samples isolated from wild-type Chlamydomonas reinhardtii CC125 and mutant strains Chlamydomonas reinhardtii PMA4ΔCter-V4 and -V10, respectively. Similar to the results described above, it was confirmed that PMA4ΔCter-V4 and PMA4ΔCter-V10 exhibited about 2.5-fold and 2.6-fold higher ATPase-mediated ATP hydrolysis performance than the WT strain, respectively. This demonstrates that the transformant strain of the present invention has a substantially higher H+.

도 15는 pH 지시약인 브로모크레졸 퍼플 (bromocresol purple)을 활용하여 야생형 Chlamydomonas reinhardtii CC125와 변이 균주 Chlamydomonas reinhardtii PMA4ΔCter-V4와 -V10의 세포의 양성자 배출 능력을 고체 배지 상에서 시각화 한 결과이다. 원형 세포 군집 외곽의 밝은 노란색이 세포로부터 배출된 양성자에 의해 상대적 산성화된 지역을 보여준다. 배출된 H+ 및 수반되는 세포외 산성화로 인한 세포 주변의 색상 변화에서 추론할 수 있는 바와 같이, 본 발명의 PMA 발현 돌연변이체에서 H+ 플럭스가 눈에 띄게 개선되었음을 시각적으로 확인할 수 있었다.15 is a visualization of the proton-discharging ability of cells of wild-type Chlamydomonas reinhardtii CC125 and mutant strains Chlamydomonas reinhardtii PMA4ΔCter-V4 and -V10 on a solid medium using bromocresol purple, a pH indicator. The bright yellow color outside the circular cell population shows the region relatively acidified by protons ejected from the cells. As can be inferred from the color change around the cells due to the released H+ and concomitant extracellular acidification, it was visually confirmed that the H+ flux was markedly improved in the PMA-expressing mutant of the present invention.

실시예 7: Chlamydomonas reinhardtii CC125, 및 Chlamydomonas reinhardtii PMA4ΔCter-V4와 -V10의 옥외 배양 평가 Example 7: Evaluation of outdoor culture of Chlamydomonas reinhardtii CC125, and Chlamydomonas reinhardtii PMA4ΔCter-V4 and -V10

Chlamydomonas reinhardtii CC125, 및 Chlamydomonas reinhardtii PMA4ΔCter-V4와 -V10의 옥외 배양을 평가하였다. Outdoor cultures of Chlamydomonas reinhardtii CC125, and Chlamydomonas reinhardtii PMA4ΔCter-V4 and -V10 were evaluated.

도 16은 실제 산업 배기가스를 탄소원으로 적용한 야생형 Chlamydomonas reinhardtii CC125와 변이 균주 Chlamydomonas reinhardtii PMA4Δ Cter-V4의 10 L 규모 광생물반응기 내에서 옥외 배양한 이미지이다.16 is an image of outdoor culture in a 10 L-scale photobioreactor of wild-type Chlamydomonas reinhardtii CC125 and mutant strain Chlamydomonas reinhardtii PMA4Δ Cter-V4 to which actual industrial exhaust gas is applied as a carbon source.

도 17은 실제 산업 배기가스를 탄소원으로 적용한 야생형 Chlamydomonas reinhardtii CC125와 변이 균주 Chlamydomonas reinhardtii PMA4Δ Cter-V4의 10 L 규모 광생물반응기 내에서 옥외 배양한 균주들의 성장성 (biomass productivity), CO2 고정 속도 (CO2 fixation rate), 열량 생산성 (calorific productivity), 바이오디젤 생산성 (biodiesel productivity), 및 총지질 생산성 (lipid productivity)을 비교하는 그래프이다. Figure 17 shows the growth (biomass productivity), CO 2 fixation rate (CO 2 ) of the wild-type Chlamydomonas reinhardtii CC125 and the mutant strain Chlamydomonas reinhardtii PMA4Δ Cter-V4 outdoor cultured in a 10 L-scale photobioreactor using actual industrial exhaust gas as a carbon source. 2 fixation rate), calorific productivity, biodiesel productivity, and total lipid productivity (lipid productivity) is a graph comparing.

2주간의 세포 배양 후 다양한 계산식을 사용하여 균주의 다양한 성능 지수를 전체적으로 평가하였다. 그 결과, 도 16과 도 17에서 확인할 수 있듯이, PMA4ΔCter-V4가 WT 균주보다 현저하게 개선된 광영양성 성장 속도(2.28배 높음)를 나타내고, 유해 가스 스트림에 포함된 고농도 CO2를 유리하게 전환시키는 것을 관찰할 수 있었다. 나아가, 본 발명의 형질전환 조류 균주에서 바이오매스 생산성 증가는 미세조류 CO2 고정률(2.23배), 총 지질 생산성(2.21배), 총 지방산 메틸 에스테르(FAME) 생산성(4.68배) 및 발열량 (2.20배)을 포함한 기타 필수 매개변수의 향상으로 이어지는 것을 알 수 있었다. CO2 격리, FAME 축적 및 발열량 생산의 가속화는 다양한 유형의 바이오 연료(즉, 직접 연소를 위한 바이오디젤 및 고체 연료)를 생산하기 위한 생물학적 플랫폼으로, 본 발명의 재조합 미세조류 균주를 사용하는 동시에 산업적 CO2 배출량을 줄이는 실용성을 나타내는 것이다. After 2 weeks of cell culture, various performance indices of the strain were evaluated as a whole using various calculation formulas. As a result, as can be seen in FIGS. 16 and 17, PMA4ΔCter-V4 exhibits a significantly improved phototrophic growth rate (2.28 times higher) than the WT strain, and the high concentration CO 2 contained in the harmful gas stream. could be observed Furthermore, the biomass productivity increase in the transgenic algal strain of the present invention is microalgal CO 2 fixation rate (2.23 times), total lipid productivity (2.21 times), total fatty acid methyl ester (FAME) productivity (4.68 times) and calorific value (2.20) It was found that it leads to the improvement of other essential parameters, including Acceleration of CO 2 sequestration, FAME accumulation and calorific value production is a biological platform for the production of various types of biofuels (i.e. biodiesel and solid fuels for direct combustion), while simultaneously using the recombinant microalgal strains of the present invention for industrial applications. It shows the practicality of reducing CO2 emissions.

이상의 설명으로부터, 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이와 관련하여, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.From the above description, those skilled in the art to which the present invention pertains will understand that the present invention may be embodied in other specific forms without changing the technical spirit or essential characteristics thereof. In this regard, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive. The scope of the present invention should be construed as being included in the scope of the present invention, rather than the above detailed description, all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims described below and their equivalents.

한국생명공학연구원Korea Institute of Bioscience and Biotechnology KCTC14511BPKCTC14511BP 2021032520210325

<110> Korea University Research and Business Foundation <120> Recombinant microalga with highly improved tolerances towards high CO2 and/or low pH conditions <130> JKP1641R1 <150> KR 10-2021-0042862 <151> 2021-04-01 <160> 4 <170> KoPatentIn 3.0 <210> 1 <211> 952 <212> PRT <213> Artificial Sequence <220> <223> amino acid sequence of PMA4 <400> 1 Met Ala Lys Ala Ile Ser Leu Glu Glu Ile Lys Asn Glu Thr Val Asp 1 5 10 15 Leu Glu Lys Ile Pro Ile Glu Glu Val Phe Glu Gln Leu Lys Cys Thr 20 25 30 Arg Glu Gly Leu Ser Ala Asp Glu Gly Ala Ser Arg Leu Gln Ile Phe 35 40 45 Gly Pro Asn Lys Leu Glu Glu Lys Asn Glu Ser Lys Ile Leu Lys Phe 50 55 60 Leu Gly Phe Met Trp Asn Pro Leu Ser Trp Val Met Glu Ala Ala Ala 65 70 75 80 Val Met Ala Ile Ala Leu Ala Asn Gly Asp Gly Lys Pro Pro Asp Trp 85 90 95 Gln Asp Phe Ile Gly Ile Ile Cys Leu Leu Val Ile Asn Ser Thr Ile 100 105 110 Ser Phe Ile Glu Glu Asn Asn Ala Gly Asn Ala Ala Ala Ala Leu Met 115 120 125 Ala Gly Leu Ala Pro Lys Thr Lys Val Leu Arg Asp Gly Arg Trp Ser 130 135 140 Glu Gln Glu Ala Ala Ile Leu Val Pro Gly Asp Ile Ile Ser Val Lys 145 150 155 160 Leu Gly Asp Ile Ile Pro Ala Asp Ala Arg Leu Leu Glu Gly Asp Pro 165 170 175 Leu Lys Ile Asp Gln Ser Ala Leu Thr Gly Glu Ser Leu Pro Val Thr 180 185 190 Lys Asn Pro Gly Asp Glu Val Phe Ser Gly Ser Thr Cys Lys Gln Gly 195 200 205 Glu Leu Glu Ala Val Val Ile Ala Thr Gly Val His Thr Phe Phe Gly 210 215 220 Lys Ala Ala His Leu Val Asp Ser Thr Asn Asn Val Gly His Phe Gln 225 230 235 240 Lys Val Leu Thr Ala Ile Gly Asn Phe Cys Ile Cys Ser Ile Ala Ile 245 250 255 Gly Met Leu Val Glu Ile Ile Val Met Tyr Pro Ile Gln His Arg Lys 260 265 270 Tyr Arg Asp Gly Ile Asp Asn Leu Leu Val Leu Leu Ile Gly Gly Ile 275 280 285 Pro Ile Ala Met Pro Thr Val Leu Ser Val Thr Met Ala Ile Gly Ser 290 295 300 His Arg Leu Ser Gln Gln Gly Ala Ile Thr Lys Arg Met Thr Ala Ile 305 310 315 320 Glu Glu Met Ala Gly Met Asp Val Leu Cys Ser Asp Lys Thr Gly Thr 325 330 335 Leu Thr Leu Asn Lys Leu Ser Val Asp Arg Asn Leu Val Glu Val Phe 340 345 350 Ala Lys Gly Val Asp Lys Glu Tyr Val Leu Leu Leu Ala Ala Arg Ala 355 360 365 Ser Arg Val Glu Asn Gln Asp Ala Ile Asp Ala Cys Met Val Gly Met 370 375 380 Leu Ala Asp Pro Lys Glu Ala Arg Ala Gly Ile Arg Glu Val His Phe 385 390 395 400 Leu Pro Phe Asn Pro Val Asp Lys Arg Thr Ala Leu Thr Tyr Ile Asp 405 410 415 Asn Asn Asn Asn Trp His Arg Ala Ser Lys Gly Ala Pro Glu Gln Ile 420 425 430 Leu Asp Leu Cys Asn Ala Lys Glu Asp Val Arg Arg Lys Val His Ser 435 440 445 Met Met Asp Lys Tyr Ala Glu Arg Gly Leu Arg Ser Leu Ala Val Ala 450 455 460 Arg Arg Thr Val Pro Glu Lys Ser Lys Glu Ser Pro Gly Gly Arg Trp 465 470 475 480 Glu Phe Val Gly Leu Leu Pro Leu Phe Asp Pro Pro Arg His Asp Ser 485 490 495 Ala Glu Thr Ile Arg Arg Ala Leu Asn Leu Gly Val Asn Val Lys Met 500 505 510 Ile Thr Gly Asp Gln Leu Ala Ile Ala Lys Glu Thr Gly Arg Arg Leu 515 520 525 Gly Met Gly Thr Asn Met Tyr Pro Ser Ala Ser Leu Leu Gly Gln Asp 530 535 540 Lys Asp Ser Ala Ile Ala Ser Leu Pro Ile Glu Glu Leu Ile Glu Lys 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2 atggccaagg ccatcagcct ggaggagatc aagaacgaga ccgtggacct ggagaagatc 60 cccatcgagg aggtgttcga gcagctgaag tgcacccgcg agggcctgag cgctgacgag 120 ggcgctagcc gcctgcagat tttcggcccc aacaagctgg aggagaagaa cgagagcaag 180 atcctgaagt tcctgggctt catgtggaac ccgctgagct gggtcatgga ggctgctgcc 240 gtgatggcta tcgctctggc taacggcgac ggcaagccgc cggactggca ggacttcatc 300 ggcatcattt gcctgctggt catcaacagc accatcagct tcattgagga gaacaacgcc 360 ggcaacgccg ctgccgctct gatggctggc ctggctccca agaccaaggt gctgcgcgac 420 ggccggtgga gcgagcagga ggccgctatt ctggtccccg gcgacatcat tagcgtgaag 480 ctgggcgaca ttatccccgc tgacgctcgc ctgctggagg gcgacccgct gaagattgac 540 cagtccgctc tgaccggcga gtcgctgccc gtgacgaaga acccgggcga cgaggtgttc 600 agcggctcga cctgcaagca gggcgagctg gaggctgtgg tcattgctac cggcgtgcac 660 accttcttcg gcaaggctgc tcacctggtg gacagcacca acaacgtggg ccacttccag 720 aaggtgctga ccgcgattgg caacttctgc atctgctcga tcgccatcgg catgctggtc 780 gagatcatcg tgatgtaccc catccagcac cgcaagtacc gcgacggcat tgacaacctg 840 ctggtgctgc 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ggctgctgcc 240 gtgatggcta tcgctctggc taacggcgac ggcaagccgc cggactggca ggacttcatc 300 ggcatcattt gcctgctggt catcaacagc accatcagct tcattgagga gaacaacgcc 360 ggcaacgccg ctgccgctct gatggctggc ctggctccca agaccaaggt gctgcgcgac 420 ggccggtgga gcgagcagga ggccgctatt ctggtccccg gcgacatcat tagcgtgaag 480 ctgggcgaca ttatccccgc tgacgctcgc ctgctggagg gcgacccgct gaagattgac 540 cagtccgctc tgaccggcga gtcgctgccc gtgacgaaga acccgggcga cgaggtgttc 600 agcggctcga cctgcaagca gggcgagctg gaggctgtgg tcattgctac cggcgtgcac 660 accttcttcg gcaaggctgc tcacctggtg gacagcacca acaacgtggg ccacttccag 720 aaggtgctga ccgcgattgg caacttctgc atctgctcga tcgccatcgg catgctggtc 780 gagatcatcg tgatgtaccc catccagcac cgcaagtacc gcgacggcat tgacaacctg 840 ctggtgctgc tgattggcgg catccccatt gctatgccca ccgtgctgag cgtgaccatg 900 gctattggca gccaccgcct gagccagcag ggcgctatta ccaagcgcat gaccgctatc 960 gaggagatgg ccggcatgga cgtgctgtgc agcgacaaga ccggcacgct gaccctgaac 1020 aagctgtccg tggaccgcaa cctggtcgag gtgttcgcta agggcgtcga caaggagtac 1080 gtcctgctgc tggctgctcg cgcttcccgc gtcgagaacc aggacgctat tgacgcttgc 1140 atggtcggca tgctggctga ccccaaggag gctcgcgctg gcattcgcga ggtccacttc 1200 ctgccgttca accccgtgga caagcgcacg gctctgacct acatcgacaa caacaacaac 1260 tggcaccgcg ccagcaaggg cgctcccgag cagattctgg acc tgtgcaa cgctaaggag 1320 gacgtccgcc gcaaggtgca cagcatgatg gacaagtacg ctgagcgcgg cctgcgcagc 1380 ctggctgtgg ctcgccgcac ggtgcccgag aagtccaagg agagccccgg cggccgctgg 1440 gagttcgtgg gcctgctgcc gctgttcgac ccgccgcgcc acgacagcgc tgagaccatt 1500 cgccgcgctc tgaacctggg cgtgaacgtg aagatgatca ccggcgacca gctggcgatt 1560 gctaaggaga ccggccggcg cctgggcatg ggcaccaaca tgtacccctc cgcttcgctg 1620 ctgggccagg acaaggacag cgctattgct agcctgccga tcgaggagct gattgagaag 1680 gctgacggct tcgctggcgt gttccccgag cacaagtacg agatcgtgaa gaagctgcag 1740 gagcgcaagc acatcgtcgg catgaccggc gacggcgtga acgacgctcc ggctctgaag 1800 aaggccgaca ttggcattgc tgtggccgac gctaccgacg ccgctcgcgg cgctagcgac 1860 attgtcctga ccgagccggg cctgtccgtg attattagcg ctgtgctgac ctcgcgcgcc 1920 atcttccagc gcatgaagaa ctacaccatc tacgccgtgt ccatcaccat ccgcatcgtg 1980 ttcggcttca tgttcattgc cctgatctgg aagtacgact tcagcgcctt catggtgctg 2040 atcattgcca tcctgaacga cggcaccatc atgaccatca gcaaggaccg cgtgaagccc 2100 tcgccgatgc cggacagctg gaagctgaag gagattttcg ccaccggcg t ggtgctgggc 2160 ggctaccagg ctctgatgac cgtggtgttc ttctgggcca tgcacgacac cgacttcttc 2220 agcgacaagt tcggcgtgaa gtccctgcgc aacagcgacg aggagatgat gagcgcgctg 2280 tacctgcagg tgtcgatcat ctcgcaggcg ctgattttcg tgacccgcag ccgcagctgg 2340 tccttcctgg agcgcccggg catgctgctg gtcattgcct tcatgattgc ccagctggtg 2400 gcgaccctga tcgccgtgta cgctaactgg gctttcgctc gcgtgaaggg ctgcggctgg 2460 ggctgggctg gcgtgatctg gctgtactcc atcatcttct acctgccgct ggacatcatg 2520 aagttcgcca tccgctacat cctgagcggc aaggcttgga acaacctgct ggacaacaag 2580 accgccttca ccaccaagaa ggactacggc aaggaggagc gcgaggctca gtgggctctg 2640 gctcagcgca ccctgcacgg cctgcagccg ccggaggcta ccaacctgtt caacgagaag 2700 aacagctacc gcgagctgag cgagatcgcc gagcaggcta agcgccgcgc tgagatggct 2760 cggctgcgcg agctgcacac cctgaagggc cacgtcgaga gcgtggtcaa gctgaagggc 2820 ctggacatcg agaccatcca gcagcactac accgtg 2856 <210> 3 <211> 852 <212> PRT <213> Artificial Sequence <220> <223> amino acid sequence of PMA4 Cter <400> 3 Met Ala Lys Ala Ile Ser Leu Glu Glu Ile Lys Asn G lu Thr Val Asp 1 5 10 15 Leu Glu Lys Ile Pro Ile Glu Glu Val Phe Glu Gln Leu Lys Cys Thr 20 25 30 Arg Glu Gly Leu Ser Ala Asp Glu Gly Ala Ser Arg Leu Gln Ile Phe 35 40 45 Gly Pro Asn Lys Leu Glu Glu Lys Asn Glu Ser Lys Ile Leu Lys Phe 50 55 60 Leu Gly Phe Met Trp Asn Pro Leu Ser Trp Val Met Glu Ala Ala Ala 65 70 75 80 Val Met Ala Ile Ala Leu Ala Asn Gly Asp Gly Lys Pro Pro Asp Trp 85 90 95 Gln Asp Phe Ile Gly Ile Ile Cys Leu Leu Val Ile Asn Ser Thr Ile 100 105 110 Ser Phe Ile Glu Glu Asn Asn Ala Gly Asn Ala Ala Ala Ala Leu Met 115 120 125 Ala Gly Leu Ala Pro Lys Thr Lys Val Leu Arg Asp Gly Arg Trp Ser 130 135 140 Glu Gln Glu Ala Ala Ile Leu Val Pro Gly Asp Ile Ile Ser Val Lys 145 150 155 160 Leu Gly Asp Ile Ile Pro Ala Asp Ala Arg Leu Leu Glu Gly Asp Pro 165 170 175 Leu Lys Ile Asp Gln Ser Ala Leu Thr Gly Glu Ser Leu Pro Val Thr 180 185 190 Lys Asn Pro Gly Asp Glu Val Phe Ser Gly Ser Thr Cys Lys Gln Gly 195 200 205 Glu Leu Glu Ala Val Val Ile Ala Thr Gly Val His Thr Phe Phe Gly 210 215 220 Lys Ala Ala His Leu Val Asp Ser Thr Asn Asn Val Gly His Phe Gln 225 230 235 240 Lys Val Leu Thr Ala Ile Gly Asn Phe Cys Ile Cys Ser Ile Ala Ile 245 250 255 Gly Met Leu Val Glu Ile Ile Val Met Tyr Pro Ile Gln His Arg Lys 260 265 270 Tyr Arg Asp Gly Ile Asp Asn Leu Leu Val Leu Leu Ile Gly Gly Ile 275 280 285 Pro Ile Ala Met Pro Thr Val Leu Ser Val Thr Met Ala Ile Gly Ser 290 295 300 His Arg Leu Ser Gln Gln Gly Ala Ile Thr Lys Arg Met Thr Ala Ile 305 310 315 320 Glu Glu Met Ala Gly Met Asp Val Leu Cys Ser Asp Lys Thr Gly Thr 325 330 335 Leu Thr Leu Asn Lys Leu Ser Val Asp Arg Asn Leu Val Glu Val Phe 340 345 350 Ala Lys Gly Val Asp Lys Glu Tyr Val Leu Leu Leu Ala Ala Arg Ala 355 360 365 Ser Arg Val Glu Asn Gln Asp Ala Ile Asp Ala Cys Met Val Gly Met 370 375 380 Leu Ala Asp Pro Lys Glu Ala Arg Ala Gly Ile Arg Glu Val His Phe 385 390 395 400 Leu Pro Phe Asn Pro Val Asp Lys Arg Thr Ala Leu Thr Tyr Ile Asp 405 410 415 Asn Asn Asn Asn Trp His Arg Ala Ser Lys Gly Ala Pro Glu Gln Ile 420 425 430 Leu Asp Leu Cys Asn Ala Lys Glu Asp Val Arg Arg Lys Val His Ser 435 440 445 Met Met Asp Lys Tyr Ala Glu Arg Gly Leu Arg Ser Leu Ala Val Ala 450 455 460 Arg Arg Thr Val Pro Glu Lys Ser Lys Glu Ser Pro Gly Gly Arg Trp 465 470 475 480 Glu Phe Val Gly Leu Leu Pro Leu Phe Asp Pro Pro Arg His Asp Ser 485 490 495 Ala Glu Thr Ile Arg Arg Ala Leu Asn Leu Gly Val Asn Val Lys Met 500 505 510 Ile Thr Gly Asp Gln Leu Ala Ile Ala Lys Glu Thr Gly Arg Arg Leu 515 520 525 Gly Met Gly Thr Asn Met Tyr Pro Ser Ala Ser Ala Ser Leu Leu Gly Gln Asp 530 535 540 Lys Asp Ser Ala Ile Ala Ser Leu Pro Ile Glu Glu Leu Ile Glu Lys 545 550 555 560 Ala Asp Gly Phe Ala Gly Val Phe Pro Glu His Lys Tyr Glu Ile Val 565 570 575 Lys Lys Leu Gln Glu Arg Lys His Ile Val Gly Met Thr Gly Asp Gly 580 585 590 Val Asn Asp Ala Pro Ala Leu Lys Lys Ala Asp Ile Gly Ile Ala Val 595 600 605 Ala Asp Ala Thr Asp Ala Ala Arg Gly Ala Ser Asp Ile Val Leu Thr 610 615 620 Glu Pro Gly Leu Ser Val Ile Ile Ser Ala Val Leu Thr Ser Arg Ala 625 630 635 640 Ile Phe Gln Arg Met Lys Asn Tyr Thr Ile Tyr Ala Val Ser Ile Thr 645 650 655 Ile Arg Ile Val Phe Gly Phe Met Phe Ile Ala Leu Ile Trp Lys Tyr 660 665 670 Asp Phe Ser Ala Phe Met Val Leu Ile Ile Ala Ile Leu Asn Asp Gly 675 680 685 Thr Ile Met Thr Ile Ser Lys Asp Arg Val Lys Pro Ser Pro Met Pro 690 695 700 Asp Ser Trp Lys Leu Lys Glu Ile Phe Ala Thr Gly Val Val Leu Gly 705 710 715 720 Gly Tyr Gln Ala Leu Met Thr Val Val Phe Phe Trp Ala Met His Asp 725 730 735 Thr Asp Phe Phe Ser Asp Lys Phe Gly Val Lys Ser Leu Arg Asn Ser 740 745 750 Asp Glu Glu Met Met Ser Ala Leu Tyr Leu Gln Val Ser Ile Ile Ser 755 760 765 Gln Ala Leu Ile Phe Val Thr Arg Ser Arg Ser Trp Ser Phe Leu Glu 770 775 780 Arg Pro Gly Met Leu Leu Val Ile Ala Phe Met Ile Ala Gln Leu Val 785 790 795 800 Ala Thr Leu Ile Ala Val Tyr Ala Asn Trp Ala Phe Ala Arg Val Lys 805 810 815 Gly Cys Gly Trp Gly Trp Ala Gly Val Ile Trp Leu Tyr Ser Ile Ile 820 825 830 Phe Tyr Leu Pro Leu Asp Ile Met Lys Phe Ala Ile Arg Tyr Ile Leu 835 840 845 Ser Gly Lys Ala 850 <210> 4 <211> 2556 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> polynucleotide sequence of PMA4 Cter <400> 4 atggccaagg ccatcagcct ggaggagatc aagaacgaga ccgtggacct ggagaagatc 60 cccatcgagg aggtgttcga gcagctgaag tgcacccgcg agggcctgag cgctgacgag 120 ggcgctagcc gcctgcagat tttcggcccc aacaagctgg aggagaagaa cgagagcaag 180 atcctgaagt tcctgggctt catgtggaac ccgctgagct gggtcatgga ggctgctgcc 240 gtgatggcta tcgctctggc taacggcgac ggcaagccgc cggactggca ggacttcatc 300 ggcatcattt gcctgctggt catcaacagc accatcagct tcattgagga gaacaacgcc 360 ggcaacgccg ctgccgctct gatggctggc ctggctccca agaccaaggt gctgcgcgac 420 ggccggtgga gcgagcagga ggccgctatt ctggtccccg gcgacatcat tagcgtgaag 480 ctgggcgaca ttatccccgc tgacgctcgc ctgctggagg gcgacccgct gaagattgac 540 cagtccgctc tgaccggcga gtcgctgccc gtgacgaaga acccgggcga cgaggtgttc 600 agcggctcga cctgcaagca gggcgagctg gaggctgtgg tcattgctac cggcgtgcac 660 accttcttcg gcaaggctgc tcacctggtg gacagcacca acaacgtggg ccacttccag 720 aaggtgctga ccgcgattgg caacttctgc atctgctcga tcgccatcgg catgctggtc 780 gagatcatcg tgatgtaccc catccagcac cgcaagtacc gcgacggcat tgacaacctg 840 ctggtgctgc tgattggcgg catccccatt gctatgccca ccgtgctgag cgtgaccatg 900 gctattggca gccaccgcc t gagccagcag ggcgctatta ccaagcgcat gaccgctatc 960 gaggagatgg ccggcatgga cgtgctgtgc agcgacaaga ccggcacgct gaccctgaac 1020 aagctgtccg tggaccgcaa cctggtcgag gtgttcgcta agggcgtcga caaggagtac 1080 gtcctgctgc tggctgctcg cgcttcccgc gtcgagaacc aggacgctat tgacgcttgc 1140 atggtcggca tgctggctga ccccaaggag gctcgcgctg gcattcgcga ggtccacttc 1200 ctgccgttca accccgtgga caagcgcacg gctctgacct acatcgacaa caacaacaac 1260 tggcaccgcg ccagcaaggg cgctcccgag cagattctgg acctgtgcaa cgctaaggag 1320 gacgtccgcc gcaaggtgca cagcatgatg gacaagtacg ctgagcgcgg cctgcgcagc 1380 ctggctgtgg ctcgccgcac ggtgcccgag aagtccaagg agagccccgg cggccgctgg 1440 gagttcgtgg gcctgctgcc gctgttcgac ccgccgcgcc acgacagcgc tgagaccatt 1500 cgccgcgctc tgaacctggg cgtgaacgtg aagatgatca ccggcgacca gctggcgatt 1560 gctaaggaga ccggccggcg cctgggcatg ggcaccaaca tgtacccctc cgcttcgctg 1620 ctgggccagg acaaggacag cgctattgct agcctgccga tcgaggagct gattgagaag 1680 gctgacggct tcgctggcgt gttccccgag cacaagtacg agatcgtgaa gaagctgcag 1740 gagcgcaagc acatcgtcgg catga ccggc gacggcgtga acgacgctcc ggctctgaag 1800 aaggccgaca ttggcattgc tgtggccgac gctaccgacg ccgctcgcgg cgctagcgac 1860 attgtcctga ccgagccggg cctgtccgtg attattagcg ctgtgctgac ctcgcgcgcc 1920 atcttccagc gcatgaagaa ctacaccatc tacgccgtgt ccatcaccat ccgcatcgtg 1980 ttcggcttca tgttcattgc cctgatctgg aagtacgact tcagcgcctt catggtgctg 2040 atcattgcca tcctgaacga cggcaccatc atgaccatca gcaaggaccg cgtgaagccc 2100 tcgccgatgc cggacagctg gaagctgaag gagattttcg ccaccggcgt ggtgctgggc 2160 ggctaccagg ctctgatgac cgtggtgttc ttctgggcca tgcacgacac cgacttcttc 2220 agcgacaagt tcggcgtgaa gtccctgcgc aacagcgacg aggagatgat gagcgcgctg 2280 tacctgcagg tgtcgatcat ctcgcaggcg ctgattttcg tgacccgcag ccgcagctgg 2340 tccttcctgg agcgcccggg catgctgctg gtcattgcct tcatgattgc ccagctggtg 2400 gcgaccctga tcgccgtgta cgctaactgg gctttcgctc gcgtgaaggg ctgcggctgg 2460 ggctgggctg gcgtgatctg gctgtactcc atcatcttct acctgccgct ggacatcatg 2520aagttcgcca tccgctacat cctgagcggc aaggct 2556

Claims (31)

PMA 단백질을 코딩하는 유전자가 도입된 재조합 미세조류.Recombinant microalgae into which the gene encoding the PMA protein has been introduced. 제1항에 있어서,
상기 PMA 단백질은 PMA 단백질의 자가억제 부위를 암호화하는 C-말단의 서열 일부가 제거된 기능적 단편인 것인, 재조합 미세조류.
According to claim 1,
The PMA protein is a functional fragment in which a portion of the C-terminal sequence encoding the self-repression site of the PMA protein is removed, recombinant microalgae.
제2항에 있어서,
상기 서열 일부는 서열번호 1의 아미노산 서열의 C-말단으로부터 100개의 아미노산인 것인, 재조합 미세조류.
3. The method of claim 2,
The part of the sequence is 100 amino acids from the C-terminus of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1, recombinant microalgae.
제2항에 있어서,
상기 기능적 단편은 서열번호 4를 포함하는 폴리뉴클레오티드인 것인, 재조합 미세조류.
3. The method of claim 2,
The functional fragment is a polynucleotide comprising SEQ ID NO: 4, recombinant microalgae.
제1항에 있어서,
상기 미세조류는 클라미도모나스(Chlamydomonas) 속인 것인, 재조합 미세조류.
According to claim 1,
The microalgae are of the genus Chlamydomonas, recombinant microalgae.
제5항에 있어서,
클라미도모나스 레인하티(Chlamydomonas reinhardtii)인 것인, 재조합 미세조류.
6. The method of claim 5,
Chlamydomonas reinhardtii (Chlamydomonas reinhardtii), the recombinant microalgae.
제1항에 있어서,
상기 재조합 미세조류는 수탁번호 KCTC14511BP로 기탁된 것인, 재조합 미세조류.
According to claim 1,
The recombinant microalgae will be deposited with accession number KCTC14511BP, recombinant microalgae.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 미세조류를 배양하는 단계를 포함하는 바이오매스 또는 바이오연료 생산방법.A method for producing biomass or biofuel comprising the step of culturing the microalgae of any one of claims 1 to 7. 제8항에 있어서,
상기 바이오연료는 바이오디젤인 것인, 생산방법.
9. The method of claim 8,
The biofuel is biodiesel, the production method.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 미세조류를 배양하는 단계를 포함하는 바이오매스 또는 바이오연료 생산성 증진방법.A method of enhancing biomass or biofuel productivity comprising the step of culturing the microalgae of any one of claims 1 to 7. PMA 단백질의 활성이 강화된 고농도 CO2 또는 산성에 대한 내성이 증진된 재조합 미세조류.Recombinant microalgae with enhanced resistance to high concentrations of CO 2 or acid with enhanced PMA protein activity. 제11항에 있어서,
상기 미세조류는 PMA 단백질은 서열번호 1의 아미노산 서열이거나 이의 기능적 단편인 것인, 재조합 미세조류.
12. The method of claim 11,
The microalgae, the PMA protein is the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1 or a functional fragment thereof, recombinant microalgae.
제12항에 있어서,
상기 기능적 단편은 서열번호 1의 아미노산 서열의 C-말단으로부터 자가복제 도메인이 제거된 것인, 재조합 미세조류.
13. The method of claim 12,
The functional fragment is that the self-replicating domain is removed from the C-terminus of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1, recombinant microalgae.
제12항에 있어서,
상기 기능적 단편은 서열번호 3의 아미노산 서열로 이루어진 것인, 재조합 미세조류.
13. The method of claim 12,
The functional fragment consists of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 3, recombinant microalgae.
제11항에 있어서,
상기 재조합 미세조류는 PMA 단백질의 활성이 강화되지 않은 모균주에 비하여 고농도 CO2 또는 산성에 대한 내성이 증진된 것인, 재조합 미세조류.
12. The method of claim 11,
The recombinant microalgae has enhanced resistance to high concentration CO 2 or acid compared to the parent strain in which the activity of the PMA protein is not enhanced, recombinant microalgae.
제11항에 있어서,
상기 미세조류는 클라미도모나스(Chlamydomonas) 속인 것인, 재조합 미세조류.
12. The method of claim 11,
The microalgae are of the genus Chlamydomonas, recombinant microalgae.
제16항에 있어서,
클라미도모나스 레인하티(Chlamydomonas reinhardtii)인 것인, 재조합 미세조류.
17. The method of claim 16,
Chlamydomonas reinhardtii (Chlamydomonas reinhardtii), the recombinant microalgae.
제11항에 있어서,
상기 재조합 미세조류는 수탁번호 KCTC14511BP로 기탁된 것인, 재조합 미세조류.
12. The method of claim 11,
The recombinant microalgae will be deposited with accession number KCTC14511BP, recombinant microalgae.
제11항 내지 제18항 중 어느 한 항의 미세조류를 배양하는 단계를 포함하는 바이오매스 또는 바이오연료 생산방법.A method for producing biomass or biofuel comprising the step of culturing the microalgae of any one of claims 11 to 18. PMA 단백질을 코딩하는 폴리뉴클레오티드에서 자가억제 부위를 암호화하는 C-말단의 서열 일부가 제거된 폴리뉴클레오티드의 단편; 및
상기 단편에 링커로 작동가능하게 연결된 형광단백질을 코딩하는 폴리뉴클레오티드를 포함하는, PMA 단백질 과발현용 발현 카세트.
a fragment of a polynucleotide in which a portion of the C-terminal sequence encoding the self-repression site has been removed from the polynucleotide encoding the PMA protein; and
An expression cassette for overexpressing PMA protein comprising a polynucleotide encoding a fluorescent protein operably linked to the fragment by a linker.
제20항에 있어서,
상기 PMA 단백질을 코딩하는 폴리뉴클레오티드의 단편은 서열번호 4를 포함하는 것인, 발현 카세트.
21. The method of claim 20,
The expression cassette, wherein the fragment of the polynucleotide encoding the PMA protein comprises SEQ ID NO: 4.
제20항에 있어서,
상기 링커는 GGSGGGSG인 것인, 발현 카세트.
21. The method of claim 20,
The linker is GGSGGGSG, the expression cassette.
제20항에 있어서,
상기 형광단백질은 VENUS인 것인, 발현 카세트.
21. The method of claim 20,
The fluorescent protein is VENUS, the expression cassette.
제20항 내지 제23항 중 어느 한 항의 발현 카세트를 포함하는 발현 벡터.24. An expression vector comprising the expression cassette of any one of claims 20-23. 제24항의 발현 벡터가 숙주세포가 도입된 형질전환체.A transformant into which the expression vector of claim 24 is introduced into a host cell. 제25항에 있어서,
상기 숙주세포는 미세조류인 것인, 형질전환체.
26. The method of claim 25,
The host cell is a microalgae, the transformant.
제26항에 있어서,
상기 미세조류는 클라미도모나스(Chlamydomonas) 속인 것인, 형질전환체.
27. The method of claim 26,
The microalgae are of the genus Chlamydomonas, transformants.
제27항에 있어서,
클라미도모나스 레인하티(Chlamydomonas reinhardtii)인 것인, 형질전환체.
28. The method of claim 27,
Chlamydomonas reinhardtii (Chlamydomonas reinhardtii), the transformant.
제25항에 있어서,
상기 형질전환체는 수탁번호 KCTC14511BP로 기탁된 것인, 형질전환체.
26. The method of claim 25,
The transformant was deposited under the accession number KCTC14511BP, the transformant.
제25항 내지 제29항 중 어느 한 항의 형질전환체를 배양하는 단계를 포함하는 바이오매스 또는 바이오연료 생산방법.30. A method for producing biomass or biofuel comprising the step of culturing the transformant of any one of claims 25 to 29. 제30항에 있어서,
상기 배양은 광독립 배양인 것인, 생산방법.
31. The method of claim 30,
The culture is a photo-independent culture, the production method.
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