KR20230115243A - A method for production of compound-K by using photosynthetic bacterium - Google Patents

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KR20230115243A
KR20230115243A KR1020230007207A KR20230007207A KR20230115243A KR 20230115243 A KR20230115243 A KR 20230115243A KR 1020230007207 A KR1020230007207 A KR 1020230007207A KR 20230007207 A KR20230007207 A KR 20230007207A KR 20230115243 A KR20230115243 A KR 20230115243A
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이정국
김현준
샤오멍 통
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서강대학교산학협력단
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Abstract

본 발명에서는 스쿠알렌 에폭시화효소 (squalene epoxidase)와 시토크롬 P450 환원효소 (cytochrome P450 reductase)가 번역 융합 (translational fusion)된 재조합 효소, 다마렌디올 II 합성효소(dammarenediol II synthase), 프로토파낙사디올 합성효소 (protopanaxadiol synthase)와 시토크롬 P450 환원효소가 번역 융합된 재조합 효소, 및 UDP-글리코실 전달효소 (UDP-glycosyltransferase) 효소의 유전자를 광합성 세균에 도입한 재조합 균주를 제조하고, 이를 이용해 스쿠알렌 (squalene)을 시작 기질로 하여 진세노사이드 컴파운드-K (ginsenoside compound-K)를 생산하는 방법에 대한 것이다. 본 발명의 방법으로 1일당 0.74 g/L 이상의 컴파운드-K의 수율을 확보할 수 있으며 기존 방법과 비교했을 때 빠른 시간에 효율적으로 최대 산물 생산량을 달성할 수 있다.In the present invention, a recombinant enzyme obtained by translational fusion of squalene epoxidase and cytochrome P450 reductase, dammarenediol II synthase, and protopanaxadiol synthase A recombinant enzyme in which protopanaxadiol synthase and cytochrome P450 reductase are translated fused, and a recombinant strain obtained by introducing a UDP-glycosyltransferase enzyme gene into photosynthetic bacteria are prepared, and squalene is produced using the recombinant strain. It relates to a method for producing ginsenoside compound-K as a starting substrate. The method of the present invention can secure a yield of compound-K of 0.74 g/L or more per day, and can achieve maximum product yield efficiently and quickly in a short time compared to conventional methods.

Description

광합성 세균을 이용한 컴파운드-K의 생산 방법 {A method for production of compound-K by using photosynthetic bacterium}Method for producing compound-K using photosynthetic bacteria {A method for production of compound-K by using photosynthetic bacterium}

본 발명은 광합성 세균의 재조합 균주를 이용하여 스쿠알렌 (squalene)을 시작물질로 유용물질인 진세노사이드 컴파운드-K (ginsenoside compound-K)를 생산하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a useful material, ginsenoside compound-K, using squalene as a starting material using a recombinant strain of photosynthetic bacteria.

진세노사이드 컴파운드-K (ginsenoside compound-K, 이하 CK)는 인삼유래의 생리활성 물질이다. 지난 수십 년간의 연구를 통해 암, 항염증, 항노화, 당뇨병 예방, 뇌세포/간/피부 보호 효과와 같은 CK의 건강 증진 효과가 검증되었다 (Sharma and Lee. 2020. Biomolecules. 10: 1028). CK는 자연 상태의 인삼에서는 검출되지 않고, 사람이 인삼을 섭취 했을 때 장내에서 세균에 의해 인삼 성분 진세노사이드 (ginsenoside Rb1, Rb2, Rc)가 분해되어 생성 된다 (Akao et al. 1998. J. Pharm. Pharmacol. 50: 1155-1160). 자연 상태의 인삼 성분 진세노사이드들은 장내 흡수율이 굉장히 낮지만 CK로 전환될 경우 장내 흡수율이 높아지기 때문에 인삼 섭취 시 실질적으로 체내에 흡수되고 효과를 나타내는 물질은 CK라고 여겨지고 있다 (Akao et al. 1998. J. Pharm. Pharmacol. 50: 1155-1160). Ginsenoside compound-K (hereinafter referred to as CK) is a physiologically active substance derived from ginseng. Studies over the past few decades have verified the health-promoting effects of CK, such as cancer, anti-inflammation, anti-aging, prevention of diabetes, and brain/liver/skin protection (Sharma and Lee. 2020. Biomolecules. 10: 1028). CK is not detected in ginseng in its natural state, but is produced when ginsenosides (ginsenosides Rb1, Rb2, Rc) are decomposed by bacteria in the intestine when humans consume ginseng (Akao et al. 1998. J. Pharm. Pharmacol. 50: 1155-1160). Although ginsenosides, a natural ginseng ingredient, have very low intestinal absorption, when converted to CK, the intestinal absorption increases, so it is considered that CK is the substance that is actually absorbed into the body and exhibits effects when ginseng is consumed (Akao et al. 1998. J. Pharm. Pharmacol. 50: 1155-1160).

산업적으로 CK 생산하는 방법은 인삼 추출액을 원료로 사용하여 후공정을 거치는 방법을 사용한다. 후공정 방법에는 인삼 추출액에 가수분해효소를 첨가하는 방법 (Yang et al. 2015. Fitoterapia 100: 208-220), 대사 산물로 CK를 만들 수 있는 특정 미생물군을 첨가하는 방법 (Oh and Kim, 2016. Food Funct. 7: 4506), 단순 열처리를 통한 변환 방법 (Kim. 2012. J. Ginseng Res. 36(1): 1-15) 등이 있다. 하지만 이러한 방법들은 변환 반응 자체의 조절이 어려울 뿐만 아니라 반응 결과물에 CK 이외의 여러 진세노사이드가 혼재하게 된다. CK 자체의 수율만 고려하면 상기 방법들에서 인삼의 건조중량 대비 CK 수율은 약 0.001% (인삼 10 kg 당 0.1 g의 CK 획득) 수준으로 추정된다. 그래서 최근에는 인삼 추출물을 이용하는 방법과는 다르게 효모의 대사공학적 발효를 통한 CK 생산에 대한 연구가 진행되고 있다. 이 방법은 CK 합성효소들을 대사공학적으로 효모에 도입하여 효모가 포도당으로부터 자체적으로 합성하는 스쿠알렌 (squalene)의 중간산물을 거쳐 CK가 생성되는 것이다. 현재까지 보고된 효모 발효의 최대 CK 수율은 5.0 g/L (9일 발효)이다 (Shi et al. 2021. Metab. Eng. 67: 104-111). 효모를 이용한 생산 방법은 효모의 자체 대사물질인 스쿠알렌을 이용하기 때문에 균체의 생리적 변화에 의해 최종산물인 CK의 생산량이 영향을 받을 수 있으며 평균적으로 일주일 정도의 긴 배양 시간이 필요하다는 문제점이 있다.Industrially producing CK uses a method of using ginseng extract as a raw material and going through a post-process. Post-processing methods include adding hydrolase to ginseng extract (Yang et al. 2015. Fitoterapia 100: 208-220) and adding specific microorganisms capable of producing CK as metabolites (Oh and Kim, 2016 Food Funct. 7: 4506), conversion method through simple heat treatment (Kim. 2012. J. Ginseng Res. 36(1): 1-15), etc. However, these methods are difficult to control the conversion reaction itself, and various ginsenosides other than CK are mixed in the reaction product. Considering only the yield of CK itself, the CK yield relative to the dry weight of ginseng in the above methods is estimated to be about 0.001% (0.1 g of CK obtained per 10 kg of ginseng). Therefore, recently, studies on CK production through metabolic engineering fermentation of yeast have been conducted, unlike the method using ginseng extract. In this method, CK synthase is metabolically engineered into yeast, and CK is produced through an intermediate product of squalene synthesized by the yeast itself from glucose. The maximum CK yield of yeast fermentation reported to date is 5.0 g/L (9-day fermentation) (Shi et al. 2021. Metab. Eng. 67: 104-111). Since the production method using yeast uses squalene, a metabolite of yeast itself, the production of CK, the final product, may be affected by physiological changes in the cells, and there is a problem that a long culture time of about a week is required on average.

상기 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 설명을 위한 것일 뿐, 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.The matters described as the background art are only for explanation of the background of the present invention, and should not be taken as an admission that they correspond to prior art already known to those skilled in the art.

본 발명에서는 기존의 방법보다 빠르고 효율적으로 CK를 생산하는 것을 목표로 하였다. 이를 위해 대사공학적으로 CK 합성효소를 도입한 광합성 세균을 이용하여 스쿠알렌으로부터 CK를 합성하는 방법을 개발하고자 하였다.The present invention aimed to produce CK faster and more efficiently than conventional methods. To this end, we tried to develop a method for synthesizing CK from squalene using photosynthetic bacteria into which CK synthase was introduced through metabolic engineering.

본 발명자들은 기존 CK 생산 방법들의 문제점을 해결하기 위해 광합성 세균을 활용하였다. 본 발명의 실시예에서는 광합성 세균 로도박터 스페로이데스 (Rhodobacter sphaeroides) 내에 스쿠알렌을 시작물질로 이용하여 최종 물질인 CK로 전환 합성할 수 있는 효소 유전자들을 대사공학적으로 도입하여 재조합 균주를 획득하였다 (도 1, RspCK). 로도박터 스페로이데스는 효모와 달리 스쿠알렌을 합성하고 대사하는 과정을 보유하고 있지 않기 때문에 스쿠알렌을 배지에 첨가하는 과정이 필요하다. 상기 CK를 생산하는 재조합 균주 (RspCK)를 배양 시 외부에서 첨가된 스쿠알렌은 재조합 균주에 도입한 CK 합성효소들에 의해서만 대사되어 CK로 변환된다. 스쿠알렌이 자체 대사물질인 효모를 이용한 기존 방법에 비해 이 방법은 균체 자체의 대사적 조절과 무관하게 독립적으로 목표 산물을 생산할 수 있어 기질-산물 변환 효율이 높다는 장점이 있다. 특히, 도입한 CK 합성 효소 6개 중 초기 3개 효소가 세포막에 존재하는 효소이며, 로도박터 스페로이데스는 광합성 성장시 세포막의 함량이 호기성 조건에 비해 약 3배 정도 증진되므로 도입 유전자의 최종 발현량를 증진시킬 수 있다. 또한 빠른 성장시간을 가지는 세균의 특성상 효모보다 훨씬 짧은 배양시간 (약 1-2일)에서 최대 산물 수율을 확보할 수 있다.The present inventors utilized photosynthetic bacteria to solve the problems of existing CK production methods. In an embodiment of the present invention, a recombinant strain was obtained by metabolically introducing enzyme genes capable of converting and synthesizing CK, a final material, using squalene as a starting material in the photosynthetic bacterium Rhodobacter sphaeroides (Fig. 1, RspCK). Unlike yeast, Rhodobacter spheroides does not have the process of synthesizing and metabolizing squalene, so a process of adding squalene to the medium is required. When culturing the CK-producing recombinant strain (RspCK), squalene added from the outside is metabolized and converted to CK only by CK synthetases introduced into the recombinant strain. Compared to the conventional method using yeast, where squalene is its own metabolite, this method has the advantage of high substrate-product conversion efficiency because it can independently produce target products regardless of the metabolic control of the cells themselves. In particular, the initial three enzymes among the six introduced CK synthase are enzymes present in the cell membrane, and the content of the cell membrane during photosynthetic growth of Rhodobacter spheroides is increased by about three times compared to aerobic conditions, so the final expression of the introduced gene volume can be increased. In addition, due to the nature of bacteria having a fast growth time, the maximum product yield can be secured in a much shorter culture time (about 1-2 days) than yeast.

이에 본 발명은 하기 유전자를 포함하는 진세노사이드 컴파운드-K (ginsenoside compound-K, CK)를 생산하기 위한 재조합 미생물을 제공한다:Accordingly, the present invention provides a recombinant microorganism for producing ginsenoside compound-K (CK) containing the following genes:

a) 스쿠알렌 에폭시화효소 (squalene epoxidase, SE)와 시토크롬 P450 환원효소 (cytochrome P450 reductase, CPR)가 번역 융합 (translational fusion)된 재조합 효소를 코딩하는 유전자, a) A gene encoding a recombinant enzyme in which squalene epoxidase (SE) and cytochrome P450 reductase (CPR) are translated fused,

b) 다마렌디올 II 합성효소(dammarenediol II synthase, DDS)를 코딩하는 유전자,b) a gene encoding dammarenediol II synthase (DDS);

c) 프로토파낙사디올 합성효소 (protopanaxadiol synthase, PPDS)와 시토크롬 P450 환원효소가 번역 융합된 재조합 효소를 코딩하는 유전자, 및 c) a gene encoding a recombinant enzyme in which protopanaxadiol synthase (PPDS) and cytochrome P450 reductase are translated fused, and

d) UDP-글리코실 전달효소 (UDP-glycosyltransferase, UGT)를 코딩하는 유전자.d) a gene encoding UDP-glycosyltransferase (UGT).

상기 재조합 미생물은 상기 4개의 CK 합성효소 유전자 이외에 하기 2개의 보조효소를 코딩하는 유전자를 추가로 포함할 수 있다:The recombinant microorganism may further include genes encoding the following two coenzymes in addition to the four CK synthetase genes:

e) 포도당-6-인산 탈수소화효소 (glucose-6-phosphate dehydrogenase) (ZWF)e) glucose-6-phosphate dehydrogenase (ZWF)

f) 설탕 합성효소 (sucrose synthase) (SUS).f) sucrose synthase (SUS).

상기 4개의 CK 합성효소 (a, b, c, d)와 2개의 보조효소 (e, f)의 유전자들을 발현 벡터에 클로닝 후 이를 광합성 균주에 도입함으로써 CK 생산을 위한 재조합 광합성 균주를 제조하였다 (RspCK).A recombinant photosynthetic strain for CK production was prepared by cloning the genes of the four CK synthase enzymes (a, b, c, d) and two coenzymes (e, f) into an expression vector and then introducing them into a photosynthetic strain ( RspCK).

상기 광합성 균주는 로도박터 속 (Rhodobacter sp.), 로도스피릴룸 속 (Rhodospirillum sp.), 로도수도모나스 속 (Rhodopseudomonas sp.), 로지오박터 속 (Rhoseobacter sp.), 브래디리조비움 속 (Bradyrhizobium sp.) 및 루브리비박스 속 (Rubrivivax sp.)으로 구성되는 군 또는 코리네박테리움 속 (Corynebacterium sp.)에서 선택된 세균으로 대체될 수 있으며 본 발명의 방법을 적용하여 CK 생산에 활용될 수 있다. 구체적인 실시예에서, 본 발명은 로도박터 스페로이데스를 재조합 균주로 이용하여 CK를 생산하였다. The photosynthetic strain is Rhodobacter sp., Rhodospirillum sp., Rhodopseudomonas sp., Rhodopseudomonas sp., Rhoseobacter sp., Bradyrhizobium sp. .) and rubrivivax ( Rubrivivax sp.) or Corynebacterium genus ( Corynebacterium sp.) It can be replaced with a selected bacterium and can be used for CK production by applying the method of the present invention. . In a specific embodiment, the present invention produced CK using Rhodobacter spheroides as a recombinant strain.

상기 “스쿠알렌 에폭시화 효소 (SE)”는 스쿠알렌, NADPH, 산소 (O2)를 기질로 하여 2,3-산화스쿠알렌 (2,3-oxidosqualene), NADP+, 물 (H2O)을 형성하는 반응을 매개하는 효소 군에서 선택될 수 있다. SE는 효소반응에 CPR이 필요하다. 상기 "시트크롬 P450 환원효소 (CPR)"는 효소 내부에 시토크롬 P450 (cytochrome P450)을 함유하고 있으며 다양한 물질로의 전자전달을 매개할 수 있는 단백질 군으로 정의된다. SE와 CPR은 다양한 생체에서 유래할 수 있으며 그 조합에 따라 SE의 효소활성이 크게 달라질 수 있다. 따라서 본 발명의 바람직한 구현을 위해 메틸로코커스 캡슐러터스 (Methlyococcus capsulatus)와 효모 (Saccharomyces cerevisiae)에서 유래한 SE와 애기장대 (Arabidopsis thaliana)와 효모 (Saccharomyces cerevisiae)에서 유래한 CPR을 조합하여 SE와 CPR을 번역 융합 한 후 각 조합에서의 SE-CPR 융합 단백질의 효소활성을 시험하였다. 그 결과, 메틸로코커스 캡슐러터스의 SE와 효모의 CPR을 조합하였을 때 최대 활성을 보이는 것을 확인하였다. 하지만 이것은 본 발명의 바람직한 구현예의 하나일 뿐이며 사용가능한 SE와 CPR의 종류는 여기에 국한되지 않는다. 구체적인 실시예에서, 상기 SE-CPR 융합 단백질은 서열번호 1로 표시되는 염기서열을 갖는 유전자로부터 발현될 수 있다.The “squalene epoxidase (SE)” uses squalene, NADPH, and oxygen (O 2 ) as substrates to form 2,3-oxidosqualene, NADP + , and water (H 2 O). It can be selected from the group of enzymes that mediate the reaction. SE requires CPR for enzymatic reactions. The "cytochrome P450 reductase (CPR)" is defined as a group of proteins that contain cytochrome P450 inside the enzyme and can mediate electron transfer to various substances. SE and CPR can be derived from various organisms, and the enzymatic activity of SE can vary greatly depending on their combination. Therefore, for a preferred embodiment of the present invention, SE derived from Methylococcus capsulatus and yeast ( Saccharomyces cerevisiae ) and CPR derived from Arabidopsis thaliana and yeast ( Saccharomyces cerevisiae ) were combined to obtain SE and After translational fusion of CPR, the enzymatic activity of the SE-CPR fusion protein in each combination was tested. As a result, it was confirmed that the maximum activity was shown when SE of Methylococcus capsulatus and CPR of yeast were combined. However, this is only one of the preferred embodiments of the present invention, and the types of SE and CPR that can be used are not limited thereto. In a specific embodiment, the SE-CPR fusion protein may be expressed from a gene having the nucleotide sequence represented by SEQ ID NO: 1.

상기 "다마렌디올 II 합성효소 (DDS)"는 2,3-산화스쿠알렌과 물을 반응물로 하여 다마렌디올 II (dammarenediol II)를 형성하는 반응을 매개하는 효소 군에서 선택될 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 인삼 (Panax ginseng) 유래의 DDS를 사용하였으나 본 발명의 구현을 위해 사용가능한 DDS의 범위는 이에 국한되지 않는다. 구체적인 실시예에서, 상기 다마렌디올 II 합성효소 (DDS)는 서열번호 2로 표시되는 염기서열을 갖는 유전자로부터 발현될 수 있다.The "dammarenediol II synthetase (DDS)" may be selected from a group of enzymes that mediate a reaction of forming dammarenediol II using 2,3-squalene oxide and water as reactants. In the embodiment of the present invention, DDS derived from ginseng ( Panax ginseng ) was used, but the range of DDS usable for the implementation of the present invention is not limited thereto. In a specific embodiment, the damarendiol II synthetase (DDS) may be expressed from a gene having the nucleotide sequence represented by SEQ ID NO: 2.

상기 “프로토파낙사디올 합성효소 (PPDS)"는 다마렌디올 II와 NADPH를 반응물로 하여 프로토파낙사디올 (protopanaxadiol)을 형성하는 반응을 매개하는 효소 군에서 선택될 수 있다. PPDS는 효소반응에 CPR이 요구된다. 본 발명의 바람직한 구현예에서는 선행 연구 (Zhao et al. 2016. Biotechnol. Bioeng. 113(8): 1787-1795)를 기반으로 인삼 유래의 PPDS와 애기장대 유래의 CPR (ATR1)이 번역 융합된 재조합 효소 (PPDS-ATR1)를 사용하였으나 본 발명의 구현을 위해 선택할 수 있는 PPDS와 CPR의 범위는 이에 국한되지 않는다. 구체적인 실시예에서, 상기 인삼 유래의 PPDS와 애기장대 유래의 CPR (ATR1)이 번역 융합된 재조합 효소 (PPDS-ATR1)는 서열번호 3으로 표시되는 염기서열을 갖는 유전자로부터 발현될 수 있다.The "protopanaxadiol synthetase (PPDS)" may be selected from the group of enzymes that mediate a reaction of forming protopanaxadiol using damarendiol II and NADPH as reactants. CPR is required In a preferred embodiment of the present invention, PPDS derived from ginseng and CPR (ATR1) derived from Although this translational fusion recombinant enzyme (PPDS-ATR1) was used, the range of PPDS and CPR that can be selected for implementation of the present invention is not limited thereto. The recombinant enzyme (PPDS-ATR1) in which (ATR1) is translated fused can be expressed from a gene having the nucleotide sequence represented by SEQ ID NO: 3.

상기 “UDP-글리코실 전달효소 (UGT1)”는 프로토파낙사디올, UDP-포도당 (UDP-glucose)을 기질로 하여 CK와 UDP를 형성하는 반응을 매개하는 효소 군에서 선택될 수 있다. 본 연구의 실시예에서는 인삼 유래의 UGT1을 사용하였으나 본 발명의 구현을+ 위해 선택할 수 있는 UGT1의 범위는 이에 국한되지 않는다. 구체적인 실시예에서, 상기 DP-글리코실 전달효소 (UGT1)는 서열번호 4로 표시되는 염기서열을 갖는 유전자로부터 발현될 수 있다.The “UDP-glycosyltransferase (UGT1)” may be selected from a group of enzymes that mediate a reaction of forming CK and UDP using protopanaxadiol and UDP-glucose as substrates. In the examples of this study, ginseng-derived UGT1 was used, but the range of UGT1 that can be selected for the implementation of the present invention is not limited thereto. In a specific embodiment, the DP-glycosyltransferase (UGT1) may be expressed from a gene having the nucleotide sequence represented by SEQ ID NO: 4.

상기 “포도당-6-인산 탈수소화효소 (ZWF)"는 포도당-6-인산 (glucose 6-phosphate), NADP+, 물을 반응 기질로 하여 6-인산-D-글루코노-1,5-락톤 (6-phospho-D-glucono-1,5-lactone)과 NADPH를 형성하는 반응을 매개하는 효소 군에서 선택될 수 있다. 또한, 상기 "설탕 합성효소 (SUS1)”는 UDP와 sucorse를 기질로 하여 UDP-포도당 및 과당 (fructose)을 형성하는 반응을 매개하는 효소 군에서 선택될 수 있다. 세포 내에서 ZWF와 SUS1은 CK 합성효소 (SE-CPR, DDS, PPDS-ATR1, UGT1)의 활성에 필요한 NADPH와 UDP-포도당의 공급을 도와주는 역할을 한다. 본 발명의 실시예에서 제조한 CK 생산 균주 (RspCK)는 로도박터 스페로이데스 유래의 ZWF와 애기장대 유래의 SUS1의 유전자를 함유하고 있지만 이는 본 발명의 구현을 위한 필요조건이 아니기 때문에 본 발명은 ZWF와 SUS1 유전자의 유무에 의해 그 범위가 제한되지 않는다. 구체적인 실시예에서, 상기 포도당-6-인산 탈수소화효소 (ZWF) 및 설탕 합성효소 (SUS1)는 각각 서열번호 5 및 6으로 표시되는 염기서열을 갖는 유전자로부터 발현될 수 있다.The "glucose-6-phosphate dehydrogenase (ZWF)" is 6-phosphate-D-glucono-1,5-lactone using glucose-6-phosphate, NADP + , and water as reaction substrates. (6-phospho-D-glucono-1,5-lactone) and NADPH. In addition, the "sugar synthase (SUS1)" uses UDP and sucorse as substrates. It can be selected from the group of enzymes that mediate reactions to form UDP-glucose and fructose. In the cell, ZWF and SUS1 help supply NADPH and UDP-glucose required for the activity of CK synthase (SE-CPR, DDS, PPDS-ATR1, UGT1). The CK-producing strain (RspCK) prepared in the examples of the present invention contains ZWF derived from Rhodobacter spheroides and SUS1 derived from Arabidopsis thaliana, but since this is not a necessary condition for the implementation of the present invention, the present invention The range is not limited by the presence or absence of the ZWF and SUS1 genes. In a specific embodiment, the glucose-6-phosphate dehydrogenase (ZWF) and sugar synthase (SUS1) may be expressed from genes having the nucleotide sequences represented by SEQ ID NOs: 5 and 6, respectively.

본 발명의 재조합 미생물은 스쿠알렌을 시작 기질로 하여 균주 내에서 발현된 외래 효소인 SE-CPR, DDS, PPDS-ATR1, 및 UGT1에 의한 순차적 반응에 의해 CK를 합성한다. 스쿠알렌은 SE-CPR에 의해 2,3-산화스쿠알렌으로 변환되고 이는 DDS에 의해 다마렌디올 II로 변환된다. 다마렌디올 II는 PPDS-AT1에 의해 프로토파낙사디올로 변환되고 이는 최종적으로 UGT1에 의해 CK로 변환된다.The recombinant microorganism of the present invention uses squalene as a starting substrate to synthesize CK by sequential reactions by exogenous enzymes SE-CPR, DDS, PPDS-ATR1, and UGT1 expressed in the strain. Squalene is converted to 2,3-squalene oxide by SE-CPR, which is converted to damarendiol II by DDS. Damarendiol II is converted to protopanaxadiol by PPDS-AT1, which is finally converted to CK by UGT1.

이에, 본 발명은 상기 효소들을 발현하는 유전자가 도입된 재조합 미생물을 배양하는 단계를 포함하는 진세노이드 컴파운드 K의 생합성 방법을 제공한다.Accordingly, the present invention provides a biosynthetic method of ginsenoid compound K comprising culturing a recombinant microorganism into which a gene expressing the above enzymes has been introduced.

효소 및 재조합 미생물에 대한 설명은 전술한 바와 같으므로 중복기재를 방지하기 위해 생략한다. Descriptions of enzymes and recombinant microorganisms are the same as those described above, so they are omitted to prevent redundant description.

본 발명의 재조합 미생물을 이용한 CK 생산방법의 하나의 특징은 시작 기질인 스쿠알렌을 외부에서 투입하는 것이다. 구체적인 실시예에서 사용된 로도박터 스페로이데스는 야생종 (wild type)에서 스쿠알렌의 합성과 대사가 불가능하다. 따라서 외부에서 스쿠알렌을 배지에 투입하여 SE-CPR, DDS, PPDS-ATR1, 및 UGT1에 의한 CK 합성을 유도한다. 외부에서 투입된 스쿠알렌은 로도박터 스페로이데스의 원래 대사경로에 영향을 주지 않으며, 재조합된 CK 합성효소들에 의해서만 대사된다.One feature of the CK production method using the recombinant microorganism of the present invention is that squalene, a starting substrate, is introduced from the outside. Rhodobacter spheroides used in the specific examples is unable to synthesize and metabolize squalene in a wild type. Therefore, squalene is externally added to the medium to induce CK synthesis by SE-CPR, DDS, PPDS-ATR1, and UGT1. Squalene introduced from the outside does not affect the original metabolic pathway of Rhodobacter spheroides and is metabolized only by recombinant CK synthase.

여기서, 기질인 스쿠알렌은 불용성 물질이므로, 바람직하게는 계면활성제, 유기용매, 알코올 등을 소량 첨가하여 배지 내에서 스쿠알렌의 용해도를 증진시켜 재조합 미생물 내로의 흡수를 촉진시킬 수 있다. 하지만 본 발명에서는 스쿠알렌의 투입 방법에 대해서 제한을 두지 않는다.Here, since squalene as a substrate is an insoluble substance, it is preferable to increase the solubility of squalene in the medium by adding a small amount of a surfactant, an organic solvent, alcohol, etc. to promote absorption into the recombinant microorganism. However, in the present invention, the method of adding squalene is not limited.

구체적인 실시예에서, 본 발명의 재조합 미생물을 이용한 CK 생산방법의 또 하나의 특징은 무산소 광합성 조건에서 배양한 광합성 세균의 종균 (seed culture)을 호기성 조건으로 옮긴 후 스쿠알렌을 투입하여 CK를 생산하는 것이다. In a specific embodiment, another characteristic of the CK production method using the recombinant microorganism of the present invention is to transfer the seed culture of photosynthetic bacteria cultured under anoxic photosynthetic conditions to aerobic conditions, and then add squalene to produce CK. .

상기 “무산소 광합성 조건” 내지 “광합성 조건”은 균체를 외부와 격리된 배양 용기에 넣고 외기와의 접촉을 차단한 상태에서 빛을 조사하면서 배양하는 조건을 의미한다. 바람직하게는 근적외선 영역 (800-1,000 nm)에서 방출 파장을 형성하는 램프 (lamp)를 15-100 W/m2의 광도로 조사하는 램프를 광원 (light source)으로 사용할 수 있다. 본 발명의 구체적인 실시예에서 사용된 광합성 세균인 로도박터 스페로이데스는 광합성 조건에서 만입 세포막 (intracytoplasmic membrane)을 형성하여 막 단백질이 분포하는 세포막의 면적을 증가시킨다. 따라서 막 단백질로 예상되는 SE-CPR, DDS, PPDS-ATR1의 발현량이 최대가 되는 환경이 광합성 조건에서 만들어질 수 있다.The "anoxic photosynthetic conditions" to "photosynthetic conditions" refer to conditions in which cells are placed in a culture container isolated from the outside and cultured while irradiating light while blocking contact with the outside air. Preferably, a lamp that irradiates a lamp generating an emission wavelength in the near-infrared region (800-1,000 nm) at a light intensity of 15-100 W/m 2 may be used as a light source. Rhodobacter spheroides, a photosynthetic bacterium used in a specific embodiment of the present invention, forms an intracytoplasmic membrane under photosynthetic conditions to increase the area of the cell membrane in which membrane proteins are distributed. Therefore, an environment in which the expression levels of SE-CPR, DDS, and PPDS-ATR1, which are expected to be membrane proteins, are maximized, can be created under photosynthetic conditions.

상기 “호기성 조건”은 바람직하게는 균체를 배양 용기에 넣고 200 내지 250 rpm의 속도로 교반 (shaking)하는 배양 조건을 의미한다. 이는 대기 중의 산소를 배지 내로 효과적으로 공급하여 SE의 활성을 최대화하기 위함이다. 통기식 배양 (gas-sparging culture) 을 통한 산소 공급 역시 상기 호기성 조건의 범위에 포함된다.The "aerobic conditions" preferably means culture conditions in which cells are placed in a culture vessel and stirred at a speed of 200 to 250 rpm. This is to effectively supply oxygen in the atmosphere into the medium to maximize the activity of SE. Oxygen supply through gas-sparging culture is also included in the scope of the aerobic conditions.

본 발명에 제조한 CK 생산 광합성 세균을 활용할 경우 1일 만에 0.74 g/L 수율로 CK를 생산할 수 있다. 이는 생산성 측면에서 효모를 사용한 기존 방법의 최대 생산성인 1일 당 0.56 g/L (5.0 g/L for 9 days)와 유사한 수준이지만 세포 배양주기가 짧다는 장점이 있다. 일반적으로 세포 배양주기가 짧으면 재조합 균체의 안정성 유지 및 오염 통제가 더 용이하다. 또한 세포 자체적으로 대사되지 않는 스쿠알렌을 기질로 사용하여 이것이 재조합 CK 합성효소들에 의해서만 대사되기 때문에 기질-산물 수율이 효모를 이용한 방법보다 높다는 장점이 있다.When using the CK-producing photosynthetic bacteria prepared in the present invention, CK can be produced with a yield of 0.74 g/L in one day. In terms of productivity, this is similar to 0.56 g/L (5.0 g/L for 9 days) per day, which is the maximum productivity of the existing method using yeast, but has the advantage of a short cell culture cycle. In general, the shorter the cell culture cycle, the easier it is to maintain the stability of the recombinant cells and control contamination. In addition, since squalene, which is not metabolized by the cell itself, is used as a substrate and it is metabolized only by recombinant CK synthase, the substrate-product yield is higher than that of the method using yeast.

도 1 은 광합성 세균 로도박터 스페로이데스에 CK 합성효소의 유전자 및 보조효소를 발현시킨 재조합 균주 (RspCK)의 모식도이다.
도 2 는 다양한 종류의 SE와 CPR 중 최적의 조합을 선별한 것이다.
도 3 은 CK 합성효소들의 세포 내 발현을 확인한 것이다.
도 4 는 RspCK를 이용하여 CK를 생산하기 위해 최적의 성장 조건 및 생산 시간을 결정한 것이다.
도 5 는 RspCK를 이용한 CK 생산 시 기질인 스쿠알렌의 최적 투입 농도를 결정한 것이다.
도 6 은 최적 조건에서 RspCK의 CK 생산량을 HPLC를 이용하여 확인한 것이다.
1 is a schematic diagram of a recombinant strain (RspCK) expressing a CK synthase gene and a coenzyme in the photosynthetic bacterium Rhodobacter spheroides.
Figure 2 selects the optimal combination among various types of SE and CPR.
Figure 3 confirms the intracellular expression of CK synthase.
4 shows the determination of optimal growth conditions and production time to produce CK using RspCK.
5 shows the determination of the optimal input concentration of squalene as a substrate in CK production using RspCK.
Figure 6 confirms the CK production of RspCK under optimal conditions using HPLC.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위함이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 점은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. These examples are only for explaining the present invention in more detail, and it is obvious to those skilled in the art that the scope of the present invention is not limited by these examples.

SE와 CPR의 최적 조합 선별 Selecting the optimal combination of SE and CPR

광합성 세균 로도박터 스페로이데스에서 CK를 생산하기 위해서는 4개의 합성효소 (SE, DDS, PPDS, UGT1)가 필요하다 (도 1). 이 중 SE는 효소 활성을 위해 CPR이 요구된다. 본 발명에서는 SE와 CPR을 번역 융합한 효소 (SE-CPR)를 제작하여 CK 생산에 활용하였다. 이를 위해 다양한 유래의 SE 및 CPR을 조합하여 효소 활성이 최대가 되는 조합을 선별하였다 (도 2). 스크리닝을 위한 플랫폼 균주 제작을 위해 로도박터 스페로이데스 KD131 균주 (KCTC12085)의 야생종 (wild type)에 스쿠알렌 합성효소 (squalene synthase, SQS)의 유전자(서열번호 7)를 발현시켜 해당 균주에서 스쿠알렌이 합성되도록 하였고, crtE 유전자 (geranylgeranyl pyrophosphate synthase 암호화)를 결손시키고 자신의 ispA 유전자 (farnesyl diphosphate synthase 암호화)를 추가로 발현 증진시켜 스쿠알렌 합성을 위한 대사 물질의 흐름을 증진시켰다. 이렇게 완성된 플랫폼 균주에 각 조합의 SE-CPR (SE1-6)를 발현하는 유전자를 도입 후 각각의 재조합 균주를 100 mM의 포도당, 1% (w/v)의 효모추출물 (yeast extract), 및 100 mM의 글리세롤 (glycerol)이 첨가된 Sistrom 배지 (표 1)에서 48 시간 동안 진탕 배양 (50 rpm)하였다. SE의 반응 산물인 2,3-산화스쿠알렌 (2,3-oxidosqualene)의 추출을 위해 0.5 mL의 배양액에 0.5 mL의 염화메틸렌 (dichloromethane)을 첨가하고 혼합한 후 상층액을 분리하였다. 이 후 추출액을 고성능 액체 크로마토그래피 (HPLC)를 이용하여 분석하였다 (Grievenson et al. 1997. Anal. Biochem. 252: 19-23). 그 결과, 효모 (Saccharomyces cerevisiae) 의 SE와 메틸로코커스 캡슐러터스 (Methlyococcus capsulatus)의 CPR을 조합한 재조합 단백질 SE-CPR (SE6)를 도입했을 때 세포 내 SE의 반응 산물이 최대로 생성됨을 확인하였으며 이를 통해 해당 조합에서 SE의 효소활성이 최대가 되는 것으로 판단하였다 (도 2). 이후 실시예에서는 해당 조합의 재조합 SE-CPR (SE6)만을 사용하였다.Four synthetases (SE, DDS, PPDS, and UGT1) are required to produce CK in the photosynthetic bacterium Rhodobacter spheroides (FIG. 1). Among these, SE requires CPR for enzymatic activity. In the present invention, an enzyme (SE-CPR) obtained by translating SE and CPR was prepared and used for CK production. To this end, SE and CPR of various origins were combined to select a combination that maximized enzymatic activity (FIG. 2). To produce a platform strain for screening, squalene synthase (SQS) gene (SEQ ID NO: 7) was expressed in the wild type of Rhodobacter spheroides KD131 strain (KCTC12085), and squalene was synthesized in the strain. The crtE gene (encoding geranylgeranyl pyrophosphate synthase) was deleted and the expression of its own ispA gene (encoding farnesyl diphosphate synthase) was additionally enhanced to increase the flow of metabolites for squalene synthesis. After introducing the gene expressing SE-CPR (SE1-6) of each combination into the platform strain thus completed, each recombinant strain was prepared with 100 mM glucose, 1% (w/v) yeast extract, and Shaking culture (50 rpm) was performed for 48 hours in Sistrom medium (Table 1) supplemented with 100 mM glycerol. For extraction of 2,3-oxidosqualene, a reaction product of SE, 0.5 mL of methylene chloride (dichloromethane) was added to 0.5 mL of the culture medium, mixed, and the supernatant was separated. Thereafter, the extract was analyzed using high performance liquid chromatography (HPLC) (Grievenson et al. 1997. Anal. Biochem. 252: 19-23). As a result, when SE-CPR (SE6), a recombinant protein combining yeast ( Saccharomyces cerevisiae ) SE and Methylococcus capsulatus ( Methlyococcus capsulatus ) CPR, was introduced, it was confirmed that the reaction product of SE within the cell was maximized. Through this, it was determined that the enzymatic activity of SE was maximized in the corresponding combination (FIG. 2). In subsequent examples, only the recombinant SE-CPR (SE6) of the corresponding combination was used.

PPDS의 효소활성 역시 SE와 마찬가지로 CPR을 필요로 한다. PPDS의 경우 선행 연구 (Zhao et al. 2016. Biotechnol. Bioeng. 113(8): 1787-1795)를 기반으로 인삼 의 PPDS와 애기장대의 CPR (ATR1)이 번역 융합된 재조합 효소 (PPDS-ATR1)를 사용하였다.The enzymatic activity of PPDS, like SE, also requires CPR. In the case of PPDS, based on a previous study (Zhao et al. 2016. Biotechnol. Bioeng. 113(8): 1787-1795), PPDS of ginseng and CPR (ATR1) of Arabidopsis thaliana were translated into a recombinant enzyme (PPDS-ATR1) was used.

Sistrom 배지Sistrom badge 첨가물additive 최종농도final concentration KH2PO4 KH 2 PO 4 20 mM20 mM NaClNaCl 8.5 mM8.5 mM (NH4)2SO4 (NH 4 ) 2 SO 4 3.78 mM3.78 mM L-Glutamic acidL-Glutamic acid 0.67 mM0.67 mM L-Aspartic acidL-Aspartic acid 0.25 mM0.25 mM Succinic acidSuccinic acid 34 mM34 mM Nitrilotriacetic acidNitrilotriacetic acid 1.05 mM1.05 mM MgCl2·6H2OMgCl 2 ·6H 2 O 1.2 mM1.2 mM CaCl2·2H2OCaCl 2 2H 2 O 0.23 mM0.23 mM FeSO4·7H2OFeSO 4 7H 2 O 7 μM7 µM (NH4)6Mo7O24 (NH 4 ) 6 Mo 7 O 24 0.16 μM0.16 µM EDTAEDTA 4.7 μM4.7 µM ZnSO47H2OZnSO 4 7H 2 O 38 μM38 µM MnSO4H2OMnSO 4 H 2 O 9.1 μM9.1 µM CuSO45H2OCuSO 4 5H 2 O 1.6 μM1.6 µM Co(NO3)26H2OCo(NO 3 ) 2 6H 2 O 0.85 μM0.85 µM H3BO3 H 3 B O 3 1.8 μM1.8 µM 니코틴산nicotinic acid 8.1 μM8.1 µM 티아민염산염Thiamine hydrochloride 1.5 μM1.5 µM BiotinBiotin 41 nM41 nM

광합성 세균 내에서 CK 합성효소의 발현 확인Confirmation of expression of CK synthase in photosynthetic bacteria

4개의 CK 합성효소가 로도박터 스페로이데스 KD131에서 잘 형성되는지 확인하기 위해 웨스턴 블랏 (western blot)을 이용하였다 (도 3). 발현 벡터 pBBRMCS2에 각 효소의 유전자를 클로닝하고 이를 로도박터 스페로이데스 KD131에 도입하였다. 이 때, 각 효소는 검출 마커 (detection marker)로서 히스티딘-태그 (His6-tag) (SE-CPR, DDS, PPDS-ATR1) 또는 스트렙-태그 (Strep-tag) (UGT1)의 유전자를 효소의 N과 C 말단에 각각 번역 융합하였다 (도 3). 4개의 효소를 발현하는 각 균주를 다양한 성장조건에서 배양한 후 6,000 g에서 10분간 원심분리 하여 수득한 균체를 생리 식염수 (phosphate-bufferd saline, pH 7.4)에 용해하여 초음파 파쇄기 (model VCX130, Sonics & Materials)로 5분 간격, 3회 세포 파쇄를 진행한 후 다시 6,000 g에서 10분간 원심분리 후 세포 파쇄액을 획득하였다. 세포 파쇄액을 SDS-폴리아크릴아미드 젤 (SDS-polyacrylamide gel)에 로딩 (loading)한 후 항 히스티딘-태그 및 항 스트렙-태그 항체를 이용하여 웨스턴 블랏을 수행하였다. SE-CPR, DDS, UGT1은 호기성 (aerobic, 250 rpm 진탕배양), 준-호기성 (semi-aerobic, 50 rpm 진탕배양), 및 무산소 광합성 (photoheterotrophic) 배양 조건에서 검출된 발현량이 배양 조건에 따라 2-3배 차이가 있었다. 반면 PPDS-ATR1은 호기성, 준-호기성 조건에 비해 광합성 조건에서 발현량이 현저히 높았다. 추가로 효소의 세포 내 위치를 확인하기 위해 세포 파쇄액을 100,000 g, 4℃에서 1시간 동안 초고속 원심분리 (ultracentrifuge)를 수행하여 세포질 분획 (cytosolic fraction)과 세포막 분획 (membrane fraction)을 분리하여 상기 방법과 동일하게 웨스턴 블랏을 수행하였다. 그 결과 막 단백질 (membrane protein)으로 예상되는 SE-CPR, DDS, PPDS-ATR1은 대부분이 세포막 분획에서 검출되었고, 수용성 단백질 (soluble protein)로 예상되는 UGT1은 세포질 분획에서 검출되었다. In order to confirm that the four CK synthase enzymes are well formed in Rhodobacter spheroides KD131, western blot was used (FIG. 3). Genes for each enzyme were cloned into the expression vector pBBRMCS2 and introduced into Rhodobacter spheroides KD131. At this time, each enzyme has a histidine-tag (His 6 -tag) (SE-CPR, DDS, PPDS-ATR1) or strep-tag (UGT1) gene as a detection marker of the enzyme. Translational fusion was performed at the N and C termini, respectively (FIG. 3). After culturing each strain expressing the four enzymes under various growth conditions, the cells obtained by centrifugation at 6,000 g for 10 minutes were dissolved in physiological saline (phosphate-buffered saline, pH 7.4) and sonicated (model VCX130, Sonics & Materials), the cells were disrupted three times at intervals of 5 minutes, and then centrifuged at 6,000 g for 10 minutes to obtain a cell disruption solution. After loading the cell homogenate on SDS-polyacrylamide gel, Western blotting was performed using anti-histidine-tag and anti-strep-tag antibodies. For SE-CPR, DDS, and UGT1, the expression levels detected under aerobic (250 rpm shaking culture), semi-aerobic (50 rpm shaking culture), and anoxic photosynthetic (photoheterotrophic) culture conditions depended on the culture conditions 2 - There was a 3-fold difference. On the other hand, the expression level of PPDS-ATR1 was significantly higher in photosynthetic conditions than in aerobic and semi-aerobic conditions. In addition, in order to confirm the intracellular location of the enzyme, the cell lysate was subjected to ultracentrifugation at 100,000 g and 4 ° C for 1 hour to separate the cytosolic fraction and the membrane fraction. Western blotting was performed in the same manner as in the method. As a result, SE-CPR, DDS, and PPDS-ATR1, which are expected to be membrane proteins, were mostly detected in the plasma membrane fraction, and UGT1, which is expected to be a soluble protein, was detected in the cytoplasmic fraction.

RspCK의 제조 Preparation of RspCK

최종적으로 상기 4개의 CK 합성효소의 유전자를 동시에 로도박터 스페로이데스 KD131에 도입하였다 (도 1). 이 때 CK 합성효소들의 활성에 필요한 조효소 (cofactor)의 원활한 공급을 위해 2개의 보조효소 (ZWF, SUS1)의 유전자도 추가로 도입하였다. ZWF는 SE-CPR과 PPDS-ATR1의 반응에 필요한 NADPH를 공급하고, SUS1은 UGT1의 반응에 필요한 UDP-포도당을 공급하는 역할을 한다. 상기 4개의 CK 합성효소와 2개의 보조효소를 발현 벡터 pBBRMCS2와 pRK415에 클로닝한 후 이를 로도박터 스페로이데스 KD131의 야생종에 도입하여 CK 생산 균주 (RspCK)를 제조하였다 (도 1).Finally, the four CK synthase genes were simultaneously introduced into Rhodobacter spheroides KD131 (FIG. 1). At this time, genes for two coenzymes (ZWF, SUS1) were additionally introduced for smooth supply of cofactors necessary for the activity of CK synthase. ZWF supplies NADPH necessary for the reaction of SE-CPR and PPDS-ATR1, and SUS1 supplies UDP-glucose necessary for the reaction of UGT1. After cloning the four CK synthase enzymes and the two coenzymes into expression vectors pBBRMCS2 and pRK415, they were introduced into a wild strain of Rhodobacter spheroides KD131 to prepare a CK-producing strain (RspCK) (FIG. 1).

RspCK의 CK 생산을 위한 최적 조건 결정Determination of optimal conditions for CK production of RspCK

SE-CPR의 효소반응은 그 기질로서 산소를 소모하기 때문에 CK생산을 위해서는 RspCK를 호기성 내지 준-호기성 조건에서 배양해야 한다. 하지만 상기 실시예 2의 결과에서 SE-CPR, DDS, UGT1은 모든 성장 조건에서 발현이 되지만 PPDS-ATR1은 무산소 광합성 조건에서 발현이 최대임을 확인하였다. 따라서 효과적인 CK 생산을 위해 RspCK를 무산소 광합성 조건에서 정지기 (stationary phase) 직전까지 배양하여 세포 내에 CK 합성효소들의 발현을 유도한 후 해당 균체를 호기성 조건으로 옮겨서 CK 생산을 수행하였다 (도 4). 무산소 광합성 조건의 배지는 고밀도 세포 배양 (high cell-density culture)를 위해 Sistrom 배지에 100 mM의 포도당, 1% (w/v)의 효모추출물, 및 100 mM의 글리세롤을 첨가한 것을 사용하였고, 광합성 배양 후 호기성 조건으로 이동할 때 CK 생산 기질인 스쿠알렌 (1 g/L)과 100 mM의 포도당을 첨가하였다. 호기성 조건에서의 성장을 측정하면서 배양 시작 후 0, 12, 24, 48 h에서의 균체의 성장을 측정하고 배양액의 일부를 분리하였다. CK의 추출 및 분석을 위해 분리한 배양액 (0.5 mL)에 n-butanol (0.5 mL)을 첨가하여 혼합 후 상층액을 얻고 이를 HPLC를 이용하여 분석하여 CK를 정량하였다 (Nan et al. 2020. Microb. Cell Fact. 19:41). 그 결과 호기성 조건에서 균체의 성장은 배양 시작 후 12시간 이후로 멈추었지만 균체의 CK 생산량은 지속적으로 증가하여 24시간에 최대가 되었다. 따라서 하기 CK 생산량 분석에서는 무산소 광합성 조건과 뒤따르는 24시간의 호기성 배양을 거친 후 세포에서 CK를 추출하는 방법을 사용하였다.Since the enzymatic reaction of SE-CPR consumes oxygen as its substrate, RspCK must be cultured under aerobic or semi-aerobic conditions for CK production. However, from the results of Example 2, it was confirmed that SE-CPR, DDS, and UGT1 were expressed under all growth conditions, but the expression of PPDS-ATR1 was maximized under anoxic photosynthetic conditions. Therefore, for effective CK production, RspCK was cultured under anoxic photosynthetic conditions until just before the stationary phase to induce expression of CK synthase in cells, and then the cells were transferred to aerobic conditions to perform CK production (FIG. 4). As the medium under anoxic photosynthesis conditions, Sistrom medium containing 100 mM glucose, 1% (w/v) yeast extract, and 100 mM glycerol was added for high cell-density culture. When shifting to aerobic conditions after culture, squalene (1 g/L) and 100 mM glucose, which are CK-producing substrates, were added. While measuring growth under aerobic conditions, cell growth was measured at 0, 12, 24, and 48 h after the start of culture, and a portion of the culture medium was separated. For extraction and analysis of CK, n -butanol (0.5 mL) was added to the separated culture medium (0.5 mL), mixed, and the supernatant was obtained and analyzed using HPLC to quantify CK (Nan et al. 2020. Microb (Cell Fact. 19:41). As a result, the growth of the cells in aerobic conditions stopped after 12 hours after the start of culture, but the CK production of the cells continuously increased and reached a maximum at 24 hours. Therefore, in the following CK production analysis, a method of extracting CK from cells after anaerobic photosynthetic conditions and subsequent aerobic culture for 24 hours was used.

광합성 조건에서 호기성 조건으로 이동 시 투입되는 시작 기질인 스쿠알렌의 농도는 CK 생산에 있어서 하나의 중요한 요소이다. 따라서 스쿠알렌의 최적농도를 결정하기 위해 상기 RspCK 배양 방법와 동일하게 1에서 10 g/L의 농도 범위의 스쿠알렌을 각각 투입하여 최종 CK 생산량을 측정하였다 (도 5). 그 결과 약 5 g/L의 스쿠알렌 농도에서 CK 생산량이 최대가 되는 것을 확인하였다.The concentration of squalene, the starting substrate used when moving from photosynthetic conditions to aerobic conditions, is an important factor in CK production. Therefore, in order to determine the optimal concentration of squalene, squalene was added in the concentration range of 1 to 10 g/L in the same manner as the RspCK culturing method, and final CK production was measured (FIG. 5). As a result, it was confirmed that the CK production was maximized at a squalene concentration of about 5 g/L.

상기 결과를 토대로 최적화된 조건에서 RspCK를 배양하여 획득한 CK의 수율은 약 0.74 g/L 였다 (도 6). 시간 별로 채취한 배양액 내의 CK를 HPLC로 분석한 결과 CK 표준물질(compound-K standard, Sigma-Aldrich)과 유사한 용출 시간 (retention time)을 가지는 피크 (peak, 도 6의 화살표)가 시간에 따라 증가하는 것을 관찰할 수 있었고 이 피크들의 흡광 스펙트럼 (peak profile)은 CK 표준물질과 정확히 일치하였다 (도 6).The yield of CK obtained by culturing RspCK under conditions optimized based on the above results was about 0.74 g/L (FIG. 6). As a result of HPLC analysis of CK in the culture solution collected over time, the peak (arrow in FIG. 6) with a retention time similar to that of the CK standard material (compound-K standard, Sigma-Aldrich) increased with time was observed, and the absorption spectrum (peak profile) of these peaks exactly matched the CK standard material (FIG. 6).

Claims (11)

a) 스쿠알렌 에폭시화효소 (squalene epoxidase)와 시토크롬 P450 환원효소 (cytochrome P450 reductase)가 번역 융합 (translational fusion)된 재조합 효소를 코딩하는 유전자,
b) 다마렌디올 II 합성효소(dammarenediol II synthase)를 코딩하는 유전자,
c) 프로토파낙사디올 합성효소 (protopanaxadiol synthase)와 시토크롬 P450 환원효소가 번역 융합된 재조합 효소를 코딩하는 유전자, 및
d) UDP-글리코실 전달효소 (UDP-glycosyltransferase)를 코딩하는 유전자를 포함하는 진세노사이드 컴파운드-K (ginsenoside compound-K)의 생합성을 위한 재조합 미생물.
a) a gene encoding a recombinant enzyme obtained by translational fusion of squalene epoxidase and cytochrome P450 reductase;
b) a gene encoding dammarenediol II synthase;
c) a gene encoding a recombinant enzyme in which protopanaxadiol synthase and cytochrome P450 reductase are translated fused, and
d) A recombinant microorganism for the biosynthesis of ginsenoside compound-K containing a gene encoding UDP-glycosyltransferase.
제 1항에 있어서,
e) 포도당-6-인산 탈수소화효소 (glucose-6-phosphate dehydrogenase, ZWF)를 코딩하는 유전자, 및
f) 설탕 합성효소 (sucrose synthase, SUS1를 코딩하는 유전자 중 하나 이상을 추가로 포함하는 재조합 미생물.
According to claim 1,
e) a gene encoding glucose-6-phosphate dehydrogenase (ZWF), and
f) a recombinant microorganism further comprising at least one of genes encoding sucrose synthase (SUS1).
제 1 항에 있어서, a)의 재조합 효소에서 스쿠알렌 에폭시화효소는 메틸로코커스 캡슐러터스 (Methlyococcus capsulatus) 유래이고, 시토크롬 P450 환원효소는 효모(Saccharomyces cerevisiae) 유래인 재조합 미생물.The recombinant microorganism according to claim 1, wherein the squalene epoxidase in the recombinant enzyme of a) is derived from Methlyococcus capsulatus , and the cytochrome P450 reductase is derived from yeast ( Saccharomyces cerevisiae ). 제 1 항에 있어서, 다마렌디올 II 합성효소는 인삼 (Panax ginseng) 유래인 재조합 미생물.The recombinant microorganism according to claim 1, wherein the damarenediol II synthetase is derived from Panax ginseng . 제 1 항에 있어서, c)의 재조합 효소에서 프로토파낙사디올 합성효소는 인삼 (Panax ginseng) 유래이고, 시토크롬 P450 환원효소는 애기장대 (Arabidopsis thaliana) 유래인 재조합 미생물.The recombinant microorganism according to claim 1, wherein in the recombinant enzyme of c), the protopanaxadiol synthetase is derived from Panax ginseng , and the cytochrome P450 reductase is derived from Arabidopsis thaliana . 제 1 항에 있어서, UDP-글리코실 전달효소는 인삼 (Panax ginseng) 유래인 재조합 미생물.The recombinant microorganism according to claim 1, wherein the UDP-glycosyl transferase is derived from Panax ginseng . 제 2항에 있어서, 포도당-6-인산 탈수소화효소는 로도박터 스페로이데스 유래이고, 설탕 합성효소는 애기장대 (Arabidopsis thaliana) 유래인 재조합 미생물.The recombinant microorganism according to claim 2, wherein the glucose-6-phosphate dehydrogenase is derived from Rhodobacter spheroides, and the sugar synthase is derived from Arabidopsis thaliana . 제 1항에 있어서,
a) 스쿠알렌 에폭시화효소 (squalene epoxidase)와 시토크롬 P450 환원효소 (cytochrome P450 reductase)가 번역 융합 (translational fusion)된 재조합 효소를 코딩하는 유전자는 서열번호 1로 표시되고,
b) 다마렌디올 II 합성효소(dammarenediol II synthase)를 코딩하는 유전자는 서열번호 2로 표시되며,
c) 프로토파낙사디올 합성효소 (protopanaxadiol synthase)와 시토크롬 P450 환원효소가 번역 융합된 재조합 효소를 코딩하는 유전자는 서열번호 3으로 표시되고, 및
d) UDP-글리코실 전달효소 (UDP-glycosyltransferase)를 코딩하는 유전자는 서열번호 4로 표시되는 것인 재조합 미생물.
According to claim 1,
a) The gene encoding the recombinant enzyme in which squalene epoxidase and cytochrome P450 reductase are translated fused is represented by SEQ ID NO: 1,
b) The gene encoding dammarenediol II synthase is represented by SEQ ID NO: 2,
c) a gene encoding a recombinant enzyme in which protopanaxadiol synthase and cytochrome P450 reductase are translated fused is represented by SEQ ID NO: 3, and
d) A recombinant microorganism whose gene encoding UDP-glycosyltransferase is represented by SEQ ID NO: 4.
제 1 항에 있어서, 상기 미생물은 로도박터 속 (Rhodobacter sp.), 로도스피릴룸 속 (Rhodospirillum sp.), 로도수도모나스 속 (Rhodopseudomonas sp.), 로지오박터 속 (Rhoseobacter sp.), 브래디리조비움 속 (Bradyrhizobium sp.) 및 루브리비박스 속 (Rubrivivax sp.)으로 구성되는 군 또는 코리네박테리움 속 (Corynebacterium sp.)에서 선택되는 것을 특징으로 하는 재조합 미생물.According to claim 1, wherein the microorganism is Rhodobacter sp., Rhodospirillum sp., Rhodopseudomonas sp., Rhoseobacter sp., Brady Leezo A recombinant microorganism, characterized in that selected from the group consisting of Bradyrhizobium sp. and Rubrivivax sp., or Corynebacterium sp. 제 1 항 내지 제 9항 중 어느 한 항의 재조합 미생물을 기질인 스쿠알렌 (squalene)과 함께 배지에서 배양하는 단계를 포함하는 컴파운드-K 생산방법.A method for producing Compound-K comprising the step of culturing the recombinant microorganism according to any one of claims 1 to 9 in a medium together with squalene as a substrate. 제 10항에 있어서, 상기 방법은 재조합 미생물을 빛이 조사되는 무산소 광합성 조건에서 1차 배양한 후, 상기 재조합 미생물을 호기성 조건으로 배양 조건을 변경한 후 기질인 스쿠알렌과 함께 배양하는 것을 특징으로 하는 방법.11. The method of claim 10, wherein the method comprises first culturing the recombinant microorganism under light-irradiated anoxic photosynthetic conditions, and then culturing the recombinant microorganism with squalene as a substrate after changing the culture conditions to aerobic conditions. method.
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