KR20240017999A - Recombinant Strain for Production of 2,3-Butanediol with High Efficiency - Google Patents

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Abstract

본 발명은 2,3-BDO의 고효율 생산을 위한 재조합 균주에 관한 것으로, 클렙시엘라 옥시토카 (Klebsiella oxytoca) 균주에서 외막 포린 (outer membrane porin) 단백질을 코딩하는 유전자가 결실되거나, 상기 유전자의 발현이 감소 또는 억제된 2,3-BDO 생상능이 향상된 재조합 균주에 관한 것이다. The present invention relates to a recombinant strain for high-efficiency production of 2,3-BDO, and the gene encoding the outer membrane porin protein in the Klebsiella oxytoca strain is deleted or the expression of the gene This relates to a recombinant strain with improved 2,3-BDO production ability, which is reduced or suppressed.

Description

2,3-부탄다이올의 고효율 생산을 위한 재조합 균주 {Recombinant Strain for Production of 2,3-Butanediol with High Efficiency}{Recombinant Strain for Production of 2,3-Butanediol with High Efficiency}

본 발명은 2,3-부탄다이올 (2,3-Butanediol: 2,3-BDO)의 고효율 생산을 위한 재조합 균주에 관한 것으로, 클렙시엘라 옥시토카 (Klebsiella oxytoca) 균주에서 외막 포린 (outer membrane porin) 단백질을 코딩하는 유전자가 결실되거나, 상기 유전자의 발현이 감소 또는 억제된 2,3-BDO 생상능이 향상된 재조합 균주 및 이를 이용한 2,3-BDO의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a recombinant strain for high-efficiency production of 2,3-butanediol (2,3-BDO). Outer membrane porin in Klebsiella oxytoca strain. It relates to a recombinant strain with improved 2,3-BDO production ability in which the gene encoding the protein (porin) is deleted or the expression of the gene is reduced or suppressed, and a method for producing 2,3-BDO using the same.

미생물을 이용하여 고부가가치 산물을 생산하는 것은 친환경적이고, 산업적으로 경제적인 방법이다 (Priya, A., Lal, B. 2019. Efficient valorization of waste glycerol to 2,3-butanediol using Enterobacter cloacae TERI BD 18 as a biocatalyst. Fuel, 250, 292-305). Producing high value-added products using microorganisms is an environmentally friendly and industrially economical method (Priya, A., Lal, B. 2019. Efficient valorization of waste glycerol to 2,3-butanediol using Enterobacter cloacae TERI BD 18 as a biocatalyst. Fuel , 250, 292-305).

또한, 미생물이 탄소원으로 이용하는 당에 대한 소모능을 향상시키는 연구는 목적 화합물을 높은 효율로 생산하기 위해서 필요한 연구 분야이다. 이를 위한 효과적인 방법으로 실험실 적응 진화 기법이 있다. 이는 미생물이 주어진 환경에 적응하기 위해 자연스럽게 유전적 진화를 습득하여 추구하는 형질을 갖도록 유도하는 전략이다 (Sandberg, T.E., Lloyd, C.J., Palsson, B.O., Feist, A.M. 2017. Laboratory evolution to alternating substrate environments yields distinct phenotypic and genetic adaptive strategies. Applied and Environmental Microbiology, 83(13), e00410-17.)In addition, research on improving the ability of microorganisms to consume sugar used as a carbon source is a field of research necessary to produce target compounds with high efficiency. An effective method for this is the laboratory adaptive evolution technique. This is a strategy that induces microorganisms to acquire the desired traits by naturally acquiring genetic evolution to adapt to a given environment (Sandberg, T.E., Lloyd, C.J., Palsson, B.O., Feist, A.M. 2017. Laboratory evolution to alternating substrate environments yields Distinct phenotypic and genetic adaptive strategies. Applied and Environmental Microbiology, 83(13), e00410-17.)

미생물을 이용하여 보다 경제적으로 바이오 화합물을 생산하기 위해서는 공정 비용의 많은 부분을 차지하는 탄소원에 대한 비용을 줄이는 것이다. 이에 목질계 바이오매스로부터 추출된 당화액을 미생물 배양에 이용하려는 노력들이 이루어지고 있다 (Cha, J.W., Jang, S.H., Kim, Y.J., Chang, Y.K., Jeong, K.J., 2020. Engineering of Klebsiella oxytoca for production of 2,3-butanediol using mixed sugars derived from lignocellulosic hydrolysates. GCB Bioenergy, 12, 275-286).In order to produce bio compounds more economically using microorganisms, it is necessary to reduce the cost of carbon sources, which account for a large portion of the process cost. Accordingly, efforts are being made to use saccharification liquid extracted from lignocellulosic biomass for microbial culture (Cha, JW, Jang, SH, Kim, YJ, Chang, YK, Jeong, KJ, 2020. Engineering of Klebsiella oxytoca for production of 2,3-butanediol using mixed sugars derived from lignocellulosic hydrolysates. GCB Bioenergy, 12, 275-286).

목질계 바이오매스 당화액에는 대부분의 미생물이 기본적으로 이용할 수 있는 포도당과 같은 탄소원도 있지만, 자일로스, 만노스 및 갈락토스와 같은 탄소원들도 있다 (Bioresource Technology, 194, 247-255 및 Journal of biotechnology, 237, 13-17). 따라서, 포도당만이 아니라 다른 탄소원들을 효과적으로 이용할 수 있는 미생물을 개발한다면 값싼 목질계 바이오매스 당화액으로부터 바이오 화합물을 경제적으로 생산하기 위한 기술에 큰 기여를 할 수 있다.The lignocellulosic biomass saccharification solution includes carbon sources such as glucose, which can be basically used by most microorganisms, but also includes carbon sources such as xylose, mannose, and galactose (Bioresource Technology, 194, 247-255 and Journal of biotechnology, 237 , 13-17). Therefore, developing microorganisms that can effectively utilize not only glucose but also other carbon sources can greatly contribute to technology for economically producing bio compounds from inexpensive lignocellulosic biomass saccharification fluid.

자일로스는 다양한 목질계 바이오매스 유래 당화액에서 포도당에 이어 많은 비율을 차지하는 것으로 알려져 있고 바이오 화합물을 생산하는데 이용되는 대표적인 펜토스 탄소원이다 (Nieves, L.M., Panyon, L.A., Wang, X. 2015. Engineering sugar utilization and microbial tolerance toward lignocellulose conversion. Frontiers in bioengineering and biotechnology, 3, 17.).Xylose is known to occupy a large proportion after glucose in saccharification solutions derived from various lignocellulosic biomass and is a representative pentose carbon source used to produce bio compounds (Nieves, L.M., Panyon, L.A., Wang, X. 2015. Engineering sugar utilization and microbial tolerance toward lignocellulose conversion. Frontiers in bioengineering and biotechnology, 3, 17.).

본 발명자들은 이전에 자일로스를 더 효과적으로 이용하도록 클렙시엘라 옥시토카 게놈 상에 대장균 유래 자일로스 수송 유전자 삽입과 자일로스 기반 실험실 적응 진화를 수행하여 우수한 혼합당 소모능을 보이는 균주를 개발한 바 있다 (Cha, J.W., Jang, S.H., Kim, Y.J., Chang, Y.K., Jeong, K.J., 2020. Engineering of Klebsiella oxytoca for production of 2,3-butanediol using mixed sugars derived from lignocellulosic hydrolysates. GCB Bioenergy, 12, 275-286.).The present inventors have previously developed a strain showing excellent mixed sugar consumption ability by inserting a xylose transport gene from E. coli into the Klebsiella oxytoca genome and performing xylose-based laboratory adaptation evolution to utilize xylose more effectively. (Cha, J.W., Jang, S.H., Kim, Y.J., Chang, Y.K., Jeong, K.J., 2020. Engineering of Klebsiella oxytoca for production of 2,3-butanediol using mixed sugars derived from lignocellulosic hydrolysates. GCB Bioenergy, 12, 275- 286.).

이러한 기술적 배경하에서, 산업적으로 중요한 미생물의 당 소모능을 향상시킬 수 있는 유전적 변이를 갖는 미생물 개발을 개발하고자 하던 중, 클렙시엘라 옥시토카에서 외막 포린 (outer membrane porin) 단백질을 코딩하는 유전자가 결실되거나, 상기 유전자의 발현이 감소 또는 억제된 재조합 균주를 개발하고, 상기 균주가 바이오매스 유래 혼합당 기반에서 고속 성장할 수 있고, 2,3-BDO을 고효율로 생산할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.Under this technical background, while trying to develop microorganisms with genetic mutations that can improve the sugar consumption ability of industrially important microorganisms, a gene encoding an outer membrane porin protein was discovered in Klebsiella oxytoca. Developing a recombinant strain with deletion or reduced or suppressed expression of the gene, confirming that the strain can grow rapidly on a biomass-derived mixed sugar base and produce 2,3-BDO with high efficiency, and the present invention was completed.

본 발명의 목적은 2,3-BDO 고효율 생산이 가능한 재조합 균주를 제공하는데 있다. The purpose of the present invention is to provide a recombinant strain capable of producing 2,3-BDO with high efficiency.

본 발명의 목적은 상기 재조합 균주를 통해 2,3-BDO을 고효율로 생산하는 방법을 제공하는데 있다.The purpose of the present invention is to provide a method for producing 2,3-BDO with high efficiency through the above recombinant strain.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 자일로스 수송체를 코딩하는 유전자가 도입되어 있는 클렙시엘라 옥시토카 (Klebsiella oxytoca) 균주에서 외막 포린 (outer membrane porin) 단백질을 코딩하는 유전자가 결실되거나, 상기 유전자의 발현이 감소 또는 억제된, 2,3-BDO 생상능이 향상된 재조합 균주를 제공한다. In order to achieve the above object, the present invention is a Klebsiella oxytoca strain into which a gene encoding a xylose transporter has been introduced, in which the gene encoding the outer membrane porin protein is deleted, or Provided is a recombinant strain with reduced or suppressed gene expression and improved 2,3-BDO production ability.

본 발명은 또한, 다음 단계를 포함하는 2,3-BDO의 생산방법에 관한 것이다: (a) 상기 재조합 균주를 배양하여 2,3-BDO을 생성시키는 단계; 및 (b) 상기 생성된 2,3-BDO을 회수하는 단계.The present invention also relates to a method for producing 2,3-BDO comprising the following steps: (a) culturing the recombinant strain to produce 2,3-BDO; and (b) recovering the produced 2,3-BDO.

본 발명에 따른 재조합 균주는 목질계 바이오매스 유래 혼합당에 대한 향상된 이화작용으로 고속 성장과 2,3-BDO의 고효율 생산이 가능하다. 본 발명은 재조합 클렙시엘라 옥시토카를 이용하여 값 싼 원재료인 목질계 바이오매스로부터 경제적으로 2,3-BDO을 생산할 수 있다는 장점이 있다.The recombinant strain according to the present invention is capable of rapid growth and highly efficient production of 2,3-BDO due to improved catabolism of mixed sugars derived from lignocellulosic biomass. The present invention has the advantage of being able to economically produce 2,3-BDO from lignocellulosic biomass, an inexpensive raw material, using recombinant Klebsiella oxytoca.

도 1은 외래 자일로스 수송 유전자(xylE)가 도입된 CHA004 균주와 추가적인 실험실 적응 진화 기법이 도입된 CHA006 균주를 이용하여 CHA004와 CHA006 대비 CHA004 균주에 ompC 유전자가 결실된 CHA156 균주가 보이는 세포 성장과 자일로스 소모능과 2,3-BDO 생산 결과이다. (a): CHA004, CHA006, CHA156에서의 세포 성장 결과이다. (b): CHA004, CHA006, CHA156에서의 자일로스 소모 결과이다. (c): CHA004, CHA006, CHA156에서의 2,3-BDO 생산 결과이다.
도 2는 CHA004와 CHA006 대비 CHA156 균주가 보이는 세포 성장과 포도당 소모능과 2,3-BDO 생산 결과이다. (a): CHA004, CHA006, CHA156에서의 세포 성장 결과이다. (b): CHA004, CHA006, CHA156에서의 포도당 소모 결과이다. (c): CHA004, CHA006, CHA156에서의 2,3-BDO 생산 결과이다.
도 3은 CHA004와 CHA006 대비 CHA156 균주가 보이는 세포 성장과 만노스 소모능과 2,3-BDO 생산 결과이다. (a): CHA004, CHA006, CHA156에서의 세포 성장 결과이다. (b): CHA004, CHA006, CHA156에서의 만노스 소모 결과이다. (c): CHA004, CHA006, CHA156에서의 2,3-BDO 생산 결과이다.
도 4는 CHA004와 CHA006 대비 CHA156 균주가 보이는 세포 성장과 갈락토스 소모능과 2,3-BDO 생산 결과이다. (a): CHA004, CHA006, CHA156에서의 세포 성장 결과이다. (b): CHA004, CHA006, CHA156에서의 갈락토스 소모 결과이다. (c): CHA004, CHA006, CHA156에서의 2,3-BDO 생산 결과이다.
도 5는 CHA004와 CHA006 균주의 mrkJmrkA 전사량에 대한 분석 결과이다. (a): CHA006에서 확인 된 mrkJ 프로모터 상에 단일염기서열 변이에 따른 mrkJ의 전사 수준을 CHA004와 비교한 결과이다. (b): 생물막 형성에 관여하는 유전자 mrkA의 전사 수준을 CHA004와 비교한 결과이다.
도 6은 mrkJ 프로모터 상에 단일염기서열 변이에 따른 mrkJ의 전사 수준을 플라스미드 수준에서 확인한 결과이다. (a): 야생형 서열과 진화형 서열을 각각 포함하는 mrkJ 발현시스템을 pBAD33 플라스미드(pBAD33-P야생형-mrkJ 및 pBAD33-P진화형-mrkJ)를 기반으로 구축된 재조합 플라스미드의 모형이다. (b): 두 종류의 재조합 플라스미드를 CHA004 균주에 각각 형질전환하여 CHA268 및 CHA269의 mrkJ 전사량을 비교한 결과이다.
도 7은 각기 다른 mrkJ에 대한 발현양을 갖는 균주들 CHA264, CHA268, CHA269, CHA267의 생물막 형성도를 비교한 결과이다.
도 8은 소나무 목질계 바이오매스 당화액을 포함하는 배지에서 CHA156 균주에 pBAD33-P진화형-mrkJ를 형질전환 된 CHA269 균주를 CHA156 균주에 공벡터 pBAD33으로 형질전환 된 CHA270 균주와 비교하여 세포 성장을 보여주는 결과이다.
Figure 1 shows the cell growth and xylem of the CHA156 strain with the ompC gene deleted in the CHA004 strain compared to CHA004 and CHA006 using the CHA004 strain introduced with a foreign xylose transport gene ( xylE ) and the CHA006 strain introduced with an additional laboratory adaptive evolution technique. These are the results of loss consumption and 2,3-BDO production. (a): Cell growth results in CHA004, CHA006, and CHA156. (b): Results of xylose consumption in CHA004, CHA006, and CHA156. (c): 2,3-BDO production results in CHA004, CHA006, and CHA156.
Figure 2 shows the cell growth, glucose consumption ability, and 2,3-BDO production results of the CHA156 strain compared to CHA004 and CHA006. (a): Cell growth results in CHA004, CHA006, and CHA156. (b): Results of glucose consumption in CHA004, CHA006, and CHA156. (c): 2,3-BDO production results in CHA004, CHA006, and CHA156.
Figure 3 shows the cell growth, mannose consumption ability, and 2,3-BDO production results of the CHA156 strain compared to CHA004 and CHA006. (a): Cell growth results in CHA004, CHA006, and CHA156. (b): Mannose consumption results in CHA004, CHA006, and CHA156. (c): 2,3-BDO production results in CHA004, CHA006, and CHA156.
Figure 4 shows the cell growth, galactose consumption ability, and 2,3-BDO production results of the CHA156 strain compared to CHA004 and CHA006. (a): Cell growth results in CHA004, CHA006, and CHA156. (b): Results of galactose consumption in CHA004, CHA006, and CHA156. (c): 2,3-BDO production results in CHA004, CHA006, and CHA156.
Figure 5 shows the analysis results of mrkJ and mrkA transcript amounts in strains CHA004 and CHA006. (a): This is the result of comparing the transcription level of mrkJ due to a single nucleotide sequence mutation on the mrkJ promoter identified in CHA006 with that of CHA004. (b): This is the result of comparing the transcription level of mrkA , a gene involved in biofilm formation, with CHA004.
Figure 6 shows the results of confirming the transcription level of mrkJ according to a single nucleotide sequence mutation on the mrkJ promoter at the plasmid level. (a): It is a model of a recombinant plasmid constructed based on the pBAD33 plasmid (pBAD33-P wild type - mrkJ and pBAD33-P evolved type - mrkJ ) with an mrkJ expression system containing the wild type sequence and the evolved sequence respectively. (b): This is the result of comparing the mrkJ transcript amounts of CHA268 and CHA269 by transforming two types of recombinant plasmids into the CHA004 strain.
Figure 7 shows the results of comparing the biofilm formation of strains CHA264, CHA268, CHA269, and CHA267 with different expression levels of mrkJ .
Figure 8 shows cell growth in a medium containing pine lignocellulosic biomass saccharification solution compared to the CHA269 strain transformed with the pBAD33-P evolved type - mrkJ in the CHA156 strain and the CHA270 strain transformed with the empty vector pBAD33 in the CHA156 strain. It is a result.

다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술 분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.Unless otherwise defined, all technical and scientific terms used in this specification have the same meaning as commonly understood by a person skilled in the art to which the present invention pertains. In general, the nomenclature used herein is well known and commonly used in the art.

본 발명에서는, ompC 결실 및 생물막 형성이 저해된 미생물이 목질계 바이오매스 유래 혼합당에 대한 이화작용을 향상시키고 2,3-BDO의 고효율 생산을 통해 산업적으로 유용한 미생물의 발굴 및 개량에 사용될 수 있음을 확인하였다. 더욱 상세하게는 클렙시엘라 옥시토카에서 ompC 결실 및 생물막 형성 억제를 통해 바이오매스 유래 혼합당 기반 고속 성장 및 2,3-BDO 고효율 생산이 가능함을 확인하였다.In the present invention, microorganisms with ompC deletion and impaired biofilm formation can be used to discover and improve industrially useful microorganisms by improving the catabolism of mixed sugars derived from lignocellulosic biomass and producing 2,3-BDO with high efficiency. was confirmed. More specifically, it was confirmed that high-speed growth and high-efficiency production of 2,3-BDO based on biomass-derived mixed sugars were possible through deletion of ompC and inhibition of biofilm formation in Klebsiella oxytoca.

따라서, 본 발명은 일 관점에서, 자일로스 수송체를 코딩하는 유전자가 도입되어 있는 클렙시엘라 옥시토카 (Klebsiella oxytoca) 균주에서 외막 포린 (outer membrane porin) 단백질을 코딩하는 유전자가 결실되거나, 상기 유전자의 발현이 감소 또는 억제된, 2,3-BDO 생상능이 향상된 재조합 균주에 관한 것이다. Therefore, in one aspect of the present invention, in a Klebsiella oxytoca strain into which a gene encoding a xylose transporter has been introduced, the gene encoding an outer membrane porin protein is deleted, or the gene It relates to a recombinant strain with improved 2,3-BDO production ability in which the expression of is reduced or suppressed.

본 발명의 따른 구체예에서, 자일로스 소모능을 향상시키기 위해 당 대사 저해 유전자 mgsA 위치에 대장균 유래 자일로스 수송 유전자 xylE를 도입한 클렙시엘라 옥시토카 KCTC 1686 △mgsA::PBBa_J23118-xylE (CHA004) 균주에 실험실 적응 진화 기법을 통해 당 소모능과 세포 성장을 향상시킨 유전적 원인을 파악한 결과, 외막 포린 (outer membrane porin) 단백질을 코딩하는 유전자 ompC 유전자 상에 유전자 서열 삭제로 인한 프레임시프트와 사이클릭-디-GMP 포스포디에스테라아제 (cyclic-di-GMP phosphodiesterase) 코딩 유전자 mrkJ 프로모터 상에 단일 염기 서열 변화가 확인되었다.In an embodiment of the present invention, Klebsiella oxytoca KCTC 1686 △ mgsA ::P BBa_J23118 - xylE (CHA004) in which the xylose transport gene xylE derived from E. coli was introduced into the sugar metabolism inhibition gene mgsA position to improve xylose consumption ability ) As a result of identifying the genetic cause of improved glucose consumption and cell growth in the strain through laboratory adaptive evolution techniques, it was found that there was a frameshift caused by a deletion of the gene sequence on the ompC gene, which encodes the outer membrane porin protein. A single nucleotide sequence change was identified on the mrkJ promoter of the cyclic-di-GMP phosphodiesterase coding gene.

이에 기반하여, 상기 자일로스 수송체를 코딩하는 유전자는 xylE 유전자일 수 있다. 상기 자일로스 수송체를 코딩하는 유전자 xylE는 서열번호 1의 서열을 포함할 수 있다. 상기 자일로스 수송체를 코딩하는 유전자는 대장균 유래일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. Based on this, the gene encoding the xylose transporter may be the xylE gene. The gene xylE encoding the xylose transporter may include the sequence of SEQ ID NO: 1. The gene encoding the xylose transporter may be derived from E. coli, but is not limited thereto.

[서열번호 1][SEQ ID NO: 1]

ATGAATACCCAGTATAATTCCAGTTATATATTTTCGATTACCTTAGTCGCTACATTAGGTGGTTTATTATTTGGCTACGACACCGCCGTTATTTCCGGTACTGTTGAGTCACTCAATACCGTCTTTGTTGCTCCACAAAACTTAAGTGAATCCGCTGCCAACTCCCTGTTAGGGTTTTGCGTGGCCAGCGCTCTGATTGGTTGCATCATCGGCGGTGCCCTCGGTGGTTATTGCAGTAACCGCTTCGGTCGTCGTGATTCACTTAAGATTGCTGCTGTCCTGTTTTTTATTTCTGGTGTAGGTTCTGCCTGGCCAGAACTTGGTTTTACCTCTATAAACCCGGACAACACTGTGCCTGTTTATCTGGCAGGTTATGTCCCGGAATTTGTTATTTATCGCATTATTGGCGGTATTGGCGTTGGTTTAGCCTCAATGCTCTCGCCAATGTATATTGCGGAACTGGCTCCAGCTCATATTCGCGGGAAACTGGTCTCTTTTAACCAGTTTGCGATTATTTTCGGGCAACTTTTAGTTTACTGCGTAAACTATTTTATTGCCCGTTCCGGTGATGCCAGCTGGCTGAATACTGACGGCTGGCGTTATATGTTTGCCTCGGAATGTATCCCTGCACTGCTGTTCTTAATGCTGCTGTATACCGTGCCAGAAAGTCCTCGCTGGCTGATGTCGCGCGGCAAGCAAGAACAGGCGGAAGGTATCCTGCGCAAAATTATGGGCAACACGCTTGCAACTCAGGCAGTACAGGAAATTAAACACTCCCTGGATCATGGCCGCAAAACCGGTGGTCGTCTGCTGATGTTTGGCGTGGGCGTGATTGTAATCGGCGTAATGCTCTCCATCTTCCAGCAATTTGTCGGCATCAATGTGGTGCTGTACTACGCGCCGGAAGTGTTCAAAACGCTGGGGGCCAGCACGGATATCGCGCTGTTGCAGACCATTATTGTCGGAGTTATCAACCTCACCTTCACCGTTCTGGCAATTATGACGGTGGATAAATTTGGTCGTAAGCCACTGCAAATTATCGGCGCACTCGGAATGGCAATCGGTATGTTTAGCCTCGGTACCGCGTTTTACACTCAGGCACCGGGTATTGTGGCGCTACTGTCGATGCTGTTCTATGTTGCCGCCTTTGCCATGTCCTGGGGTCCGGTATGCTGGGTACTGCTGTCGGAAATCTTCCCGAATGCTATTCGTGGTAAAGCGCTGGCAATCGCGGTGGCGGCCCAGTGGCTGGCGAACTACTTCGTCTCCTGGACCTTCCCGATGATGGACAAAAACTCCTGGCTGGTGGCCCATTTCCACAACGGTTTCTCCTACTGGATTTACGGTTGTATGGGCGTTCTGGCAGCACTGTTTATGTGGAAATTTGTCCCGGAAACCAAAGGTAAAACCCTTGAGGAGCTGGAAGCGCTCTGGGAACCGGAAACGAAGAAAACACAACAAACTGCTACGCTGTAAATGAATACCCAGTATAATTCCAGTTATATATTTTCGATTACCTTAGTCGCTACATTAGGTGGTTTATTATTTGGCTACGACACCGCCGTTATTTCCGGTACTGTTGAGTCACTCAATACCGTCTTTGTTGCTCCACAAAACTTAAGTGAATCCGCTGCCAACTCCCTGTTAGGGTTTTGCGTGGCCAGCGCTCTGATTGGTTGCATCATCGGCGGTGCCCTCGGTGGTTATTGCAGTAACCGCTTCGGTCGTCGTGATTCACTTA AGATTGCTGCTGTCCTGTTTTTTATTTCTGGTGTAGGTTCTGCCTGGCCAGAACTTGGTTTTACCTCTATAAACCCGGACAACACTGTGCCTGTTTATCTGGCAGGTTATGTCCCGGAATTTGTTATTTATCGCATTATTGGCGGTATTGGCGTTGGTTTAGCCTCAATGCTCTCGCCAATGTATATTGCGGAACTGGCTCCAGCTCATATTCGCGGGAAACTGGTCTCTTTTAACCAGTTTGCGATTATTTTCGGGCAACTTTTAGT TTACTGCGTAAAACTATTTTATTGCCCGTTCCGGTGATGCCAGCTGGCTGAATACTGACGGCTGGCGTTATATGTTTGCCTCGGAATGTATCCCTGCACTGCTGTTCTTAATGCTGCTGTATACCGTGCCAGAAAGTCCTCGCTGCTGATGTCGCGCGGCAAGCAAGAACAGGCGGAAGGTATCCTGCGCAAAATTATGGGCAACACGCTTGCAACTCAGGCAGTACAGGAAATTAAACACTCCCTGGATCATGGCCGCAAAAAA ACCGGTGGTCGTCTGCTGATGTTTGGCGTGGGCGTGATTGTAATCGGCGTAATGCTCTCCATCTTCCAGCAATTTGTCGGCATCAAATGTGGTGCTGTACTACGCGCCGGAAGTGTTCAAAACGCTGGGGGGCCAGCACGGATATCGCGCTGTTGCAGACCATTATTGTCGGAGTTATCAACCTCACCTTCACCGTTCTGGCAATTATGACGGTGGATAAATTTGGTCGTAAGCCACTGCAAATTATCGGCGCACTCGGAATGG CAATCGGTATGTTTAGCCTCGGTACCGCGTTTTACACTCAGGCACCGGGTATTGTGGCGCTACTGTCGATGCTGTTCTATGTTGCCGCCTTTGCCATGTCCTGGGGTCCGGTATGCTGGGTACTGCTGTCGGAAATCTTCCCGAATGCTATTCGTGGTAAAGCGCTGGCAATCGCGGTGGCGGCCCAGTGGCTGGCGAACTACTTCGTCTCCTGGACCTTCCCGATGATGGACAAAAACTCCTGGCTGGTGGCATTTCCACA ACGGTTTCTCCTACTGGATTTACGGTTGTATGGGCGTTCTGGCAGCACTGTTTATGTGGAAATTTGTCCCGGAAACCAAAGGTAAAACCCTTGAGGAGCTGGAAGCGCTCTGGGAACCGGAAACGAAGAAAACACAACAAACTGCTACGCTGTAA

상기 자일로스 수송체를 코딩하는 유전자는 클렙시엘라 옥시토카 중 당 대사 저해 유전자 mgsA 위치에 도입된 것일 수 있다. 상기 당 대사 저해 유전자 mgsA는 서열번호 2의 서열을 포함할 수 있다. 상기 서열번호 2의 서열을 가지는 당 대사 저해 유전자 mgsA 위치에 자일로스 수송체를 코딩하는 유전자 xylE가 도입됨으로써, 서열번호 2의 서열을 가지는 당 대사 저해 유전자 mgsA는 결실될 수 있다. The gene encoding the xylose transporter may be introduced into the sugar metabolism inhibition gene mgsA in Klebsiella oxytoca. The sugar metabolism inhibition gene mgsA may include the sequence of SEQ ID NO: 2. By introducing the gene xylE encoding a xylose transporter into the position of the sugar metabolism inhibition gene mgsA having the sequence of SEQ ID NO: 2, the sugar metabolism inhibition gene mgsA having the sequence of SEQ ID NO: 2 can be deleted.

[서열번호 2][SEQ ID NO: 2]

ATGGAACTAACAACACGTACCTTGCCAGCACGCAAGCATATTGCGCTGGTTGCTCACGATCACTGTAAAGATATGCTGATGAAGTGGGTCGAGCGCCACCAGCCATTGCTGGCGCAACACACGCTCTCGGCGACAGGAACGACCGGAAATCTGGTGTCACGCGCAACCGGGCTGGAGGTGCATGCGATGCTGAGTGGTCCCATGGGCGGCGACCAGCAGGTGGGTGCGCTGATTTCAGAAGGTAAAATCGATGTATTGATTTTTTTCTGGGATCCGCTAAATGCCGTGCCGCACGACCCGGATGTTAAAGCGTTATTACGTTTGGCGACGGTATGGAATATTCCCGTCGCCACCAATGTCTCAACCGCCGACTTTATTATCCAGTCCCCGCACTTCAGCGACCCCGTTGATATCCTGATCCCTGATTATCAGCGCTACCTTGCAGAGCGTCTGAAATAAATGGAACTAACAACACGTACCTTGCCAGCACGCAAGCATATTGCGCTGGTTGCTCACGATCACTGTAAAGATATGCTGATGAAGTGGGTCGAGCGCCACCAGCCATTGCTGGCGCAACACACGCTCTCGGCGACAGGAACGACCGGAAATCTGGTGTCACGCGCAACCGGGCTGGAGGTGCATGCGATGCTGAGTGGTCCCATGGGCGGCGACCAGCAGGTGGGTGCGCTGATTTCAGAAGGTAAAATCGATGTATTGATTGATT TTTTTCTGGGATCCGCTAAATGCCGTGCCGCACGACCCGGATGTTAAAGCGTTATTACGTTTGGCGACGGTATGGAATATTCCCGTCGCCACCAATGTCTCAACCGCCGACTTTATTATCCAGTCCCCGCACTTCAGCGACCCCGTTGATATCCTGATCCCTGATTATCAGCGCTACCTTGCAGAGCGTCTGAAAATAA

상기 외막 포린을 코딩하는 유전자는 ompC일 수 있다. 상기 ompC 유전자는 서열번호 3의 서열을 포함할 수 있다. 상기 ompC 유전자가 결실되거나, 상기 유전자의 발현이 감소 또는 억제될 수 있다. The gene encoding the outer membrane porin may be ompC . The ompC gene may include the sequence of SEQ ID NO: 3. The ompC gene may be deleted, or expression of the gene may be reduced or suppressed.

[서열번호 3][SEQ ID NO: 3]

ATGAAAGTTAAAGTACTGTCCCTCCTGGTACCGGCACTGCTGGTAGCAGGCGCAGCGAATGCGGCTGAAGTCTATAACAAAGATGGCAACAAATTAGATCTGTACGGTAAAATCGACGGTCTGCACTATTTCTCTGACGACAAATCTTCCGATGGCGACCAGACCTACATGCGTCTGGGCATCAAAGGCGAAACTCAGATCAACGACCAGCTGACCGGTTACGGCCAGTGGGAATACAACGTTCAGGCTAACAACACCGAGAGCTCCAGCGATCAGGCGTGGACTCGTCTGGCATTTGCTGGTCTGAAATTCGGCGACGCGGGTTCTTTCGACTACGGTCGTAACTACGGCGTTGTCTACGACGTAACTTCCTGGACTGACGTTCTGCCGGAATTCGGCGGCGACACCTACGGTTCTGACAACTTCCTGCAGTCTCGCGCTAACGGCGTGGCAACCTACCGTAACTCTGACTTCTTCGGTCTGGTTGACGGCCTGAACTTTGCTCTGCAGTATCAGGGTAAAAACGGCAGCGTAAGCGGCGAAGGTACTTCCCCGACCAACAACGGTCGTGGCGCTCTGAAACAGAACGGCGACGGTTACGGCACCTCTCTGACCTATGATATCTACGACGGTATCAGCGCTGGTTTCGCGTACTCTCACTCCAAACGTAATGGCGATCAGAATAACCTGTCCAAAGGTCGTGGTGACAACGCTGAAACCTACACCGGTGGCCTGAAATATGACGCCAACAACATCTACCTGGCGACTCAGTACACCCAGACCTATAATGCTACTCGTTTCAGCGGTAGCGGTGATTCTGACTCCATCAGCGGTTTTGCTAACAAAGCGCAGAACTTCGAAGTGGTTGCTCAGTACCAGTTCGACTTCGGTCTGCGTCCGTCCGTGGCTTACCTGCAGTCCAAAGGTAAAGACATCGAAGGTTTCGGCGATCAGGATCTGCTGAAATATGTTGATGTAGGCGCGACCTACTACTTCAACAAAAACATGTCCACCTACGTTGACTACAAAATCAACCTGCTGGACGACAACGAGTTTACCCGTCGTGCCGGTATCTCTACCGACGACATCGTTGCACTGGGCCTGGTTTACCAGTTCTAAATGAAAGTTAAAGTACTGTCCCTCCTGGTACCGGCACTGCTGGTAGCAGGCGCAGCGAATGCGGCTGAAGTCTATAACAAAGATGGCAACAAATTAGATCTGTACGGTAAAATCGACGGTCTGCACTATTTCTCTGACGACAAATCTTCCGATGGCGACCAGACCTACATGCGTCTGGGCATCAAAGGCGAAACTCAGATCAACGACCAGCTGACCGGTTACGGCCAGTGGGAATACAACGTTCAGGCTAACAACACCGAGA GCTCCAGCGATCAGGCGTGGACTCGTCTGGCATTTGCTGGTCTGAAATTCGGCGACGCGGGTTCTTTCGACTACGGTCGTAACTACGGCGTTGTCTACGACGTAACTTCCTGGACTGACGTTCTGCCGGAATTCGGCGGCGACACCTACGGTTCTGACAACTTCCTGCAGTCTCGCGCTAACGGGCGTGGCAACCTACCGTAACTCTGACTTCTTCGGTCTGGTTGACGGCCTGAACTTTGCTCTGCAGTATCAGGGTAA AAACGGCAGCGTAAGCGGCGAAGGTACTTCCCCGACCAACAACGGTCGTGGCGCTCTGAAACAGAACGGCGACGGTTACGGCACCTCTCTGACCTATGATATCTACGACGGTATCAGCGCTGGTTTCGCGTACTCTCACTCCAAACGTAATGGCGATCAGAATAACCTGTCCAAAGGTCGTGGTGACAACGCTGAAACCTACACCGGTGCCTGAAATATGACGCCAACAACATCTACCTGGCGACTCAGTACACCCAGACCT ATAAATGCTACTCGTTTCAGGCGGTAGCGGTGATTCTGACTCCATCAGCGGTTTTGCTAACAAAGCGCAGAACTTCGAAGTGGTTGCTCAGTACCAGTTCGACTTCGGTCTGCGTCCGTCCGTGGCTTACCTGCAGTCCAAAGGTAAAGACATCGAAGGTTTCGGCGATCAGGATCTGCTGAAATATGTTGATGTAGGCGCGACCTACTACTTCAACAAAAACATGTCCACCTACGTTGACTACAAAATCAACCTGCTGGACGACAACG AGTTTACCCGTCGTGCCGGTATCTCTACCGACGACATCGTTGCACTGGGCCTGGTTTACCAGTTCTAA

본 발명에 따른 재조합 균주는 추가로, 생물막 형성이 억제되도록 사이클릭-디-GMP 포스포디에스테라아제 (cyclic-di-GMP phosphodiesterase)를 코딩 유전자가 과발현된 것일 수 있다. In addition, the recombinant strain according to the present invention may be one in which a gene encoding cyclic-di-GMP phosphodiesterase is overexpressed to inhibit biofilm formation.

상기 사이클릭-디-GMP 포스포디에스테라아제 코딩 유전자는 mrkJ일 수 있다. mrkJ는 cyclic-di-GMP phosphodiesterase를 암호화하는 유전자로 다양한 박테리아에서 신호 전달에 사용되는 메신저인 cyclic-di-GMP를 가수분해하는 기능을 가진다. cyclic-di-GMP는 생물막 형성, 표면 적응, 독성 및 세포 주기 진행과 같은 세포 작용에 관여한다. cyclic-di-GMP phosphodiesterase 과발현은 세포 내 cyclic-di-GMP 농도를 낮출 수 있다. The cyclic-di-GMP phosphodiesterase coding gene may be mrkJ . mrkJ is a gene encoding cyclic-di-GMP phosphodiesterase and has the function of hydrolyzing cyclic-di-GMP, a messenger used for signal transmission in various bacteria. Cyclic-di-GMP is involved in cellular functions such as biofilm formation, surface adaptation, virulence, and cell cycle progression. Overexpression of cyclic-di-GMP phosphodiesterase can reduce intracellular cyclic-di-GMP concentration.

상기 사이클릭-디-GMP 포스포디에스테라아제 코딩 유전자 mrkJ는 서열번호 4의 서열을 포함할 수 있다. The cyclic-di-GMP phosphodiesterase coding gene mrkJ may include the sequence of SEQ ID NO: 4.

[서열번호 4][SEQ ID NO: 4]

ATGTTAAAGAACAGTGTGGAAATAGAATCCTGCAGGTTTGTTTTAGAACCATCTTACAAAAAAGATGGTTCTATTCATTCTTGGGAAATTCTCACGAAAAGTGTTAAAAAAAAGAACGCTAATGATTATCATGCTAATGAAGGTCTTTTTTGCTTCAGTTCGCTAAGCGATAAAGAAAAAATCGATGTGTTTAAGAGACAGATATTGACAATTGAAAAGCTTGATGCATCAAAATTGAAGTTCAAGCCAGTTTCGTTGAATGTTGACAGTCTTATTAGCGATTGTATTTTGAACGATAAATATATTGGTGATTACTTAAAAAACCAAAAAAACATTGCTTTTGAGATTAACGAGTATTTTCATGAATTCAATACTAAATGCTGTATGGTTGACTTAAAGTGTCTTTCAAAATTGTGTCCAGTATGGCTGGATGATTTTGGAAGGGGCTTAACAAGTTTAACAATTATTGATATGTTTAATTTTGAATGTATAAAAATTGATAAAGATTATTTCTGGGAAATACAGAGTGAGAGCGAATTCTTTAAAAGAATAAATAAAATAAAATCATACTGCAATTTCGTGATTGTTGAGGGAGTTGAGACAATAGAACAAAAAAATAAAGTACATTCTGTTGTTGATTGCGCTTGCCAGGGAAGGTTGTGGATGAGTGATTACTATTATGTTGAGATTCACCACCACCACCACCACTAATAGATGTTAAAGAACAGTGTGAAATAGAATCCTGCAGGTTTTGTTTTAGAACCATCTTACAAAAAAGATGGTTCTATTCATTCTTGGGAAATTCTCACGAAAAGTGTTAAAAAAAAAGAACGCTAATGATTATCATGCTAATGAAGGTCTTTTTTGCTTCAGTTCGCTAAGCGATAAAGAAAAAATCGATGTGTTTAAGAGACAGATATTGACAATTGAAAAGCTTGATGCATCAAAATTGAAGTTCAAGCCCAGTTTCGTTGAATGT TGACAGTCTTATTAGCGATTGTATTTTGAACGATAAATATATTGGTGATTACTTAAAAAACCAAAAAAACATTGCTTTTGAGATTAACGAGTATTTTCATGAATTCAATACTAAATGCTGTATGGTTGACTTAAAGTGTCTTTCAAAATTGTGTCCAGTATGGCTGGATGATTTTGGAAGGGGGCTTAACAAGTTTAACAATTATTGATATGTTTAATTTTGAATGTATAAAAATTGATAAGATTATTTCTGGGAAATACAGAGTGAGAGCGAATT CTTTAAAAGAATAAATAAAATAAAATCATACTGCAATTTCGTGATTGTTGAGGGAGTTGAGACAATAGAACAAAAAAATAAAGTACATTCTGTTGTTGATTGCGCTTGCCAGGGAAGGTTGTGGATGAGTGATTACTATTATGTTGAGATTCACCACCACCACCACCACTAATAG

실험실 적응 진화 기법을 통해 당 소모능과 세포 성장을 향상시킨 유전적 원인을 파악하기 위해 총 유전체 분석을 수행하였고, mrkJ 프로모터 상에 단일 염기 서열 변화가 확인되었다.Whole genome analysis was performed using laboratory adaptive evolution techniques to determine the genetic cause of improved glucose consumption and cell growth, and a single nucleotide sequence change was identified on the mrkJ promoter.

상기 사이클릭-디-GMP 포스포디에스테라아제 코딩 유전자의 과발현은 사이클릭-디-GMP 포스포디에스테라아제 코딩 유전자의 프로모터 중 단일 염기 서열이 치환된 프로모터로 교체되어, 해당 프로모터 하에서 발현이 조절될 수 있다. 상기 프로모터는 서열번호 5의 서열을 포함할 수 있다. Overexpression of the cyclic-D-GMP phosphodiesterase coding gene may be achieved by replacing the promoter of the cyclic-D-GMP phosphodiesterase coding gene with a promoter in which a single nucleotide sequence is substituted, thereby controlling expression under the corresponding promoter. The promoter may include the sequence of SEQ ID NO: 5.

[서열번호 5][SEQ ID NO: 5]

TTGCATGCCGAATAATTGAAGATGAAATGATTTATTTTCTTATGATGTTATACCTATAAATGTTTAAGATGGTTTATTATCGGCATTATCATCGCAGATAAATTTCTTCGGAACCTCAGACACCTTCTCAACTAACGTTTGATATCTGGCACTAAATTATTAGTATTTAATAACACATTGATTTTATTGTGATTTATAATGAAATCATGTTTCTATTTTTACCTTTCACTTCACTTCATTTTATTTGAATTACCGATCAATTTGTGGTGTGTGATAGGTTTCGCCTATTGTTCGATCATGATCGATCATTTTAAACTATTTCTCTTTCATTTATAATTATGACACGATTAGGAATATTCTTAGTTCCGGTGTTTTTTTTTGCATGCCGAATAATTGAAGATGAAATGATTTATTTTCTTATGATGTTATACCTATAAATGTTTAAGATGGTTTATTATCGGCATTATCATCGCAGATAAATTTCTTCGGAACCTCAGACACCTTCTCAACTAACGTTTGATATCTGGCACTAAATTATTAGTATTTAATAACACATTGATTTTATTGTGATTTATAATGAAATCATGTTTCTATTTTTACCTTTCACTTCACTTCATTTTATTTGAATTACCGATCAATTTGTG GTGTGTGATAGGTTTCGCCTATTGTTCGATCATGATCGATCATTTTAAACTATTTCTCTTTCATTTATAATTATGACACGATTAGGAATATTCTTAGTTCCGGTGTTTTTTT

미생물을 통한 2,3-BDO 생산에서, 당의 발효를 통해 2,3-BDO을 생산할 수 있고, 2,3-BDO의 생산을 높이기 위해서는 대사과정에서 부산물의 생산을 줄이고 당과 같은 기질로부터 빠른 시간에 최대의 2,3-BDO 만들 수 있도록 대사공학적 접근이 필요하다.In the production of 2,3-BDO through microorganisms, 2,3-BDO can be produced through sugar fermentation. In order to increase the production of 2,3-BDO, the production of by-products during the metabolic process must be reduced and the production of by-products from substrates such as sugars can be removed in a short time. A metabolic engineering approach is needed to produce the maximum amount of 2,3-BDO.

상기 2,3-BDO 생산을 위한 클렙시엘라 옥시토카는 KCTC 1686의 기탁번호를 가질 수 있다. Klebsiella oxytoca for the production of 2,3-BDO may have the accession number of KCTC 1686.

본 발명은 다른 관점에서, 다음 단계를 포함하는 2,3-BDO의 생산방법에 관한 것이다:The present invention, in another aspect, relates to a process for the production of 2,3-BDO comprising the following steps:

(a) 상기 재조합 균주를 배양하여 2,3-BDO을 생성시키는 단계; 및 (a) cultivating the recombinant strain to produce 2,3-BDO; and

(b) 상기 생성된 2,3-BDO을 회수하는 단계.(b) recovering the produced 2,3-BDO.

상기 재조합 균주는 목질계 바이오매스 유래 혼합당을 포함하는 배지에서 배양할 수 있다. The recombinant strain can be cultured in a medium containing mixed sugars derived from lignocellulosic biomass.

상기 목질계 바이오매스 당화액은 대부분의 미생물이 기본적으로 이용할 수 있는 포도당과 같은 탄소원도 있지만, 예를 들어 자일로스, 만노스 및 갈락토스와 같은 탄소원들도 포함될 수 있다. The lignocellulosic biomass saccharification solution includes carbon sources such as glucose that can be used by most microorganisms, but may also include carbon sources such as xylose, mannose, and galactose.

이를 바탕으로, 상기 재조합 균주는 목질계 바이오매스 유래 혼합당 예를 들어, 자일로스, 포도당, 만노스 및 갈락토스로 구성된 당을 포함하는 배지에서 배양할 수 있다. 본 발명의 구체적 실시예에 따르면, 자일로스, 포도당, 만노스, 갈락토스를 포함한 배지에서 본 발명에 따른 균주는 향상된 세포 성장과 당 소모 활성을 가짐으로써 효율적으로 2,3-BDO을 생산할 수 있음을 확인하였다. Based on this, the recombinant strain can be cultured in a medium containing mixed sugars derived from lignocellulosic biomass, for example, sugars consisting of xylose, glucose, mannose, and galactose. According to a specific example of the present invention, it was confirmed that the strain according to the present invention can efficiently produce 2,3-BDO by having improved cell growth and sugar consumption activity in a medium containing xylose, glucose, mannose, and galactose. did.

본 발명에서 유전자가 "도입"되어 있다는 것은, 상기 유전자에 의해 생성되는 펩타이드 또는 단백질이 숙주 미생물에 없는 경우 이를 인위적으로 숙주 미생물에서 발현하도록 하여 펩타이드 또는 단백질의 활성 또는 기능을 갖도록 하는 것을 의미한다. In the present invention, "introducing" a gene means that if the peptide or protein produced by the gene is not present in the host microorganism, it is artificially expressed in the host microorganism to have the activity or function of the peptide or protein.

본 발명에서 "결실"이란 해당 유전자의 일부 또는 전체염기를 변이, 치환 또는 삭제시키는 방법을 통해 해당 유전자가 발현되지 않도록 하거나 발현되더라도 활성 또는 기능을 나타내지 못하도록 하는 것으로, 상기 유전자에 의해 생성되는 펩타이드 또는 단백질의 활성 또는 기능이 내재적 활성 또는 기능에 비하여 약화되도록 변형됨을 포괄하는 개념이다.In the present invention, "deletion" refers to preventing the gene from being expressed or showing no activity or function even if expressed through a method of mutation, substitution, or deletion of some or all bases of the gene, including the peptide or It is a concept that encompasses the modification of a protein's activity or function to be weakened compared to its intrinsic activity or function.

본 발명에서, 일부 유전자는 그 유전자의 발현을 조절하는 내재적 프로모터가 특정 발현 프로모터로 교체되어, 상기 유전자의 과발현 등을 유도함으로써, 상기 유전자에 의해 생성되는 펩타이드 또는 단백질의 활성 또는 기능이 내재적 활성 또는 기능에 비하여 강화되도록 변형될 수 있다.In the present invention, in some genes, the endogenous promoter that regulates the expression of the gene is replaced with a specific expression promoter, thereby inducing overexpression of the gene, so that the activity or function of the peptide or protein produced by the gene is changed to the endogenous activity or function. It can be modified to enhance its function.

본 발명에서 사용되는 용어 "내재적 활성 또는 기능"이란, 본래 미생물이 변형되지 않은 상태에서 가지고 있는 효소, 펩타이드, 단백질 등이 보유하는 활성 또는 기능을 의미한다.The term “intrinsic activity or function” used in the present invention refers to the activity or function possessed by enzymes, peptides, proteins, etc. that the original microorganism has in an unmodified state.

본 발명에서 "내재적 활성 또는 기능에 비하여 강화되도록 변형"되었다는 것은, 활성 또는 기능을 나타내는 유전자가 도입되거나 또는 당해 유전자의 카피수 증가(예를 들어, 유전자가 도입된 플라스미드를 이용한 발현), 상기 유전자 발현의 억제 조절 인자의 결실 또는 발현조절 서열의 변형, 예를 들어 개량된 프로모터의 사용 등과 같이, 조작이 이루어지기 전의 미생물이 가지는 활성에 비하여 조작이 이루어진 이후의 미생물이 가지고 있는 활성 또는 기능이 증가된 상태를 의미한다. In the present invention, "modified to enhance the intrinsic activity or function" means that a gene showing activity or function is introduced, or the copy number of the gene is increased (for example, expression using a plasmid into which the gene is introduced), the gene The activity or function of the microorganism after the manipulation is increased compared to the activity of the microorganism before the manipulation, such as deletion of the expression repression regulator or modification of the expression control sequence, for example, use of an improved promoter. means a state of being

본 발명에서, 유전자 또는 프로모터의 "교체"란 종래 유전자 또는 프로모터를 제거하고 이와 상이한 유전자 (예컨대, 변이 유전자 등) 또는 강도가 상이한 프로모터를 새로이 도입하는 것을 의미하는 것으로, 상기 종래 유전자 또는 프로모터를 제거한다는 것은 해당 유전자 또는 프로모터를 결실시키는 것뿐만 아니라 그 기능을 억제시키거나 감소시키는 것도 포괄하는 개념이다.In the present invention, “replacement” of a gene or promoter means removing a conventional gene or promoter and newly introducing a different gene (e.g., a mutant gene, etc.) or a promoter with a different strength, and removing the conventional gene or promoter. This is a concept that encompasses not only deleting the gene or promoter, but also suppressing or reducing its function.

본 발명에서 "과발현"이란 보통상태에서 세포내 해당유전자가 발현되는 수준보다 높은 수준의 발현을 일컫는 것으로써, 유전체 상에 존재하는 유전자의 프로모터를 강력한 프로모터로 치환하거나, 발현벡터에 해당유전자를 클로닝하여 세포에 형질전환시키는 방법을 통해 발현량을 증가시키는 것 등을 포함하는 개념이다.In the present invention, "overexpression" refers to expression at a higher level than the level at which the corresponding gene is expressed in the cell under normal conditions, which means replacing the promoter of the gene present in the genome with a strong promoter or cloning the gene into an expression vector. This concept includes increasing the expression level through cell transformation.

본 발명에서 "벡터(vector)"는 적합한 숙주 내에서 DNA를 발현시킬 수 있는 적합한 조절 서열에 작동가능하게 연결된 DNA 서열을 함유하는 DNA 제조물을 의미한다. 벡터는 플라스미드, 파지 입자 또는 간단하게 잠재적 게놈 삽입물일 수 있다. 적당한 숙주로 형질전환되면, 벡터는 숙주 게놈과 무관하게 복제하고 기능할 수 있거나, 또는 일부 경우에 게놈 그 자체에 통합될 수 있다. 플라스미드가 현재 벡터의 가장 통상적으로 사용되는 형태이므로, 본 발명의 명세서에서 "플라스미드(plasmid)" 및 "벡터(vector)"는 때로 상호 교환적으로 사용된다. 본 발명의 목적상, 플라스미드 벡터를 이용하는 게 바람직하다. 이러한 목적에 사용될 수 있는 전형적인 플라스미드 벡터는 (a) 숙주세포당 수 개에서 수백 개의 플라스미드 벡터를 포함하도록 복제가 효율적으로 이루어지도록 하는 복제 개시점, (b) 플라스미드 벡터로 형질전환된 숙주세포가 선발될 수 있도록 하는 항생제 내성 유전자 및 (c) 외래 DNA 절편이 삽입될 수 있는 제한효소 절단부위를 포함하는 구조를 지니고 있다. 적절한 제한효소 절단 부위가 존재하지 않을지라도, 통상의 방법에 따른 합성 올리고뉴클레오타이드 어댑터(oligonucleotide adaptor) 또는 링커(linker)를 사용하면 벡터와 외래 DNA를 용이하게 라이게이션(ligation)할 수 있다. 라이게이션 후에, 벡터는 적절한 숙주세포로 형질전환되어야 한다. 형질전환은 칼슘 클로라이드 방법 또는 전기천공법(electroporation) (Neumann, et al., EMBO J., 1:841, 1982) 등을 사용해서 용이하게 달성될 수 있다. As used herein, “vector” refers to a DNA preparation containing a DNA sequence operably linked to a suitable control sequence capable of expressing the DNA in a suitable host. Vectors can be plasmids, phage particles, or simply potential genomic inserts. Once transformed into a suitable host, the vector can replicate and function independently of the host genome, or in some cases can be integrated into the genome itself. Since plasmids are currently the most commonly used form of vector, “plasmid” and “vector” are sometimes used interchangeably in the context of the present invention. For the purposes of the present invention, it is preferred to use plasmid vectors. A typical plasmid vector that can be used for this purpose is (a) an origin of replication that allows efficient replication to contain several to hundreds of plasmid vectors per host cell, and (b) a selection site for host cells transformed with the plasmid vector. It has a structure that includes (c) an antibiotic resistance gene that allows the DNA fragment to be inserted, and (c) a restriction enzyme cut site into which a foreign DNA fragment can be inserted. Even if an appropriate restriction enzyme cleavage site does not exist, the vector and foreign DNA can be easily ligated using a synthetic oligonucleotide adapter or linker according to a conventional method. After ligation, the vector must be transformed into an appropriate host cell. Transformation can be easily achieved using the calcium chloride method or electroporation (Neumann, et al., EMBO J., 1:841, 1982).

상기 벡터의 프로모터는 구성적 또는 유도성일 수 있으며, 본 발명의 효과를 위해 추가적으로 변형될 수 있다. 또한 발현벡터는 벡터를 함유하는 숙주 세포를 선택하기 위한 선택성 마커를 포함하고, 복제 가능한 발현벡터인 경우 복제 기원(Ori)을 포함한다. 벡터는 자가 복제하거나 숙주 게놈 DNA에 통합될 수 있다. 바람직하게는 벡터 내로 삽입되어 전달된 유전자가 숙주세포의 게놈 내로 비가역적으로 융합되어 세포 내에서 유전자 발현이 장기간 안정적으로 지속되도록 하는 것이 바람직하다.The promoter of the vector may be constitutive or inducible and may be further modified for the effect of the present invention. Additionally, the expression vector includes a selectable marker for selecting host cells containing the vector, and, in the case of an expression vector capable of replication, includes an origin of replication (Ori). Vectors can self-replicate or integrate into host genomic DNA. Preferably, the gene inserted into the vector and delivered is irreversibly fused into the genome of the host cell so that gene expression within the cell continues stably for a long period of time.

염기서열은 다른 핵산 서열과 기능적 관계로 배치될 때 "작동가능하게 연결(operably linked)"된다. 이것은 적절한 분자(예를 들면, 전사 활성화 단백질)가 조절 서열(들)에 결합될 때 유전자 발현을 가능하게 하는 방식으로 연결된 유전자 및 조절 서열(들)일 수 있다. 예를 들면, 전서열(pre-sequence) 또는 분비 리더 (leader)에 대한 DNA는 폴리펩타이드의 분비에 참여하는 전단백질로서 발현되는 경우 폴리펩타이드에 대한 DNA에 작동가능 하게 연결되고; 프로모터 또는 인핸서는 서열의 전사에 영향을 끼치는 경우 코딩서열에 작동가능하게 연결되거나; 또는 리보좀 결합 부위는 서열의 전사에 영향을 끼치는 경우 코딩 서열에 작동가능하게 연결되거나; 또는 리보좀 결합 부위는 번역을 용이하게 하도록 배치되는 경우 코딩 서열에 작동가능하게 연결된다. 일반적으로, "작동가능하게 연결된"은 연결된 DNA 서열이 접촉하고, 또한 분비 리더의 경우 접촉하고 리딩 프레임 내에 존재하는 것을 의미한다. 그러나, 인핸서(enhancer)는 접촉할 필요가 없다. 이들 서열의 연결은 편리한 제한 효소 부위에서 라이게이션(연결)에 의해 수행된다. 그러한 부위가 존재하지 않는 경우, 통상의 방법에 따른 합성 올리고뉴클레오티드 어댑터(oligonucleotide adaptor) 또는 링커(linker)를 사용한다.A base sequence is “operably linked” when it is placed into a functional relationship with another nucleic acid sequence. This may be a gene and regulatory sequence(s) linked in a way that allows gene expression when an appropriate molecule (e.g., transcriptional activation protein) is bound to the regulatory sequence(s). For example, the DNA for the pre-sequence or secretion leader is operably linked to the DNA for the polypeptide when expressed as a pre-protein that participates in secretion of the polypeptide; A promoter or enhancer is operably linked to the coding sequence if it affects transcription of the sequence; or the ribosome binding site is operably linked to the coding sequence when it affects transcription of the sequence; Or the ribosome binding site is operably linked to the coding sequence when positioned to facilitate translation. Generally, “operably linked” means that the linked DNA sequences are in contact and, in the case of a secreted leader, in contact and within reading frame. However, the enhancer need not be in contact. Linking of these sequences is accomplished by ligation at convenient restriction enzyme sites. If such a site does not exist, a synthetic oligonucleotide adapter or linker is used according to a conventional method.

당업계에 주지된 바와 같이, 숙주세포에서 형질전환 유전자의 발현 수준을 높이기 위해서는, 해당 유전자가 선택된 발현 숙주 내에서 기능을 발휘하는 전사 및/또는 해독 발현 조절 서열에 작동가능하도록 연결되어야만 한다. 바람직하게는 발현 조절서열 및/또는 해당 유전자는 세균 선택 마커 및 복제 개시점(replication origin)을 같이 포함하고 있는 하나의 재조합벡터 내에 포함되게 된다. 숙주세포가 진핵세포인 경우에는, 재조합벡터는 진핵 발현숙주 내에서 유용한 발현 마커를 더 포함하여야만 한다.As is well known in the art, to increase the level of expression of a transgene in a host cell, the gene must be operably linked to transcriptional and/or translational expression control sequences that are functional within the selected expression host. Preferably, the expression control sequence and/or the corresponding gene are included in a single recombinant vector that also contains a bacterial selection marker and a replication origin. When the host cell is a eukaryotic cell, the recombinant vector must further contain an expression marker useful in the eukaryotic expression host.

상술한 재조합 벡터에 의해 형질전환된 숙주 세포는 본 발명의 또 다른 측면을 구성한다. 본원 명세서에 사용된 용어 "형질전환"은 DNA를 숙주로 도입하여 DNA가 염색체 외 인자로서 또는 염색체 통합완성에 의해 복제 가능하게 되는 것을 의미한다.Host cells transformed by the above-described recombinant vector constitute another aspect of the present invention. As used herein, the term “transformation” means introducing DNA into a host so that the DNA can be replicated as an extrachromosomal factor or by completing chromosomal integration.

물론 모든 벡터가 본 발명의 DNA 서열을 발현하는데 모두 동등하게 기능을 발휘하지는 않는다는 것을 이해하여야만 한다. 마찬가지로 모든 숙주가 동일한 발현 시스템에 대해 동일하게 기능을 발휘하지는 않는다. 그러나, 당업자라면 과도한 실험적 부담없이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 채로 여러 벡터, 발현 조절 서열 및 숙주 중에서 적절한 선택을 할 수 있다. 예를 들어, 벡터를 선택함에 있어서는 숙주를 고려하여야 하는데, 이는 벡터가 그 안에서 복제되어야만 하기 때문이다. 벡터의 복제 수, 복제 수를 조절할 수 있는 능력 및 당해 벡터에 의해 코딩되는 다른 단백질, 예를 들어 항생제 마커의 발현도 또한 고려되어야만 한다.Of course, it should be understood that not all vectors are equally functional in expressing the DNA sequence of the present invention. Likewise, not all hosts perform equally well for the same expression system. However, those skilled in the art can make an appropriate selection among various vectors, expression control sequences, and hosts without undue experimental burden and without departing from the scope of the present invention. For example, when choosing a vector, the host must be considered, because the vector must replicate within it. The copy number of the vector, the ability to control copy number and the expression of other proteins encoded by the vector, such as antibiotic markers, should also be considered.

아울러, 본 발명에서 도입된 유전자는 숙주세포의 게놈에 도입되어 염색체 상 인자로서 존재하는 것을 특징으로 할 수 있다. 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자에게 있어 상기 유전자를 숙주세포의 게놈 염색체에 삽입하여서도 상기와 같이 재조합 벡터를 숙주세포에 도입한 경우와 동일한 효과를 가질 것은 자명하다 할 것이다. In addition, the gene introduced in the present invention can be characterized as being introduced into the genome of the host cell and existing as a factor on the chromosome. For those skilled in the art to which the present invention pertains, it will be obvious that inserting the above gene into the genomic chromosome of a host cell will have the same effect as when introducing a recombinant vector into the host cell as described above.

본 발명에서는 특정 유전자 명을 기재하였으나, 본 발명이 해당 유전자에 한정되는 것이 아님은 당업자에게 자명할 것이다. In the present invention, specific gene names are described, but it will be apparent to those skilled in the art that the present invention is not limited to the corresponding genes.

본 발명에서 사용되는 유전자는 코딩 영역으로부터 발현되는 단백질의 아미노산 서열을 변화시키지 않는 범위 내에서 코딩영역에 다양한 변형이 이루어질 수 있고 코딩 영역을 제외한 부분에서도 유전자의 발현에 영향을 미치지 않는 범위 내에서 다양한 변형 또는 수식이 이루어질 수 있으며, 그러한 변형 유전자 역시 본 발명의 범위에 포함된다.The gene used in the present invention can be modified in various ways in the coding region within the range that does not change the amino acid sequence of the protein expressed from the coding region, and can be modified in a variety of ways without affecting the expression of the gene in parts other than the coding region. Modification or modification may be made, and such modified genes are also included within the scope of the present invention.

따라서, 본 발명은 상기 유전자와 실질적으로 동일한 염기서열을 갖는 폴리뉴클레오티드 및 상기 유전자의 단편을 역시 포함한다. 실질적으로 동일한 폴리뉴클레오티드란 서열의 상동성과는 무관하게, 본 발명에서 사용된 것과 동일한 기능을 가지는 효소를 코딩하는 유전자를 의미한다. 상기 유전자의 단편 또한 단편의 길이와는 무관하게, 본 발명에서 사용된 것과 동일한 기능을 가지는 효소를 코딩하는 유전자를 의미한다.Accordingly, the present invention also includes polynucleotides having substantially the same base sequence as the gene and fragments of the gene. Substantially identical polynucleotide refers to a gene encoding an enzyme having the same function as that used in the present invention, regardless of sequence homology. The fragment of the gene also refers to a gene encoding an enzyme having the same function as that used in the present invention, regardless of the length of the fragment.

또한, 본 발명의 유전자의 발현산물인 단백질의 아미노산 서열이 해당 효소의 역가 및 활성에 영향을 미치지 않는 범위 내에서 다양한 미생물 등 생물자원들로부터 확보될 수 있으며, 그러한 다른 생물자원으로부터 확보한 단백질 역시 본 발명의 범위에 포함된다.In addition, the amino acid sequence of the protein that is the expression product of the gene of the present invention can be obtained from various biological resources such as microorganisms to the extent that it does not affect the titer and activity of the enzyme, and proteins obtained from other biological resources can also be obtained. included within the scope of the present invention.

따라서, 본 발명은 상기 단백질과 실질적으로 동일한 아미노산 서열을 갖는 폴리펩티드 및 상기 폴리펩티드의 단편을 역시 포함한다. 실질적으로 동일한 폴리펩티드란 아미노산 서열의 상동성과는 무관하게, 본 발명에서 사용된 것과 동일한 기능을 가지는 단백질을 의미한다. 상기 폴리펩티드의 단편 또한 단편의 길이와는 무관하게, 본 발명에서 사용된 것과 동일한 기능을 가지는 단백질을 의미한다.Accordingly, the present invention also includes polypeptides and fragments of such polypeptides having substantially the same amino acid sequence as the above proteins. Substantially identical polypeptide refers to a protein having the same function as that used in the present invention, regardless of amino acid sequence homology. The fragment of the polypeptide also refers to a protein having the same function as that used in the present invention, regardless of the length of the fragment.

한편, 본 발명에서 도입한 유전자에 있어서도 유전자명을 기재하였으나, 본 발명의 보호범위가 해당 유전자 명에 한정되는 것은 아니고, 당업자가 해당 유전자와 동일한 기능을 가진 것이라고 인정할 수 있는 범위 내에서 유전자 명을 달리하는 다른 미생물 유래의 유전자를 본 발명의 기술적 특징에 따라 도입하는 경우, 해당 재조합 균주도 본 발명의 보호범위에 속할 수 있음은 자명하다.Meanwhile, the gene name is also described for the gene introduced in the present invention, but the scope of protection of the present invention is not limited to the gene name, and the gene name is changed to the extent that a person skilled in the art can recognize that it has the same function as the gene. It is obvious that when a gene derived from another microorganism is introduced according to the technical features of the present invention, the corresponding recombinant strain may also fall within the scope of protection of the present invention.

이하 본 발명을 실시예 및 실험예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들 실시예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples and experimental examples. However, these examples and experimental examples are for illustrative purposes only and the scope of the present invention is not limited to these examples and experimental examples.

실시예 1. 실험실 적응 진화 기법을 통해 형성된 유전자 서열 변화Example 1. Gene sequence changes formed through laboratory adaptive evolution techniques

본 발명에 있어서, 자일로스 소모능을 향상시키기 위해 당 대사 저해 유전자 mgsA 위치에 대장균 유래 자일로스 수송 유전자 xylE를 도입한 클렙시엘라 옥시토카 KCTC 1686 △mgsA::PBBa_J23118-xylE (CHA004) 균주에 추가적으로 실험실 적응 진화(adaptive laboratory evolution, ALE)를 수행하였다. 그리하여 목질계 바이오매스 유래 혼합당에서 포도당, 자일로스, 만노스, 갈락토스에 대한 향상된 당 소모와 세포 성장에 따른 고효율의 2,3-BDO 생산을 보이는 CHA004 ALE (CHA006) 균주를 개발하였다. 실험실 적응 진화 기법을 통해 당 소모능과 세포 성장을 향상시킨 유전적 원인을 파악하기 위해 총 유전체 분석을 수행하였고, 여러 서열 변화들 중에서 ompC 유전자 상에 유전자 서열 삭제로 인한 프레임시프트와 mrkJ 프로모터 상에 단일 염기 서열 변화가 확인되었다 (표 1). mrkJ는 cyclic-di-GMP phosphodiesterase를 암호화하는 유전자로 다양한 박테리아에서 신호 전달에 사용되는 메신저인 cyclic-di-GMP를 가수분해하는 기능을 갖는다. cyclic-di-GMP는 생물막 형성, 표면 적응, 독성 및 세포 주기 진행과 같은 세포 작용에 관여한다. cyclic-di-GMP phosphodiesterase 과발현은 세포 내 cyclic-di-GMP 농도를 낮춘다는 보고가 있다.In the present invention, in order to improve the xylose consumption ability, the Klebsiella oxytoca KCTC 1686 △ mgsA :: P BBa_J23118 - xylE (CHA004) strain in which the xylose transport gene xylE derived from E. coli was introduced into the sugar metabolism inhibition gene mgsA position. Additionally, adaptive laboratory evolution (ALE) was performed. Therefore, we developed the CHA004 ALE (CHA006) strain, which shows improved sugar consumption of glucose, xylose, mannose, and galactose from mixed sugars derived from lignocellulosic biomass and highly efficient 2,3-BDO production due to cell growth. Whole genome analysis was performed to determine the genetic causes of improved glucose consumption and cell growth using laboratory adaptive evolution techniques, and among several sequence changes, a frameshift due to a gene sequence deletion on the ompC gene and a frameshift on the mrkJ promoter were identified. Single nucleotide sequence changes were identified (Table 1). mrkJ is a gene encoding cyclic-di-GMP phosphodiesterase and has the function of hydrolyzing cyclic-di-GMP, a messenger used for signal transmission in various bacteria. Cyclic-di-GMP is involved in cellular functions such as biofilm formation, surface adaptation, virulence, and cell cycle progression. There are reports that overexpression of cyclic-di-GMP phosphodiesterase reduces intracellular cyclic-di-GMP concentration.

[표 1][Table 1]

[표 2][Table 2]

실시예 2. Example 2. ompCompC 유전자가 결실된 균주에서 당 소모 활성 검증 Verification of sugar consumption activity in gene-deleted strains

본 발명에 있어서, 본격적으로 두 종류의 유전자 서열의 변화가 당 소모능에 이로운 작용을 나타내었는지 확인하고자 하였다. CHA004 균주 게놈 상에 ompC를 제거하여 CHA156 (CHA004 △ompC)를 개발하였다. CHA004, CHA006, CHA156 균주를 20 g/L의 농도로 자일로스, 포도당, 만노스, 갈락토스 각각 함유하며 100 μg/mL 암피실린을 공통으로 포함한 배지에서 초기 세포 밀도 (Optical Density at 600 nm, OD600) 0.05로 37℃ 및 200 rpm 조건에서 플라스크 배양을 수행하였다. 모든 배양 조건에서 CHA156 균주는 CHA006 균주 대비 못 미치는 결과를 보였으나, CHA004 균주 대비 비교적 향상된 세포 성장과 당 소모 활성을 가짐으로써 효율적으로 2,3-BDO을 생산하였다. 이를 통해 ompC 결실이 네 종류의 당 소모능에 대해 이로운 효과를 나타냄을 보였다 (도 1-4).In the present invention, we sought to determine whether changes in two types of gene sequences had a beneficial effect on sugar consumption. CHA156 (CHA004 △ ompC ) was developed by removing ompC from the CHA004 strain genome. The initial cell density (Optical Density at 600 nm, OD 600 ) of strains CHA004, CHA006, and CHA156 in medium containing 20 g/L of xylose, glucose, mannose, and galactose, and 100 μg/mL ampicillin in common, was 0.05. Flask culture was performed at 37°C and 200 rpm. In all culture conditions, the CHA156 strain showed inferior results compared to the CHA006 strain, but produced 2,3-BDO efficiently by having relatively improved cell growth and sugar consumption activity compared to the CHA004 strain. This showed that ompC deletion had a beneficial effect on the ability to consume four types of sugars (Figures 1-4).

실시예 3. Example 3. mrkJmrkJ 프로모터의 단일 염기 서열 변화가 미치는 Effect of a single nucleotide sequence change in the promoter mrkJmrkJ 전사량 변화 Transcription amount change

본 발명에 있어서, CHA004 균주에서 실험실 적응 진화 기법을 통해 다양한 염기 서열의 변화를 갖는 CHA006 균주가 mrkJ 프로모터 상의 단일 염기 서열 변화로 인해 mrkJ의 전사량의 변화가 있는지 확인하고자 하였다. CHA004와 CHA006 균주를 20 g/L의 농도로 자일로스와 25 μg/mL 카나마이신이 함유된 배지에서 초기 세포 밀도 (Optical Density at 600 nm, OD600) 0.05로 30℃ 및 200 rpm 조건에서 플라스크 배양을 수행하였다. 배양 6시간대에서 OD600 = 2로 수확하여 total mRNA를 추출하였다. mrkA는 타입 3 핌브리에 (Type 3 fimbriae)와 생물막 형성에 관여하는 유전자이다. 표 3에 기재된 mrkJ, mrkA, 16S rRNA에 특이적으로 결합하는 프라이머를 이용하여 실시간 중합효소연쇄반응(quantitative real time polymerase chain reaction, qRT-PCR)을 수행하였다. 16S rRNA 유전자는 internal control로 이용되었다.In the present invention, we attempted to determine whether the CHA006 strain, which has various nucleotide sequence changes, changes the transcription amount of mrkJ due to a single nucleotide sequence change on the mrkJ promoter through laboratory adaptive evolution techniques in the CHA004 strain. CHA004 and CHA006 strains were cultured in flasks at 30°C and 200 rpm with an initial cell density (Optical Density at 600 nm, OD 600 ) of 0.05 in a medium containing xylose and 25 μg/mL kanamycin at a concentration of 20 g/L. carried out. After 6 hours of culture, the cells were harvested at OD 600 = 2 and total mRNA was extracted. mrkA is a gene involved in type 3 fimbriae and biofilm formation. Quantitative real time polymerase chain reaction (qRT-PCR) was performed using primers that specifically bind to mrkJ , mrkA , and 16S rRNA listed in Table 3. The 16S rRNA gene was used as an internal control.

[표 3][Table 3]

상기 방법으로 mrkJ 전사량이 CHA004 균주 대비 CHA006에서 2.1배가량 유의미하게 증가됨을 보였다 (도 5a). CHA006의 mrkA 전사량의 경우 CHA004 균주 대비 약 0.2배로 감소됨을 보였다 (도 5b). 따라서 CHA006 균주는 CHA004 균주 대비 생물막이 낮게 형성될 것으로 기대되었다.Using the above method, the amount of mrkJ transcript was compared to the CHA004 strain. It was shown to be significantly increased by about 2.1 times in CHA006 (Figure 5a). The amount of mrkA transcript in CHA006 was reduced to about 0.2-fold compared to the CHA004 strain (Figure 5b). Therefore, the CHA006 strain was expected to form a lower biofilm than the CHA004 strain.

실시예 4. 야생형 서열의 Example 4. Wild-type sequence mrkJmrkJ 와 진화형 서열의 and the evolved sequence mrkJmrkJ 재조합 플라스미드 구축 및 이의 Recombinant plasmid construction and recombinant plasmids mrkJmrkJ 전사량 비교 Comparison of transcription amount

본 발명에 있어서, CHA004 균주에서 야생형 서열의 mrkJ 프로모터와 진화형 서열의 mrkJ 프로모터 하에 mrkJ 유전자 발현시스템을 pBAD33 플라스미드에 구축하여 플라스미드 수준에서 단일 염기 서열 변화가 mrkJ 전사 수준에서 미치는 영향을 보고자 하였다. 하기 표 4에서 기재된 프라이머 F-native P-mrkJ와 R-mrkJ-his-XbaI를 이용하여 클렙시엘라 옥시토카 유전체로부터 중합효소 연쇄반응(PCR)을 통해 mrkJ 프로모터 및 mrkJ 유전자 서열을 포함하는 PCR 산물을 얻었다. PCR 산물과 하기 표 5에 기재된 pBAD33을 제한효소 SphI과 XbaI으로 절단한 후 라이게이션 하였다.In the present invention, the mrkJ gene expression system was constructed in the pBAD33 plasmid under the mrkJ promoter of the wild-type sequence and the mrkJ promoter of the evolved sequence in the CHA004 strain, and the effect of a single nucleotide sequence change at the plasmid level on the mrkJ transcription level was attempted. PCR product containing the mrkJ promoter and mrkJ gene sequence through polymerase chain reaction (PCR) from the Klebsiella oxytoca genome using primers F-native P-mrkJ and R-mrkJ-his-XbaI described in Table 4 below. got it The PCR product and pBAD33 shown in Table 5 below were digested with restriction enzymes Sph I and Xba I and then ligated.

[표 4][Table 4]

[표 5][Table 5]

본 발명에 있어서, pBAD33 플라스미드 기반 야생형 및 진화형 mrkJ 발현시스템 모식도는 도 6a에 나타내었다. 해당 재조합 플라스미드를 CHA004 균주에 형질전환하여 CHA253 (CHA004 pBAD33-P야생형-mrkJ)과 CHA257 (CHA004 pBAD33-P진화형-mrkJ) 균주를 개발하였다. 형질전환 된 균주를 20 g/L 자일로스와 25 μg/mL 클로람페니콜(chloramphenicol)을 포함하는 배지에서 초기 세포 밀도 OD600 = 0.05로 30℃ 및 200 rpm 조건에서 플라스크 배양을 수행하였다. 배양 6시간대에서 OD600 = 2로 수확하여 total mRNA를 추출하였다. 표 3에 기재된 mrkJ와 16S rRNA에 특이적으로 결합하는 프라이머를 이용하여 실시간 중합효소연쇄반응(quantitative real time polymerase chain reaction, qRT-PCR)을 수행하였다. 16S rRNA 유전자는 internal control로 이용되었다.In the present invention, a schematic diagram of the pBAD33 plasmid-based wild-type and evolved mrkJ expression systems is shown in Figure 6a. The recombinant plasmid was transformed into the CHA004 strain to develop CHA253 (CHA004 pBAD33-P wild type - mrkJ ) and CHA257 (CHA004 pBAD33-P evolved type - mrkJ ) strains. The transformed strain was cultured in a flask at 30°C and 200 rpm with an initial cell density of OD 600 = 0.05 in a medium containing 20 g/L xylose and 25 μg/mL chloramphenicol. After 6 hours of culture, the cells were harvested at OD 600 = 2 and total mRNA was extracted. Quantitative real time polymerase chain reaction (qRT-PCR) was performed using primers that specifically bind to mrkJ and 16S rRNA listed in Table 3. The 16S rRNA gene was used as an internal control.

상기 결과를 통해 플라스미드 기반 mrkJ 프로모터 상의 단일 염기 서열 변화로 mrkJ 전사수준이 CHA253 대비 CHA257 균주에서 3.6배 가량 증대되었다 (도 6b).As a result of the above results, a single nucleotide sequence change on the plasmid-based mrkJ promoter increased the level of mrkJ transcription by about 3.6 times in the CHA257 strain compared to CHA253 (FIG. 6b).

실시예 5. Example 5. ompCompC 결실 및 fruition and mrkJmrkJ 과발현 균주의 생물막 형성도 검증 Verification of biofilm formation in overexpression strains

본 발명에 있어서, ompC 결실된 균주에서 mrkJ 발현 수준에 따른 생물막 형성도를 확인하기 위해 CHA156 균주에 pBAD33-P야생형-mrkJ와 pBAD33-P진화형-mrkJ를 각각 형질전환하여 CHA268과 CHA269 균주를 개발하였다. 그리고 대조군으로 CHA004와 CHA006 균주에 공벡터 pBAD33을 각각 도입하여 CHA264와 CHA267 균주를 개발하였다. 형질전환 된 균주들을 20 g/L 자일로스와 25 μg/mL 클로람페니콜을 포함하는 배지에서 초기 세포 밀도 OD600 = 0.05로 30℃ 및 200 rpm 조건에서 23시간 동안 튜브 배양을 수행하였다. 튜브 벽면에 형성된 생물막을 0.1% (v/v) crystal violet으로 염색한 후 DMSO로 녹여낸 뒤 595 nm에서 흡광도를 측정하였다. 그 결과는 도 7에 나타내었다. CHA267은 CHA264 대비 유의미하게 감소된 생물막 형성을 보였고, 상기 결과 도 6b에서 플라스미드 기반에서 단일 염기 서열 변화로 높은 mrkJ 발현양을 보인 CHA269는 CHA268보다 유의미하게 감소된 생물막 형성을 보였다.In the present invention, to confirm the degree of biofilm formation according to the mrkJ expression level in the ompC deleted strain, CHA268 and CHA269 strains were developed by transforming the CHA156 strain with pBAD33-P wild type - mrkJ and pBAD33-P evolved type - mrkJ , respectively. . And as a control, empty vector pBAD33 was introduced into CHA004 and CHA006 strains, respectively, to develop CHA264 and CHA267 strains. The transformed strains were cultured in tubes for 23 hours at 30°C and 200 rpm at an initial cell density of OD 600 = 0.05 in a medium containing 20 g/L xylose and 25 μg/mL chloramphenicol. The biofilm formed on the tube wall was stained with 0.1% (v/v) crystal violet, dissolved in DMSO, and absorbance was measured at 595 nm. The results are shown in Figure 7. CHA267 showed significantly reduced biofilm formation compared to CHA264, and as shown in FIG. 6b, CHA269, which showed high expression of mrkJ due to a single nucleotide sequence change on a plasmid basis, showed significantly reduced biofilm formation than CHA268.

실시예 6. Example 6. ompCompC 결실 및 플라스미드 기반 Deletion and plasmid based mrkJmrkJ 과발현에 따른 세포 성장 및 당 소모 활성 검증 Verification of cell growth and glucose consumption activity following overexpression

본 발명에 있어서, 목질계 바이오매스 당화액을 포함하는 배지에서 생물막 형성도 감소에 따른 세포 성장과 혼합당 소모능 및 2,3-BDO 생산성을 확인하고자 하였다. 대조군으로 CHA156 균주에 공벡터 pBAD33을 도입하여 CHA270 균주를 개발하였다. CHA269와 CHA270 균주를 20 g/L 소나무 당화액과 100 μg/mL 암피실린과 25 μg/mL 클로람페니콜을 포함하는 배지에서 초기 세포 밀도 OD600 = 0.05로 37℃ 및 200 rpm 조건에서 플라스크 배양을 13시간 동안 수행하였다. 배양 중인 부유세포로부터 세포 성장(OD600)을 관찰한 결과 CHA269는 CHA270에 비해 높은 세포 성장을 보였다 (도 8). 또한 하기 표 6에서와 같이 CHA269는 CHA270 보다 최대 세포 성장(Max. cell density), 총 혼합당 소모 속도(Total sugar consumption rate), 2,3-BDO 생산성(2,3-Butanediol titer, yield, productivity) 모두 향상됨을 보였다. In the present invention, we sought to confirm cell growth, mixed sugar consumption ability, and 2,3-BDO productivity due to reduced biofilm formation in a medium containing lignocellulosic biomass saccharification solution. As a control, the CHA270 strain was developed by introducing the empty vector pBAD33 into the CHA156 strain. CHA269 and CHA270 strains were cultured in flasks at 37°C and 200 rpm for 13 hours at an initial cell density of OD 600 = 0.05 in a medium containing 20 g/L pine saccharification solution, 100 μg/mL ampicillin, and 25 μg/mL chloramphenicol. carried out. As a result of observing cell growth (OD 600 ) from suspended cells in culture, CHA269 showed higher cell growth than CHA270 (Figure 8). In addition, as shown in Table 6 below, CHA269 has higher maximum cell growth (Max. cell density), total sugar consumption rate, and 2,3-BDO productivity (2,3-Butanediol titer, yield, productivity) than CHA270. ) all showed improvement.

[표 6][Table 6]

상기 결과를 통해 ompC 결실 및 플라스미드 기반 mrkJ 과발현이 목질계 바이오매스 유래 혼합당에 대한 소모능을 향상시켜 고속 세포 성장과 2,3-BDO의 고효율 생산을 가능하게 하였다.Based on the above results, ompC deletion and plasmid-based mrkJ overexpression improved the consumption ability of mixed sugars derived from lignocellulosic biomass, enabling high-speed cell growth and high-efficiency production of 2,3-BDO.

이상으로 본 발명 내용을 상세히 기술하였다. 본 발명에서 얻어진 ompC결실 및 mrkJ 과발현 균주는 다양한 균주 개량 연구에 범용적으로 이용이 가능 할 것으로 기대된다. 목질계 바이오매스 유래 혼합당에 대한 소모능을 향상 시킴으로써 고속 세포 성장과 2,3-BDO의 고효율 생산이 가능한 균주를 개발하고자 하는 연구에도 이용 가능 할 것으로 기대된다.The contents of the present invention have been described in detail above. The ompC deletion and mrkJ overexpression strains obtained in the present invention are expected to be universally used in various strain improvement studies. It is expected that it can be used in research to develop strains capable of high-speed cell growth and high-efficiency production of 2,3-BDO by improving the consumption ability of mixed sugars derived from lignocellulosic biomass.

이상으로 본 발명의 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.As above, specific parts of the content of the present invention have been described in detail, and for those skilled in the art, it is clear that these specific techniques are merely preferred embodiments and do not limit the scope of the present invention. It will be obvious. Accordingly, the substantial scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents.

Claims (12)

자일로스 수송체를 코딩하는 유전자가 도입되어 있는 클렙시엘라 옥시토카 (Klebsiella oxytoca) 균주에서 외막 포린 (outer membrane porin) 단백질을 코딩하는 유전자가 결실되거나, 상기 유전자의 발현이 감소 또는 억제되어 있는, 2,3-부탄다이올 생상능이 향상된 재조합 균주.In a Klebsiella oxytoca strain into which a gene encoding a xylose transporter has been introduced, the gene encoding an outer membrane porin protein is deleted, or the expression of the gene is reduced or suppressed, Recombinant strain with improved 2,3-butanediol production ability. 제1항에 있어서, 상기 자일로스 수송체를 코딩하는 유전자는 대장균 유래 xylE 유전자인 것을 특징으로 하는 재조합 균주.The recombinant strain according to claim 1, wherein the gene encoding the xylose transporter is an xylE gene derived from E. coli. 제1항에 있어서, 상기 자일로스 수송체를 코딩하는 유전자는 클렙시엘라 옥시토카 중 당 대사 저해 유전자 mgsA 위치에 도입된 것을 특징으로 하는 재조합 균주.The recombinant strain according to claim 1, wherein the gene encoding the xylose transporter is introduced into the mgsA position of the sugar metabolism inhibition gene in Klebsiella oxytoca. 제1항에 있어서, 상기 외막 포린을 코딩하는 유전자는 ompC인 것을 특징으로 하는 재조합 균주.The recombinant strain according to claim 1, wherein the gene encoding the outer membrane porin is ompC . 제1항에 있어서, 사이클릭-디-GMP 포스포디에스테라아제 (cyclic-di-GMP phosphodiesterase)를 코딩 유전자가 추가로 과발현되어 있는 재조합 균주.The recombinant strain according to claim 1, wherein the gene encoding cyclic-di-GMP phosphodiesterase is additionally overexpressed. 제5항에 있어서, 상기 사이클릭-디-GMP 포스포디에스테라아제 코딩 유전자는 mrkJ인 재조합 균주.The recombinant strain according to claim 5, wherein the cyclic-di-GMP phosphodiesterase coding gene is mrkJ . 제5항에 있어서, 상기 사이클릭-디-GMP 포스포디에스테라아제 코딩 유전자의 프로모터가 단일 염기 서열이 치환된 프로모터로 교체되어 사이클릭-디-GMP 포스포디에스테라아제 코딩 유전자가 과발현되는 재조합 균주.The recombinant strain according to claim 5, wherein the promoter of the cyclic-D-GMP phosphodiesterase coding gene is replaced with a promoter in which a single nucleotide sequence is substituted, thereby overexpressing the cyclic-D-GMP phosphodiesterase coding gene. 제7항에 있어서, 상기 단일 염기 서열이 치환된 프로모터는 서열번호 5의 서열을 포함하는 재조합 균주.The recombinant strain according to claim 7, wherein the promoter in which the single nucleotide sequence is substituted includes the sequence of SEQ ID NO: 5. 제1항에 있어서, 상기 클렙시엘라 옥시토카는 KCTC 1686의 기탁번호를 가지는 것을 특징으로 하는 재조합 균주.The recombinant strain according to claim 1, wherein the Klebsiella oxytoca has an accession number of KCTC 1686. 다음 단계를 포함하는 2,3-BDO의 생산방법:
(a) 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 재조합 균주를 배양하여 2,3-BDO을 생성시키는 단계; 및
(b) 상기 생성된 2,3-BDO을 회수하는 단계.
Method for producing 2,3-BDO comprising the following steps:
(a) cultivating the recombinant strain of any one of claims 1 to 9 to produce 2,3-BDO; and
(b) recovering the produced 2,3-BDO.
제10항에 있어서, 상기 재조합 균주는 목질계 바이오매스 유래 혼합당을 포함하는 배지에서 배양하는 것을 특징으로 하는 생산방법.The production method according to claim 10, wherein the recombinant strain is cultured in a medium containing mixed sugars derived from lignocellulosic biomass. 제11항에 있어서, 상기 목질계 바이오매스 유래 혼합당은 자일로스, 포도당, 만노스 및 갈락토스로 구성된 당을 포함하는 것을 특징으로 하는 생산방법.The production method according to claim 11, wherein the mixed sugar derived from lignocellulosic biomass includes sugar composed of xylose, glucose, mannose, and galactose.
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