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물질대사를 조작한 미생물로부터 5-아미노발레르산과 글루타르산 생산
생명과학 KISTI (2012-12-26)
우리는 다양한 종류의 화학물질과 플라스틱을 일상 생활의 편의를 위해 사용한다. 현재 이들 소재의 공급원은 원료로 원유를 사용하는 석유화학산업에서 제공된다. 환경 문제와 화석 자원의 가용성에 대한 우려가 증가함에 따라 생물정제공정을 통해 재생 가능한 비식품 바이오 매스로부터 이러한 화학물질과 재료를 생산하는 것에 많은 관심을 가지고 있다.

생물정제공정(biorefinery) 과정의 발달에 따라 미생물은 재생 가능 자원으로부터 성공적으로 화학물질, 플라스틱과 연료를 생산할 수 있는 핵심 생체촉매로 사용되었다. 그러나, 조작되지 않은 자연적 미생물은 그들의 낮은 물질대사 능력 때문에 산업 수준의 타깃 생산물을 효율적으로 생산하기에 적합하지 않다. 따라서, 원하는 생산물을 효율적으로 생산하기 위한 미생물의 물질대사 능력을 향상시켰고 이러한 생산물의 산업 생산에 적합하다. 타깃 바이오 제품의 효율적인 생산을 위한 미생물의 최적화는 시스템 수준의 대사공학인 시스템 대사공학 (systems metabolic engineering)을 통해 가능하였다.

5-아미노발레르산(aminovalic acid, 5AVA)은 나일론 5 생산을 위한 잠재적인 구성 요소인 발레롤락톤 (valerolactam)의 전구체이며, 5-하이드록시발레르산, 글루타르산 및 1,5-펜탄디올을 합성을 위한 C5 플랫폼 화학물질로 사용될 수 있다. 5AVA는 슈도모나스 푸티다 (Pseudomonas putida)에서 L-라이신 (lysine) 이화작용에 의해 생성되는 중간물질이기 때문에 L-라이신 이화작용을 손상시켜 슈도모나스 푸티다에서 작은 양의 5AVA를 축적시키는 것에 대한 보고가 있다. 그러나, C5 화학물질과 플라스틱에 대한 시장을 열 수 있는 많은 잠재력을 갖고 있는 5AVA의 직접 발효 생산은 아직 입증되지 않았다.

한국과학기술원(KAIST) 화학생물공학과 이 상엽 특훈 교수가 이끄는 본 연구팀은 저널 <Metabolic Engineering>에 게재된 본 연구 논문에서 시스템 대사공학 방식을 통해 C5 플랫폼 유망 화학물질인 5-아미노발레르산과 글루타르산을 생산할 수 있는 재조합 대장균 (Escherichia coli)을 개발하였다.

먼저, 본 연구원들은 L-라이신을 바로 전구체로 사용하여 5-아미노발레르산을 생성하도록 두 가지 효소 라이신2-모노산소화효소 (monooxygenase, DavB)와 델타-아미노발레르아미드가수분해효소(delta-aminovaleramidase, DavA)를 도입하여 물질 대사경로를 구축하였다. 그런 다음, 5AVA를 글루타르산으로 전환시키기 위한 대사경로는 또 다른 두 개의 효소 5AVA 아미노전이효소 (GabT)와 글루타르산세미알데히드 탈수소효소 (GabD)를 도입하여 구축하였다. DavB와 DavA를 발현하는 재조합 대장균은 L-라이신을 직접 전구체로 사용하여 5AVA를 생산하게 하고, DavB, DavA, GabT와 GabD를 발현하는 재조합 대장균은 L-라이신으로부터 글루타르산을 생산하게 했다. 마침내, 대장균의 L-라이신 생합성 경로는 글루코스(glucose)에서 5AVA를 생산하도록 체계적으로 조작되었다. 개념 증명을 입증하기 위해 이 물질대사적으로 조작된 대장균의 발효 실험에서 글루코스로부터 성공적으로 5AVA를 생산했다. 본 연구는 시스템 대사공학을 통해 미생물 균주를 개발함으로써 5AVA와 글루타르산을 만드는 미생물 과정을 최초로 나타내었다.

[Pseudomonas 등의 호기성 균에서는 라이신은 먼저 라이신모노산소화효소에 의해 아미노발레르산아미드가 되고, 다시 5-아미노발레르아미드가수분해효소에 의해 탈아미노하여 아미노발레르산이 된다. 이어서 2-옥소글루타르산과의 아미노기전달반응에 의해 글루타르산세미알데히드가 되고, 글루타르산, 글루타릴CoA, 클로트노일CoA, 3-히드록시부틸CoA, 아세트아세틸CoA를 거쳐 아세틸CoA에 대사된다]

[그림설명] L-라이신으로부터 5AVA와 글루타르산을 생산하기 위한 대사경로.

[Journal Reference] Si Jae Park, Eun Young Kim, Won Noh, Hye Min Park, Young Hoon Oh, Seung Hwan Lee, Bong Keun Song, Jonggeon Jegal, Sang Yup Lee. Metabolic engineering of Escherichia coli for the production of 5-aminovalerate and glutarate as C5 platform chemicals. Metabolic Engineering, 2012; DOI: 10.1016/j.ymben.2012.11.011

출처 : http://www.sciencedaily.com/releases/2012/12/121220143750.htm
정보제공 : KISTI 미리안 글로벌동향브리핑
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