Efficient production of sesquiterpene alcohol from ethanol using recombinant Pseudomonas putida KT2440, a novel biocatalyst for terpenoid production
유전자 재조합 수도모나스 푸티다 KT2440를 이용한 에탄올로부터 세스퀴테르펜 알코올의 효율적인 생산 연구
- 주제(키워드) Ethanol , Mevalonate , Sesquiterpene alcohol , Pseudomonas putida , (-)-α-bisabolol , trans-nerolidol , 에탄올 , 메발로네이트 , 세스퀴테르펜 알코올 , 수도모나스 푸티다 , (-)-α-비사보롤 트랜스-네롤리돌
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 이진원
- 발행년도 2021
- 학위수여년월 2021. 8
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 화공생명공학과
- UCI I804:11029-000000066070
- 본문언어 영어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권보호를 받습니다.
초록/요약
Research on bioethanol production, a representative microbial fermentation product, has progressed to the level of using the cheapest gas-based carbon source, and has reached the stage of substantial reduction in production cost and commercialization. In addition, ethanol has the metabolic property of being directly converted into acetyl-CoA, a major precursor of the terpenoid biosynthetic pathway. These characteristics of ethanol are the major motivations for development of high value-added process for ethanol. This study developed microbial process that converts ethanol to sesquiterpene alcohol, a high value-added biochemical synthesized from acetyl-CoA, using Pseudomonas putida strain with characteristics suitable for terpenoid biosynthesis research. Mevalonate, a major precursor of terpenoid biosynthesis, was synthesized from ethanol using Pseudomonas putida, a novel biocatalyst for terpenoid production, to understand the characteristics of ethanol metabolism and confirm the possibility of terpenoid biosynthesis. Preferentially, the upper mevalonate pathway genes for mevalonate production were expressed in P. putida and mevalonate production was confirmed. Thereafter, through an improvement in genetic stability and ethanol metabolism manipulation, mevalonate production was enhanced with an increased reproducibility. Following this, the more characteristics related to mevalonate production were revealed through manipulations to reduce fatty acid biosynthesis and optimize pH through batch fermentation. Subsequently, sesquiterpene alcohol, a type of terpenoids, was selected as the target product, and the production of (-)-α-bisabolol and trans-nerolidol from ethanol was tested and verified. The metabolic pathway for sesquiterpene alcohol production was established in P. putida, and various microbial metabolic manipulations were carried out to increase production, such as flagella-defect strain development, configuration of the optimal module of lower mevalonate pathway, supply of ethanol-glucose as co-carbon sources, inorganic nitrogen source optimization, MEP/DOXP pathway enhancement, introduction of archaea-derived mvk gene, and increased expression of ispA-BBS (NES) genes. This study is the first attempt to produce sesquiterpene alcohol from ethanol using the P. putida strain and has significance to suggest a new perspective and method for terpenoid production using a new carbon source and biocatalyst.
more초록/요약
대표적인 미생물 발효 생산물인 바이오 에탄올 생산 연구는 가장 저렴한 가스 기반 탄소원을 사용하는 수준까지 발전하였으며, 실질적인 생산단가의 감소와 상업화의 단계에 도달하였다. 또한, 에탄올은 테르페노이드 생합성 경로의 주요 전구체인 아세틸-CoA로의 직접적인 전환이 가능한 대사적 특징을 가지고 있다. 이러한 에탄올의 특성에 착안하여, 본 연구는 에탄올을 아세틸-CoA로부터 합성되는 고부가가치의 생화학 물질인 세스퀴테르펜 알코올로 전환하는 테르페노이드 생합성 연구에 적합한 특성을 가진 수도모나스 푸티다 균주를 이용한 미생물 공정을 개발하였다. 테르페노이드 생합성의 주요 전구체인 메발로네이트 생산 연구를 선행함으로써, 수도모나스 푸티다 균주 내 에탄올 대사의 특성을 이해하고 테르페노이드 생합성의 가능성을 확인하였다. 우선적으로, 메발로네이트 생산을 위한 Upper mevalonate pathway유전자를 수도모나스 푸티다 균주에 도입 및 발현하여 메발로네이트 생산을 확인하였다. 이후 유전적 안정성 향상과 에탄올 이화작용회로 조작을 통해 메발로네이트 생산을 증가시키고 재현성 또한 향상시켰다. 또한 지방산 생합성 회로를 조절하고 회분배양을 진행함으로써 메발로네이트 생산과 관련된 더 많은 대사적 특성을 확인하였다. 이어서 테르페노이드의 일종인 세스퀴테르펜 알코올, 그 중 (-)-α-비사보롤과 트랜스-네롤리돌을 생산물로 선정하고 세스퀴테르펜 알코올 생산을 위한 추가 대사경로를 수도모나스 푸티다 균주에 구축하였다. 그와 함께, 편모 결함 균주 개발, Lower mevalonate pathway의 최적 모듈 구성, 에탄올-포도당 동시 공급, 무기 질소원 최적화, MEP/DOXP pathway 강화, 고세균 유래 mvk 유전자 도입 및 ispA-BBS (NES) 유전자 발현량 증가 등 다양한 전략을 통해 세스퀴테르펜 알코올 생산을 증가시키고자 하였다. 본 연구는 수도모나스 푸티다 균주를 이용하여 에탄올로부터 세스퀴테르펜 알코올을 생산한 최초의 시도이며, 새로운 탄소원과 생촉매를 이용한 테르페노이드 생산의 새로운 관점과 방법을 제시하였다는 의의가 있다.
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