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Optimization for bio-milking of ectoine production in an engineered Methylomicrobium alcaliphilum 20Z from methane

초록/요약

Methane, used as a sole carbon source of methanotrophic microorganisms, is one of the major greenhouse gas (GHG). In order to reduce the greenhouse effect caused by methane gas emissions, the use of biotechnological conversion from methane to high-value chemicals has become a key research direction in recent years. In this study, Methylomicrobium alcaliphilum 20Z ΔPΔectDΔectR was used to improve production of ectoine, compatible solute produced by halophilic bacterium, through optimization for bio-milking of ectoine from methane. First, it was confirmed that the synthesis of intracellular ectoine was rapidly increased when M. alcaliphilum 20Z ΔPΔectDΔectR was cultivated in a medium containing 0.05 μM of tungsten and 6% NaCl. Second, we tried to find out the optimal conditions for the bio-milking of ectoine to further improve the yield of ectoine by engineerd M. alcaliphilum 20Z ΔPΔectDΔectR. The cultivation and intracellular ectoine accumulation conditions were optimized with respect growth phase and medium salinity to reach the highest synthesis. In addition, optimization for maximal ectoine excretion was performed by determination of ectoine secretion time (15 minutes) in appropriate salinity of medium under hypo osmotic condition (1% NaCl). As a result, bio-milking of ectoine was successfully repeated more than 10 times using M.alcaliphilum 20Z ΔPΔectDΔectR and ectoine yield increased up to 129.29 mg/ DCW g.

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초록/요약

메탄은 주요한 온실가스(GHG) 중 하나로, 메탄자화균 생장의 유일한 탄소원이다. 최근 메탄가스 배출로 인한 지구온난화 문제를 줄이기 위해, 메탄에서 고부가가치 화학물질을 생명공학적인 방법으로 전환하는 연구가 다수 진행되고 있다. 본 연구에서는, 메탄을 단일 탄소원으로 사용하는 개량 균주 Methylomicrobium alcaliphium 20ZDP ΔectDΔectR를 이용하여 엑토인 생산의 최적 조건을 탐색하고, 엑토인의 효율적인 bio-milking 방법에 대하여 조사하였다. 첫 번째로, 배지에 텅스텐을 첨가하여 세포 성장과 엑토인 생산성을 높이고, 엑토인 대사에 적정 염도의 배지를 결정하였다. 그 후, 엑토인 생산량을 더욱 향상시키기 위해 bio-milking 최적 조건을 탐색하였다. 첫째로, M. alcaliphium 20ZDP ΔectDΔectR를 3% NaCl이 포함된 배지에서 배양하였고, 세포 내 엑토인을 축적하기 위해 고장액으로 (6% NaCl) 옮겼다. 두 번째 단계에서, 엑토인이 축적된 M. alcaliphium 20ZDP ΔectDΔectR은 저장액에 (1% NaCl) 노출 후, 세포 사멸 없이 세포 내 엑토인을 세포 외 방출하는 것을 확인하였다. 세포 내 엑토인 축적 조건, 세포 외 엑토인 방출 조건은 성장 단계와 배양 배지의 염도, 배지 노출 시간 등을 고려하여 최적화하였다. 그 결과, M. alcaliphilum 20Z ΔPΔectDΔectR을 사용하여 엑토인의 바이오 착유가 10 회 이상 성공적으로 반복되었고, 엑토인 수율이 최대 129.29 mg / DCW g까지 증가하였다. 이러한 방법은 엑토인의 bio-milking 시 세포의 재사용이 가능하므로, 기존의 bio-milking 방법에 비해 엑토인 생산성을 높일 수 있다.

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