이번 호에서는 강남대학교 미래식품과학센터 부주임 주경문 교수팀이 Synthetic and Systems Biotechnology에 발표한 글을 추천합니다.Synergetic engineering of Escherichia coli for efficient production of L-tyrosine。이 연구는 협동 공정 전략을 통해 망초산 경로 및 대사 과정을 미세 조정하고 실험실 적응성 진화 (MMC) 를 이용하여 균주의 산성 조건에 대한 내성을 높임으로써 최종적으로 최적화된 균주를 획득하여 5리터 발효 탱크에서 62시간 동안 92.5g/L의 L-카제인을 생성할 수 있어 L-카제인의 공업화 생산에 중요한 의미를 가진다.

식품, 사료, 화학 및 제약 산업에서 널리 사용되는 L-카제인은 커피산, 플라보노이드, 강황소 등과 같은 다양한 천연 산물의 전구체일 뿐만 아니라 파킨슨 증후군을 치료하는 약물인 L-DOPA의 합성에도 관여합니다.비록 L-카제인은 중요한 공업가치를 갖고있지만 전통적인 화학합성 또는 효소촉진법으로 카제인을 생산하는 공예에는 원가가 높고 안정성이 떨어지는 결점이 존재한다.미생물 발효법은 카제인산을 생산하는데 원가가 낮고 조작이 간단하다는 등 장점이 있지만 생산량이 비교적 낮고 고밀도 발효 균주가 안정적이지 못하다는 단점도 있다.

연구진은 대장균 WSH-Z06을 시작 균주로 삼아 마초산과 방향아미노산 축적과 관련된 몇 개의 유전자를 발현하고 퇴치하는 혼합 검증을 거쳐 4개의 유전자 과발현과 3개의 유전자 퇴치를 결합한 균주를 얻어 48h 요병 L-카제인 생산량이 4.22g/L에 달했다 (그림 2).이어 그 망초산 경로에 인산분해 케톤 효소 경로(PK)를 첨가한 결과 균주가 요람병의 OD600에서 9.8% 향상됐지만 전체적인 L-카제인 생산량은 감소세를 보였다.2개의 NADH와 NADPH가 서로 전환하는 유전자를 통합하면 얻은 균주 생산량은 6.17g/L로 향상된다 (그림 3a).이 균주를 5L 발효 탱크 수준의 발효를 하면 L-카제인의 생산량은 50.2g/L에 달하며, 동시에 발효액에서 12.4g/L의 아세트산 (그림 3b) 이 검출되어 고농도 아세트산으로 균체 성장이 뚜렷하게 억제되었다 (그림 3b).

아세트산의 축적을 줄이기 위해 대장균 아세트산 생산경로 유전자를 퇴치해 얻은 균주 아세트산 생산량이 33.6% 감소해 균체 성장이 약간 개선됐다.아세트산에 대한 내성을 한층 더 높이고 라이신 생산률을 높이며 MMC (미생물 액적 연속 전대 진화기) 를 이용하여 적응성 진화를 진행하고 액적 체계에서 200개가 넘는 액적을 50회 전대 선별하여 아세트산 농도를 끊임없이 높여 pH 5.1에서 잘 자란 균주를 얻어 가장 좋은 요강 수준 생산량은 7.11g/L (그림 4) 이다.5L 발효 탱크에서 포도당 농도와 용산소를 조절함으로써 최종 L-카제인 생산량은 92.8g/L에 달했다.

이 일련의 종합적인 공정 전략은 미생물 합성에서 L-카제인의 생산량을 현저하게 추진하여 산업급 생산에 강력한 실험 지원을 제공하였다.

그림 1 포도당 생물합성 L-카제인 경로

그림 2 유전자 퇴치 및 과다 발현 후 라이신 생산량

그림 3 균주 요강 및 5L 발효 탱크 발효 결과 최적화

그림 4 대장균 아세트산 체계 변성 및 내산성 진화

기사 링크:https://doi.org/10.1016/j.synbio.2023.10.005