In Situ Recovery of Lycopene during Biosynthesis by Recombinant Escherichia coli

Abstract

Lycopene(C_(40)H_(56)), a powerful antioxidant abundant in red tomato, has been targeted to overproduce with microorganisms since a decade ago. However, lycopene concentrations in the reactionmedia remained so below 1.0 g/L probably due to the product recovery. In this study, we examined the physiology of recombinant E. coli during the biosynthesis of lycopene and in situ recovery of lycopene using an organic/aqueous two-liquid phase system. Lycopene appears to disturb metabolic activity, repress cell growth, and also inhibit lycopene biosynthesis of recombinant E. coli. Extraction of the 40-carbon molecule product lycopene, which may lie vertically from phospholipids in cellular membrane, was possible only after partial digestion of cell envelop using lysozyme and EDTA treatments. In the organic/aqueous two -liquid phase systemconsisted with decane and 2YT media, lycopene was produced to 17.2 mg/l using the EDTA-lysozyme spheroplast. This is 46% higher product concentration compared with the fermentation performed in a conventional aqueous medium. Optimization of the two-liquid phase system will further increase the amount of lycopene produced per g cells, resulting in a high product concentration and productivity.;Lycopene(C_(40)H_(56))은 식물에서 생산되는 카로티노이드계 물질로, 인체 내에서의 탁월한 항산화 효과로 인해 식품은 물론 제약, 화장품 산업에서 각광받고 있는 기능성 소재이다. 이러한 라이코펜의 고농도 생산을 위해 미생물 촉매를 이용한 생합성에 관한 많은 연구가 진행되어 왔으나, 생산량은 1.0 g/l 이하에 머무르고 있다. 소수성 물질인 라이코펜은 미생물 촉매 내에 생산된 후 세포막의 인지질 이중막사이에 축적되어, 세포막을 permeabilization시킴으로써 미생물의 생활성은 물론 lycopene 생합성을 저해한다. 본 연구에서는 이러한 product toxicity의 완화를 통한 lycopene 생산량증대를 목적으로, lycopene을 생산 즉시 수거하는 in situ product recovery (ISPR)을 시도하였다. 이를 위하여, 유전자 재조합 E. coli 를 수용성 배지와 유기 용매로 구성된 organic/aqueous two-liquid phase system에서 배양하여, 미생물내의 라이코펜을 생산 즉시 유기 용매층으로 분리하고자 하였다. 탄소 40개로 구성된 직쇄상의 lycopene은 세포막의 인지질 이중막 사이에 위치하여, lysozyme과 EDTA 처리를 통해 E. coli 의 세포벽을 부분분해시킨 spheroplast 상태에서 ISPR이 가능하였다. 결과적으로, decane 과 YT배지로 구성된 organic/aqueous two-liquid phase system에서 EDTA-lysozyme spheroplast를 배양하여, 17.2 mg/l 의 lycopene을 생산하였다. 이는 기존의 액체배지상에서의 lycopene 생산량보다 46% 높은 수준이다. 향후 organic/aqueous two-liquid phase system을 이용한 생산 공정의 최적화에 대한 연구를 통해 lycopene 생산량과 생산성 증대를 기대할 수 있을 것이다.