Studies on the increasing of Organic Solvent Tolerances (OSTs) in Escherichia coli

Abstract

The organic solvent tolerances (OSTs) of Escherichia coli are main challenges for microbial production of bio-hydrocarbon. Many cellular mechanisms could be related with OSTs, and two mechanisms were mainly investigated in this study: the multidrug resistance (MDR) and the fatty acid synthesis. We tested the 11genes with knock-out single mutants and 12 genes in plasmids. The n-hexane, n-hexane:cyclohexane mixture, ethanol and butanol tolerances were tested as organic solvents. The marR and fadR genes were finally selected and confirmed through the competitive growth assay. The fatty acid degradation regulon (FadR) regulates the biosynthesis and degradation of fatty acids coordinately, and the multiple antibiotic resistance repressor (MarR) is the repressor of the global regulator MarA for multidrug resistance. The strain LMB 015 (ΔfadR ΔmarR) showed significantly increased tolerances to hexanes. This strain had the high ratio of SFA (saturated fatty acids) / UFA (unsaturated fatty acid) and low intracellular accumulated n-hexane after cultivation with n-hexane.;대장균(Escherichia coli)의 유기용매 저항성(OSTs) 향상은 바이오-탄화수소 생산에 있어 주요한 과제 중 하나이다. 유기용매 내성 반응은 많은 세포 내 작용들과 연관되어 있으며, 이 연구에서는, 두 가지 주요 작용과 연관시켜 대장균의 유기용매 내성을 향상시켰다. 이 연구에서는 대장균에서 19개의 유전자를 선정하여, 이들을 결손 시켰을 때와, 과 발현 시켰을 때 대장균의 유기용매 저항성 (OSTs) 효과를 스크리닝 하였다. 그 결과 marR과 fadR 유전자가 선정 되었으며, 이는 또한 연속 배양 실험 (the pooled culture) 에서도 확인 되었다. FadR은 세포 내 지방산 합성/분해 레귤론 (fatty acid degradation regulon: FadR)의 주요한 조절자로, fadR의 결손은 세포의 포화/불포화 지방산의 비율을 증가시켰다. 이는 세포 내 지방산 분석으로 증명하였다. MarR은 다중 약물 내성 억제자 (Multiple antibiotic resistance repressor: MarR)로, marR의 결손은 다중 약물 내성 시스템의 활성인자인 MarA를 과발현 시켰다. 이에 따라fadR유전자와 marR 유전자의 이중 결손 돌연변이인 LMB015 균주는 세포 막의 포화지방산 증가와 다중 약물 내성 시스템 활성인자의 과 발현에 의해 여러 헥산에서 월등히 증가된 내성을 보였다. 이는 성장실험, 활성실험을 통해서 증명 되었으며, 세포 내 헥산의 축적양은 야생형 균주보다 낮게 나타났다.