Biosynthesis of gamma-aminobutyric acid, 5-aminovaleric acid and cadaverine by recombinant Corynebacterium glutamicum

Abstract

본 연구에서는 Corynebacterium glutamicum 을 이용하여 다양한 탄 소원으로부터 고부가 물질인 Gamma-aminobutyric acid (GABA), 5- aminovaleric acid (5-AVA) 및 Cadaverine을 생산하기 위해 외래 유전자의 도입과 내재 유전자를 과발현하여 라이신과 글루타메이트의 이화작용과 관련된 대사공학 전략을 수립하고 이를 미생물에 적용하는 것을 목적으 로 두었다. GABA 효율적인 산업적 생산을 위해 넓은 범위의 pH에서 활성을 보이는 Escherichia coli 유래 L-glutamate decarboxylase 돌연변이 (GadBGlu89Gln/Δ452-466)를 재조합 C. glutamicum에 도입하였다. 또한 지속가 능한 자원인 리그로셀룰로오스계 바이오매스이자 글루코즈와 자일로즈 로 구성된 복합 탄소원의 활용을 위해 E. coli 유래 xylose isomerase (XylA)와 xylulose kinase (XylB) 를 추가 발현하였고 그 결과, 90 g/의 글 루코즈와 10g/L의 자일로즈로부터 35.47 g/L의 GABA 생산을 확인하 였다. 다음으로, C. glutamicum내 새로운 Vitreoscilla hemoglobin promoter 시스템(Pvgb)을 개발하였고, L-glutamate decarboxylase(GAD) 가 Pvgb (Pvgb, Pvgb4, Pvgb8) 하에서 1회, 4회, 8회 반복 발현되었을 때 평균적으로GABA 생산이 4.81–5.31 g/L에서 4.94–5.58 g/L 까지 증가한다는 점을 확인하여 이 시스템의 효율적인 적용가능성을 시사하였다. 마지막으로, 중성 pH에 가까운 배양조건하에서 GABA 생산능을 ss개선하고자 strong synthetic promoter 시스템인 PH36 하에서 Lactococcus lactis CICC20209 (LlGAD)와 Lactobacillus senmaizukei (LsGAD) 유래 GAD 유전자를 C. glutamicum내에 선별적으로 발현하였다. 다양한 pH 조건 하 에서 배양 실험을 진행한 결과 새로운 GAD가 약 pH 7.0에서 활성을 보 이고 이를 통해 셀 생장을 저해하지 않으면서 GABA의 효과적인 생산 이 가능해졌음을 보고했다. 아미노산 생산 산업용 균주인 C. glutamicum에서 라이신으로부터 5-AVA로 전환하기 위해, Vitreoscilla hemoglobin promoter 시스템에 lysine 2- monooxygenase (DavB) 와 delta-aminovaleramidase (DavA) 을 도입하였고 추가적으로 his-tag가 달린 DavB 유전자를 사용한 경우와의 생산 효율을 비교하였다. GABA 생산과 마찬가지로 Pvgb가 1개(Pvgb; 3.43 ± 0.10 g/L)에 서 8개(Pvgb8; 3.69 ± 0.07 g/L)로 반복적으로 추가됨에 따라 5-AVA의 생산 이 증가하였다. 뿐만 아니라 C. glutamicum에서 라이신으로부터 카다베린 생산하 는 것을 목표로 Vitreoscilla hemoglobin promoter 시스템에 lysine decarboxylase (ldcC)를 발현하였고, 이를 이용해 수크로즈, 글루코즈, 자 일로즈로 구성된 sugarcane molasses를 기질로 활용하여 재생 가능한 자 원으로부터 카다베린의 생산을 보고하였다.