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WO2017074061A1 - 중쇄 디올의 생산 방법 - Google Patents

중쇄 디올의 생산 방법 Download PDF

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Publication number
WO2017074061A1
WO2017074061A1 PCT/KR2016/012170 KR2016012170W WO2017074061A1 WO 2017074061 A1 WO2017074061 A1 WO 2017074061A1 KR 2016012170 W KR2016012170 W KR 2016012170W WO 2017074061 A1 WO2017074061 A1 WO 2017074061A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
gene
fatty
fatty alcohol
recombinant microorganism
genes
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/KR2016/012170
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
안정오
이홍원
장민정
김천석
박규연
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Korea Research Institute of Bioscience and Biotechnology KRIBB
Original Assignee
Korea Research Institute of Bioscience and Biotechnology KRIBB
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Korea Research Institute of Bioscience and Biotechnology KRIBB filed Critical Korea Research Institute of Bioscience and Biotechnology KRIBB
Priority to US15/771,799 priority Critical patent/US11091741B2/en
Priority to EP16860244.9A priority patent/EP3378940B1/en
Priority claimed from KR1020160141017A external-priority patent/KR101903551B1/ko
Publication of WO2017074061A1 publication Critical patent/WO2017074061A1/ko
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12NMICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N15/00Mutation or genetic engineering; DNA or RNA concerning genetic engineering, vectors, e.g. plasmids, or their isolation, preparation or purification; Use of hosts therefor
    • C12N15/09Recombinant DNA-technology
    • C12N15/63Introduction of foreign genetic material using vectors; Vectors; Use of hosts therefor; Regulation of expression
    • C12N15/70Vectors or expression systems specially adapted for E. coli
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12NMICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
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    • C12N15/09Recombinant DNA-technology
    • C12N15/63Introduction of foreign genetic material using vectors; Vectors; Use of hosts therefor; Regulation of expression
    • C12N15/79Vectors or expression systems specially adapted for eukaryotic hosts
    • C12N15/80Vectors or expression systems specially adapted for eukaryotic hosts for fungi
    • C12N15/81Vectors or expression systems specially adapted for eukaryotic hosts for fungi for yeasts
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12PFERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P7/00Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/02Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group
    • C12P7/04Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group acyclic
    • C12P7/18Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group acyclic polyhydric

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing heavy chain diols, and more particularly, the fatty alcohol dehydrogenase and / or fatty alcohol oxidase genes in the ⁇ -oxidative metabolic pathway are removed and optionally fat
  • a method for producing heavy chain diols from alcohols or alkanes derived from fatty acids by culturing recombinant microorganisms in which the aldehyde dehydrogenase gene has been removed and the ⁇ -oxidation metabolic pathway related gene has been removed.
  • Bioplatform compounds are produced through biological or chemical conversion based on biomass-derived raw materials, and are used for synthesis of polymer monomers and new materials.
  • medium chain diols are used as monomers of polyesters, and polyesters are widely used for various purposes, including fibers, films, and combinations due to their excellent properties.
  • polyethylene terephthalate obtained by polycondensation of ethylene glycol and terephthalic acid is used in many applications because of its excellent mechanical strength, chemical properties, and the like, and has been mass produced in the world as the most suitable synthetic fiber for medical use.
  • polytrimethylene terephthalate as a raw material of 1,3-propanediol and terephthalic acid has recently been developed a low-cost 1,3-propanediol synthesis method, the market tends to increase, excellent elastic modulus recovery, and a Young's modulus The development as a soft touch medical use utilizing the low polymer characteristic is anticipated.
  • polyester derived from biomass resources has been attracting attention due to concern about higher and depletion of petroleum resources.
  • heavy chain diols can be achieved by biological methods through chemical synthesis or microbial fermentation.
  • the use of such biological methods requires the development of new strains and optimization of fermentation processes using metabolic engineering techniques.
  • strains capable of producing heavy chain diols may be microorganisms having a ⁇ -oxidative metabolic pathway and a ⁇ -oxidative metabolic pathway, for example, Klebsiella oxytoca and Klebsiella pneumoniae. pneumoniae, aerobacter aerogenes, and recombinant Saccharomyces cerevisiae are known to be able to produce 2,3-butanediol with high yield and high productivity.
  • the present invention removes fatty alcohol dehydrogenase and / or fatty alcohol oxidase related genes in the ⁇ -oxidative metabolic pathway, optionally removes fatty aldehyde dehydrogenase gene, and also eliminates ⁇ -oxidative metabolic pathway related genes. It is an object of the present invention to provide a method for producing heavy chain diols from alcohols or alkanes derived from fatty acids by culturing the recombinant microorganisms and the recombinant microorganisms.
  • the present invention removes one or more genes selected from the group consisting of fatty alcohol dehydrogenase and fatty alcohol oxidase in the ⁇ -oxidation metabolic pathway, and optionally the fatty aldehyde dehydrogenase gene It also provides a recombinant microorganism that has been removed, and in which genes related to ⁇ -oxidation metabolic pathways have been removed.
  • the fatty alcohol dehydrogenase, fatty alcohol oxidase, fatty aldehyde dehydrogenase and ⁇ -oxidation pathway related genes are preferably all homologous genes present in the microorganism are removed. But it is not limited thereto. According to another embodiment of the present invention, the fatty alcohol dehydrogenase, fatty alcohol oxidase, fatty aldehyde dehydrogenase and ⁇ -oxidation metabolic pathway related genes are preferably removed from some homologous genes present in the microorganism. But it is not limited thereto.
  • the fatty alcohol dehydrogenase gene may be selected from the group consisting of ADH1, ADH2, ADH3, ADH4, ADH5, ADH6, ADH7, ADH8 and FADH gene, but is not limited thereto.
  • the fatty alcohol oxidase gene may be a FAO gene, but is not limited thereto.
  • the fatty aldehyde dehydrogenase gene may be a gene selected from the group consisting of FALDH1, FALDH2, FALDH3 and FALDH4 genes, but is not limited thereto.
  • the ⁇ -oxidation pathway related gene may be an acyl-CoA oxidase gene, but is not limited thereto.
  • the acyl-CoA oxidase gene may be selected from the group consisting of ACO1, ACO2, ACO3, ACO4, ACO5 and ACO6 genes, but is not limited thereto.
  • the microorganism may be yeast or E. coli, but is not limited thereto.
  • the yeast may be a yeast selected from the group consisting of genus Yarrowia, genus Saccharomyces, Pichia and Candida, but is not limited thereto.
  • the yeast of the genus Yarrowia may be, but is not limited to Yarrowia repolitica.
  • the present invention (1) at least one gene selected from the group consisting of fatty alcohol dehydrogenase and fatty alcohol oxidase in the ⁇ -oxidation metabolic pathway is removed, optionally the fatty aldehyde dehydrogenase gene is removed, In addition, preparing a recombinant microorganism from which the gene related to the ⁇ -oxidation metabolic pathway has been removed; And (2) provides a method for producing a heavy chain diol comprising the step of culturing the substrate to the recombinant microorganism.
  • the substrate may be selected from the group consisting of alcohols and alkanes derived from fatty acids, but is not limited thereto.
  • the alcohol, alkanes and heavy chain diols derived from fatty acids may each have 5 to 30 carbon atoms, preferably 6 to 20 carbon atoms, more preferably 8 to 16 carbon atoms, but are not limited thereto. no.
  • the alkanes may be dodecane, but is not limited thereto.
  • the heavy chain diol may be 1,12-dodecanediol, but is not limited thereto.
  • the recombinant microorganism of the present invention removes the fatty alcohol dehydrogenase and / or fatty alcohol oxidase genes in the ⁇ -oxidative metabolic pathway, optionally the fatty aldehyde dehydrogenase gene, and also the ⁇ -oxidative metabolic pathway related genes. Can be removed to prevent further oxidation of the fatty alcohol and ⁇ -oxidation metabolism to produce heavy chain diols in high yield.
  • FIG. 2 is a process for preparing a recombinant microorganism of the present invention in which the fatty alcohol dehydrogenase, fatty alcohol oxidase gene and fatty aldehyde dehydrogenase gene related to ⁇ -oxidation and the acyl-CoA oxidase gene associated with ⁇ -oxidation are removed. It is shown schematically.
  • Figure 3 schematically shows a vector having a ura3 gene to be used as a selection marker for gene knockout for strain improvement and a pop-out for removing the ura3 gene after the knockout cassette insertion.
  • Figure 4 is a schematic diagram showing the manufacturing process of the knock-out cassette used in the production of the transformed microorganism of the present invention.
  • 5 is a graph showing the types of genes knocked out in the transformed microorganism of the present invention.
  • 6 is a graph showing the amount of heavy chain diols produced from alkanes as substrates of the transformed microorganism of the present invention.
  • FIG. 7 is a graph showing the amount of heavy chain diols produced from alkanes as substrates when the Y4-20 strain of the present invention is cultured in a flask.
  • the present invention removes one or more genes selected from the group consisting of fatty alcohol dehydrogenases and fatty alcohol oxidases in the ⁇ -oxidation metabolic pathway, optionally removes fatty aldehyde dehydrogenase genes, and also ⁇ -oxidation metabolism.
  • fatty alcohol dehydrogenases and fatty alcohol oxidases in the ⁇ -oxidation metabolic pathway, optionally removes fatty aldehyde dehydrogenase genes, and also ⁇ -oxidation metabolism.
  • ⁇ -oxidation refers to a metabolic process in which a methyl group terminal of a fatty acid is oxidized to form a dicarboxylic acid
  • ⁇ -oxidation means that a ⁇ -site carbon atom is oxidized in a carboxy group. It is a metabolic process that releases acetyl CoA and gradually breaks down into fatty acids with two carbon atoms each time.
  • the concepts of ⁇ -oxidation and ⁇ -oxidation and the enzymes involved in this metabolic process are well known to those skilled in the biochemistry art.
  • ⁇ -hydroxy fatty acid is first produced by the action of cytochrome P450 and NADPH-cytochrome P450 reductase, and the ⁇ -hydroxy fatty acid is ⁇ -aldehyde fatty acid is produced by the action of fatty alcohol dehydrogenase and fatty alcohol oxidase, and the ⁇ -aldehyde fatty acid is produced by the action of fatty aldehyde dehydrogenase.
  • acyl-CoA oxidase produces fatty acids having two carbon atoms (see FIG. 1).
  • the fatty alcohol dehydrogenase and fatty alcohol oxidase gene, and the fatty aldehyde dehydrogenase gene that can be selectively removed is that all homologous genes present in the microorganism are removed Preferably, however, recombinant microorganisms in which some of these genes have been removed may also be applied in the present invention.
  • the fatty alcohol dehydrogenase gene may be selected from the group consisting of ADH1, ADH2, ADH3, ADH4, ADH5, ADH6, ADH7, ADH8 and FADH gene, but is not limited thereto.
  • the ADH1, ADH2, ADH3, ADH4, ADH5, ADH6, ADH7, ADH8 and FADH gene may include a base sequence consisting of SEQ ID NO: 1 and SEQ ID NO: 9, but is not limited thereto. no.
  • the fatty alcohol oxidase gene may be a FAO gene, but is not limited thereto.
  • the FAO gene may include a nucleotide sequence consisting of SEQ ID NO: 10, but is not limited thereto.
  • the fatty aldehyde dehydrogenase gene may be selected from the group consisting of FALDH1, FALDH2, FALDH3 and FALDH4 genes, but is not limited thereto.
  • the FALDH1, FALDH2, FALDH3 and FALDH4 genes may include, but are not limited to, nucleotide sequences consisting of SEQ ID NO: 11 and SEQ ID NO: 14, respectively.
  • the ⁇ -oxidation metabolic pathway related gene is preferably all homologous genes present in the microorganism is removed, but in some cases, the recombinant microorganism from which some of the genes are removed Can be applied.
  • the ⁇ -oxidation pathway related gene is an acyl-CoA oxidase gene, and the acyl-CoA oxidase gene may be selected from the group consisting of ACO1, ACO2, ACO3, ACO4, ACO5 and ACO6 genes, but is not limited thereto. No (see Figure 2).
  • the ACO1, ACO2, ACO3, ACO4, ACO5 and ACO6 gene may include a base sequence consisting of SEQ ID NO: 15 and SEQ ID NO: 20, but is not limited thereto.
  • genes selected from the fatty alcohol dehydrogenase gene, fatty alcohol oxidase gene, fatty aldehyde dehydrogenase and acyl-CoA oxidase are removed using conventional genetic recombination techniques known in the art.
  • Recombinant microorganisms can be prepared.
  • the term "removal" is not only a part or all of the gene is physically removed, but also a state in which a protein is not made from mRNA transcribed from the gene and the protein expressed from the gene function The state of not being able to be used is also used in the sense of comprehensive inclusion.
  • Genetic recombination techniques that can be used include, but are not limited to, methods such as transformation, transduction, transfection, microinjection, electroporation, and the like. .
  • any microorganism that can be used may be used without limitation any microorganism having both ⁇ -oxidation and ⁇ -oxidation metabolic processes, for example, eukaryotes including yeast and prokaryotes including E. coli are used. Can be.
  • the microorganism is preferably using yeast, and as the yeast Yarrowia sp., Saccharomyces sp., Pichia sp. Yeasts such as Candida sp.
  • Yarrowia lipolytica Candida tropicalis, Candida infanticola
  • saccharo Preference is given to using Saccharomyces cerevisiae, Pichia alcoholophia or Candida mycoderma, more preferably to Yarrowia repolitica.
  • cytochrome P450 As described above, in the case of microorganisms in which the fatty alcohol dehydrogenase, fatty alcohol oxidase gene and ⁇ -oxidation pathway related gene, and optionally the fatty aldehyde dehydrogenase gene are removed, cytochrome P450 and The action of NADPH-cytochrome P450 reductase oxidizes either end to form a primary alcohol, but prevents further oxidation because the fatty alcohol dehydrogenase gene and fatty alcohol oxidase gene are removed. do.
  • the primary alcohol formed as described above becomes a substrate again, and the other end is oxidized by the action of cytochrome P450 and NADPH-cytochrome P450 reductase to form a diol, which is a secondary alcohol.
  • cytochrome P450 and NADPH-cytochrome P450 reductase to form a diol, which is a secondary alcohol.
  • one or more genes selected from the group consisting of fatty alcohol dehydrogenase and fatty alcohol oxidase in the ⁇ -oxidation metabolic pathway are removed, optionally the fatty aldehyde dehydrogenase gene is removed, and also ⁇ -oxidation metabolism Preparing a recombinant microorganism from which pathway related genes have been removed;
  • the fatty alcohol dehydrogenase and / or fatty alcohol oxidase genes in the ⁇ -oxidative metabolic pathway are removed, optionally the fatty aldehyde dehydrogenase gene is removed, and the ⁇ -oxidative metabolic pathway related genes are also removed.
  • the recombinant microorganisms from which the polysaccharides have been removed can be used to prevent heavy oxidation and ⁇ -oxidation metabolism of fatty alcohols to produce heavy chain diols in high yield.
  • the fatty alcohol dehydrogenase, fatty alcohol oxidase, fatty aldehyde dehydrogenase and ⁇ -oxidation pathway related genes are preferably all homologous genes present in the microorganism, but in some cases some of them Recombinant microorganisms having been removed can also be applied in the present invention.
  • any microorganism that can be used may be used without limitation any microorganism having both ⁇ -oxidation and ⁇ -oxidation metabolic processes, for example, eukaryotes including yeast and prokaryotes including E. coli are used. Can be.
  • the microorganism is preferably using yeast, and yeasts such as Yarrowia genus, Saccharomyces genus, Pichia genus, Candida genus and the like may be used without limitation.
  • Yarrowia Lipolitica Saccharomyces cerevisiae, Candida Tropicalis, Candida Infanticola, Pichia Alcoholopia or Candida Mycoderma, and more preferably Yarrowia Lipolitica. desirable.
  • genes selected from the fatty alcohol dehydrogenase gene, fatty alcohol oxidase gene, fatty aldehyde dehydrogenase and acyl-CoA oxidase are removed using conventional genetic recombination techniques known in the art. Recombinant microorganisms can be prepared.
  • the term "removal" is not only a part or all of the gene is physically removed, but also a state in which a protein is not made from mRNA transcribed from the gene and the protein expressed from the gene function The state of not being able to be used is also used in the sense of comprehensive inclusion.
  • diol refers to a compound containing two hydroxyl groups (-OH group), “heavy chain diol” is 5 to 30 carbon atoms, preferably 6 to 20 carbon atoms, more preferably carbon atoms It is used with the meaning including all the diol compounds which have 8-16.
  • the substrate of step (2) may be selected from the group consisting of alcohols and alkanes derived from fatty acids, but is not limited thereto.
  • the alcohol derived from the fatty acid may be an alcohol having 5 to 30 carbon atoms, preferably 6 to 20 carbon atoms, more preferably 8 to 16 carbon atoms, but is not limited thereto.
  • the alkanes may be used alkanes having 5 to 30 carbon atoms, preferably 6 to 20 carbon atoms, more preferably 8 to 16 carbon atoms, but are not limited thereto.
  • the alkanes may be dodecane, but is not limited thereto.
  • the heavy chain diol may be 1,12-dodecanediol, but is not limited thereto.
  • a vector having a ura3 gene to be used as a selection marker for gene knock-out for strain improvement and a pop-out for removing the ura3 gene after insertion of the knock-out cassette was constructed (FIG. 3).
  • the primers used to PCR the pop-out region and ura3 in two pieces are shown in Table 3.
  • the cultured cells were scraped with a loop and vortexed in 100 ⁇ l of one-step buffer (45% PEG4000, 100 mM DTT, 0.1 L LiAc, 25 ⁇ g single-strand carrier DNA), followed by addition of a knock-out cassette (1 ng or more).
  • a knock-out cassette (1 ng or more).
  • the cultured samples were loaded into selection medium (YNB w / o amino acid 6.7g / L, Glucose 20g / L) and incubated at 30 ° C. for 48 hours to select the inserted strain. Then, it was confirmed by PCR using the fries included in the gene deletion of Table 2 to confirm that the cassettes are correctly inserted on the genome of the selected strain.
  • the strain into which the cassette was inserted went through a pop-out process to proceed with the insertion of another cassette.
  • 200 ⁇ l of the culture medium was mixed with 5 ′ FOA medium (YNB w / o amino acid 6.7g / L, Glucose 20g / L, 5 'FOA).
  • 5 ′ FOA medium YNB w / o amino acid 6.7g / L, Glucose 20g / L, 5 'FOA.
  • the strain to be tested was inoculated in 2 ml of YPD medium (Bacto Laboratories, Yeast extract 10g / L, peptone 20g / L, glucose 20g / L) the day before at 30 °C, 200rpm.
  • 2 ml of growth stage medium (pH 6.0) having the composition shown in Table 5 was placed in a 24-well plate, and then inoculated with 1% of the pre-cultured culture, followed by incubation at 30 ° C. and 450 rpm for one day in a plate stirrer.
  • the Y1-28 and Y1-36 strains that only knocked out the ⁇ -oxidation metabolism related gene and the fatty aldehyde dehydrogenase gene could not produce 1,12-dodecanediol from the substrate dodecane, but the fat
  • the Y1-36 strain additionally knocked out the alcohol oxidase gene and the Y4-2, Y4-20 and Y4-30 strains additionally knocked out the fatty alcohol oxidase gene and the fatty alcohol dehydrogenase gene were all excellent. It showed the ability to synthesize 1,12-dodecanediol (FIG. 6).
  • the Y4-20 strain showed a 1,12-dodecanediol synthesis capacity of about 18 mg / L when cultured in the flask (Fig. 7).
  • a sample analysis experiment using the Y4-20 strain was performed.

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Abstract

본 발명은 중쇄 디올의 생산 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 ω-산화 대사 경로 중의 지방 알코올 디하이드로게나아제 및/또는 지방 알코올 옥시다아제 유전자가 제거되고, 선택적으로 지방 알데히드 디하이드로게나아제 유전자가 제거되며, 또한 β-산화 대사 경로 관련 유전자가 제거된 재조합 미생물 및 상기 재조합 미생물을 배양함으로써, 지방산 유래의 알코올 또는 알칸으로부터 중쇄 디올을 생산하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 재조합 미생물은 지방 알코올의 추가적인 산화 및 β-산화 대사를 방지함으로써 중쇄 디올을 높은 수율로 생산할 수 있다.

Description

중쇄 디올의 생산 방법
본 발명은 중쇄 디올의 생산 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 ω-산화 대사 경로 중의 지방 알코올 디하이드로게나아제(fatty alcohol dehydrogenase) 및/또는 지방 알코올 옥시다아제(oxidase) 유전자가 제거되고, 선택적으로 지방 알데히드 디하이드로게나아제 유전자가 제거되며, 또한 β-산화 대사 경로 관련 유전자가 제거된 재조합 미생물을 배양함으로써, 지방산 유래의 알코올 또는 알칸(alkane)으로부터 중쇄 디올을 생산하는 방법에 관한 것이다.
바이오플랫폼 화합물은 바이오매스 유래 원료를 기반으로 하여 생물학적 또는 화학적 전환을 통해 생산된 것으로, 고분자 모노머, 신소재 등의 합성에 사용되고 있다.
바이오플랫폼 화합물 중 중쇄 디올은 폴리에스테르의 단량체로 사용되는 물질로서, 폴리에스테르는 그 뛰어난 성질로부터 섬유용, 필름용, 병용을 비롯해 널리 여러 가지 용도로 사용되고 있다. 예를 들면, 에틸렌글리콜과 테레프탈산의 중축합으로 얻어지는 폴리에틸렌테레프탈레이트는 기계적 강도, 화학 특성 등에 뛰어나서 많은 용도에 사용되고 있고, 의료용(衣料用)으로 가장 적합한 합성 섬유로서 전세계에서 대량 생산되고 있다. 또한, 1,3-프로판디올과 테레프탈산을 원료로 하는 폴리트리메틸렌테레프탈레이트는 최근 저렴한 1,3-프로판디올 합성법이 개발된 것도 있어서 시장은 증가 경향에 있고, 신장탄성 회복성이 뛰어나고, 영률이 낮은 폴리머 특성을 살린 소프트한 촉감의 의료 용도로서의 전개가 기대된다. 아울러, 최근에는 석유 자원의 고등(高騰)·고갈을 우려하여 바이오매스 자원 유래의 폴리에스테르가 주목받고 있다.
중쇄 디올의 생산은 화학적 합성이나 미생물 발효를 통한 생물학적 방법으로 이루어질 수 있는데, 이러한 생물학적 방법을 이용할 경우에는 대사공학 기술을 이용한 신규 균주 개발 및 발효공정의 최적화가 요구된다.
종래에 중쇄 디올을 생산할 수 있는 균주로는 β-산화 대사 경로와 ω-산화 대사 경로를 함께 갖고 있는 미생물이 이용될 수 있고, 예컨대 크렙실라 옥시토카(Klebsiella oxytoca), 크렙실라 뉴모니애(Klebsiella pneumoniae), 애어로박터 애어로제네스(Aerobacter aerogenes), 재조합 사카로마이세스 세레비지애(Saccharomyces cerevisiae) 등의 균주들은 2,3-부탄디올을 고수율 및 고생산성으로 생산할 수 있는 것으로 알려져 있다(대한민국 특허공개번호 제10-2012-0107021호, 대한민국 특허공개번호 제10-2012-0128776호 및 대한민국 특허공개번호 제10-2015-0068581호). 그러나, 이들 미생물 중 일부는 병원성 미생물로 분류되고 있어, 안전 및 산업화 측면에 제약이 따르고, 또한 중쇄 디올은 ω-산화 대사 경로의 중간 생성물에 해당하기 때문에, 상기 미생물들을 이용한 중쇄 디올의 생산에 있어서는 그 수율이 높지 않다는 문제점이 있었다.
본 발명은 ω-산화 대사 경로 중의 지방 알코올 디하이드로게나아제 및/또는 지방 알코올 옥시다아제 관련 유전자가 제거되고, 선택적으로 지방 알데히드 디하이드로게나아제 유전자가 제거되며, 또한 β-산화 대사 경로 관련 유전자가 제거된 재조합 미생물 및 상기 재조합 미생물을 배양함으로써, 지방산 유래의 알코올 또는 알칸으로부터 중쇄 디올을 생산하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 ω-산화 대사 경로 중의 지방 알코올 디하이드로게나아제 및 지방 알코올 옥시다아제로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 유전자가 제거되고, 선택적으로 지방 알데히드 디하이드로게나아제 유전자가 제거되며, 또한 β-산화 대사 경로 관련 유전자가 제거된 재조합 미생물을 제공한다.
본 발명의 한 구현예에 따르면, 상기 상기 지방 알코올 디하이드로게나아제, 지방 알코올 옥시다아제, 지방 알데히드 디하이드로게나아제 및 β-산화 대사 경로 관련 유전자는 미생물 내에 존재하는 모든 상동형 유전자가 제거된 것이 바람직하지만 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 지방 알코올 디하이드로게나아제, 지방 알코올 옥시다아제, 지방 알데히드 디하이드로게나아제 및 β-산화 대사 경로 관련 유전자는 해당 미생물 내에 존재하는 일부 상동형 유전자가 제거된 것이 바람직하지만 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 한 구현예에 따르면, 상기 지방 알코올 디하이드로게나아제 유전자는 ADH1, ADH2, ADH3, ADH4, ADH5, ADH6, ADH7, ADH8 및 FADH 유전자로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 지방 알코올 옥시다아제 유전자는 FAO 유전자일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 지방 알데히드 디하이드로게나아제 유전자는 FALDH1, FALDH2, FALDH3 및 FALDH4 유전자로 이루어진 군으로부터 선택되는 유전자일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 한 구현예에 따르면, 상기 β-산화 대사 경로 관련 유전자는 아실-CoA 옥시다아제 유전자일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 아실-CoA 옥시다아제 유전자는 ACO1, ACO2, ACO3, ACO4, ACO5 및 ACO6 유전자로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 한 구현예에 따르면, 상기 미생물은 효모 또는 대장균일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 효모는 야로위아 속, 사카로마이세스 속, 피키아 속 및 캔디다 속으로 이루어진 군으로부터 선택되는 효모일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 다른 바람직한 구현예에 따르면, 상기 상기 야로위아 속의 효모는 야로위아 리폴리티카일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 발명은 (1) ω-산화 대사 경로 중의 지방 알코올 디하이드로게나아제 및 지방 알코올 옥시다아제로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 유전자가 제거되고, 선택적으로 지방 알데히드 디하이드로게나아제 유전자가 제거되며, 또한 β-산화 대사 경로 관련 유전자가 제거된 재조합 미생물을 제조하는 단계; 및 (2) 상기 재조합 미생물에 기질을 처리하여 배양하는 단계를 포함하는 중쇄 디올의 생산 방법을 제공한다.
본 발명의 한 구현예에 따르면, 상기 기질은 지방산 유래의 알코올 및 알칸으로 이루어지는 군으로부터 선택될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 지방산 유래의 알코올, 알칸 및 중쇄 디올은 각각 탄소수 5 내지 30, 바람직하게는 탄소수 6 내지 20, 보다 바람직하게는 탄소수 8 내지 16을 가질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 다른 바람직한 구현예에 따르면, 상기 알칸은 도데칸일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 다른 바람직한 구현예에 따르면, 상기 중쇄 디올은 1,12-도데칸디올일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 재조합 미생물은 ω-산화 대사 경로 중의 지방 알코올 디하이드로게나아제 및/또는 지방 알코올 옥시다아제 유전자가 제거되고, 선택적으로 지방 알데히드 디하이드로게나아제 유전자가 제거되며, 또한 β-산화 대사 경로 관련 유전자가 제거되어 지방 알코올의 추가적인 산화 및 β-산화 대사를 방지함으로써 중쇄 디올을 높은 수율로 생산할 수 있다.
도 1은 ω-산화 및 β-산화 대사 반응과 관련된 생성물 및 관련 효소의 종류를 보여주는 것이다.
도 2는 ω-산화와 관련된 지방 알코올 디하이드로게나아제, 지방 알코올 옥시다아제 유전자 및 지방 알데히드 디하이드로게나아제 유전자와, β-산화와 관련된 아실-CoA 옥시다아제 유전자가 제거된 본 발명의 재조합 미생물의 제조 과정을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 균주 개량을 위한 유전자 낙-아웃을 위해 선별 마커로 사용될 ura3 유전자와 낙-아웃 카세트 삽입 후 ura3 유전자를 제거하기 위한 팝-아웃(pop-out)을 갖는 벡터를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 형질전환 미생물의 제조에 사용된 낙-아웃 카세트의 제작 과정을 보여주는 개략도이다.
도 5는 본 발명의 형질전환 미생물에서 낙-아웃된 유전자의 종류를 보여주는 그래프이다.
도 6는 본 발명의 형질전환 미생물이 기질인 알칸으로부터 생성한 중쇄 디올의 양을 보여주는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 Y4-20 균주를 플라스크에서 배양시 기질인 알칸으로부터 생성한 중쇄 디올의 양을 보여주는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 Y4-20 균주에서 기질인 알칸으로부터 중쇄 디올이 생성되었음을 보여주는 GC/MS 데이터이다.
본 발명은 ω-산화 대사 경로 중의 지방 알코올 디하이드로게나아제 및 지방 알코올 옥시다아제로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 유전자가 제거되고, 선택적으로 지방 알데히드 디하이드로게나아제 유전자가 제거되며, 또한 β-산화 대사 경로 관련 유전자가 제거된 재조합 미생물을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 "ω-산화"란 용어는 지방산의 메틸기 말단이 산화되어 디카르복시산이 형성되는 대사 과정을 의미하고, "β-산화"란 용어는 카르복시기에서 β-자리의 탄소원자가 산화되어 아세틸 CoA를 방출하면서 그때마다 탄소 원자수가 2개 적은 지방산이 되면서 점차 분해되어 가는 대사 과정을 의미한다. 상기 ω-산화 및 β-산화의 개념과 이러한 대사 과정에 관여하고 있는 효소들에 대해서는 생화학 분야의 통상의 기술자에게 있어서 널리 알려져 있다. 예컨대, ω-산화에 있어서, 지방산이 기질로 이용될 경우에는 먼저 시토크롬 P450 및 NADPH-시토크롬 P450 리덕타아제(reductase)의 작용에 의해 ω-히드록시 지방산이 생성되고, 상기 ω-히드록시 지방산은 지방 알코올 디하이드로게나아제 및 지방 알코올 옥시다아제의 작용에 의해 ω-알데히드 지방산이 생성되며, 상기 ω-알데히드 지방산은 지방 알데히드 디하이드로게나아제의 작용에 의해 디카르복시산이 제조된다. 또한, β-산화에 있어서는 아실-CoA 옥시다아제에 의해 탄소 원자수가 2개 적은 지방산이 생성된다(도 1 참조).
본 발명의 한 구현예에 따르면, 상기 지방 알코올 디하이드로게나아제 및 지방 알코올 옥시다아제 유전자, 및 선택적으로 제거될 수 있는 지방 알데히드 디하이드로게나아제 유전자는 해당 미생물 내에 존재하는 모든 상동형 유전자가 제거된 것이 바람직하지만, 경우에 따라 이들 중 일부 유전자가 제거된 재조합 미생물도 본 발명에 있어서 적용될 수 있다.
본 발명의 한 구현예에 따르면, 상기 지방 알코올 디하이드로게나아제 유전자는 ADH1, ADH2, ADH3, ADH4, ADH5, ADH6, ADH7, ADH8 및 FADH 유전자로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 ADH1, ADH2, ADH3, ADH4, ADH5, ADH6, ADH7, ADH8 및 FADH 유전자는 각각 서열번호 1 및 서열번호 9로 이루어지는 염기서열을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 지방 알코올 옥시다아제 유전자는 FAO 유전자일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 FAO 유전자는 서열번호 10으로 이루어지는 염기서열을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 지방 알데히드 디하이드로게나아제 유전자는 FALDH1, FALDH2, FALDH3 및 FALDH4 유전자로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 FALDH1, FALDH2, FALDH3 및 FALDH4 유전자는 각각 서열번호 11 및 서열번호 14로 이루어지는 염기서열을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 한 구현예에 따르면, 상기 β-산화 대사 경로 관련 유전자는 해당 미생물 내에 존재하는 모든 상동형 유전자가 제거된 것이 바람직하지만, 경우에 따라 이들 중 일부 유전자가 제거된 재조합 미생물도 본 발명에 있어서 적용될 수 있다. 상기 β-산화 대사 경로 관련 유전자는 아실-CoA 옥시다아제 유전자인 것이 바람직하고, 상기 아실-CoA 옥시다아제 유전자는 ACO1, ACO2, ACO3, ACO4, ACO5 및 ACO6 유전자로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다(도 2 참조). 본 발명의 다른 바람직한 구현예에 따르면, 상기 ACO1, ACO2, ACO3, ACO4, ACO5 및 ACO6 유전자는 각각 서열번호 15 및 서열번호 20으로 이루어지는 염기서열을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 있어서, 본 기술분야에 공지된 통상의 유전자 재조합 기술을 이용하여 상기 지방 알코올 디하이드로게나아제, 지방 알코올 옥시다아제 유전자, 지방 알데히드 디하이드로게나아제 및 아실-CoA 옥시다아제로부터 선택되는 유전자가 제거된 재조합 미생물을 제조할 수 있다. 본 발명에 있어서, 상기 "제거"란 용어는 해당 유전자의 일부 또는 전부가 물리적으로 제거된 것뿐만 아니라, 해당 유전자로부터 전사된 mRNA로부터 단백질이 만들어지지 않는 상태 및 해당 유전자로부터 발현된 단백질이 기능을 하지 못하는 상태 등도 포괄적으로 포함하는 의미로 사용된다. 사용될 수 있는 유전자 재조합 기술로는 형질전환(transformation), 형질도입(transduction), 형질주입(transfection), 미세주입(microinjection), 전기천공(electroporation) 등의 방법을 예시할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 있어서, 사용될 수 있는 미생물은 ω-산화 및 β-산화 대사 과정을 모두 갖고 있는 임의의 미생물이 제한없이 사용될 수 있으며, 예컨대 효모를 포함하는 진핵생물 및 대장균을 포함하는 원핵생물 등이 사용될 수 있다. 본 발명의 구현예에 따르면, 상기 미생물은 효모를 사용하는 것이 바람직하며, 상기 효모로는 야로위아 속(Yarrowia sp.), 사카로마이세스 속(Saccharomyces sp.), 피키아 속(Pichia sp.), 캔디다 속(Candida sp.) 등의 효모가 제한없이 사용될 수 있고, 이 중에서도 야로위아 리폴리티카(Yarrowia lipolytica), 캔디다 트로피칼리스(Candida tropicalis), 캔디다 인판티콜라(Candida infanticola), 사카로마이세스 세레비지애(Saccharomyces cerevisiae), 피키아 알코홀로피아(Pichia alcoholophia) 또는 캔디다 마이코더마(Candida mycoderma)를 사용하는 것이 바람직하며, 야로위아 리폴리티카를 사용하는 것이 더욱 바람직하다.
상기와 같이, 지방 알코올 디하이드로게나아제, 지방 알코올 옥시다아제 유전자 및 β-산화 대사 경로 관련 유전자와, 선택적으로 지방 알데히드 디하이드로게나아제 유전자가 제거된 미생물의 경우, 알칸이 기질로 공급되면 시토크롬 P450 및 NADPH-시토크롬 P450 리덕타아제의 작용에 의해 두 말단 중 어느 한 쪽이 산화되어 1차 알코올이 형성되지만, 지방 알코올 디하이드로게나아제 유전자 및 지방 알코올 옥시다아제 유전자가 제거되어 있기 때문에 더 이상의 산화가 일어나지 못하게 된다. 그리고, 상기와 같이 형성된 1차 알코올은 다시 기질이 되어 시토크롬 P450 및 NADPH-시토크롬 P450 리덕타아제의 작용에 의해 다른 쪽 말단이 산화됨으로써 2차 알코올인 디올이 형성되게 된다. 상기와 같이 알칸을 기질로 이용하게 되면 2차례에 걸친 산화 반응을 통해 디올이 형성되지만, 기질로 알칸이 아닌 알코올을 이용하게 되면 1차례의 산화만으로 디올이 형성된다.
또한, 본 발명은
(1) ω-산화 대사 경로 중의 지방 알코올 디하이드로게나아제 및 지방 알코올 옥시다아제로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 유전자가 제거되고, 선택적으로 지방 알데히드 디하이드로게나아제 유전자가 제거되며, 또한 β-산화 대사 경로 관련 유전자가 제거된 재조합 미생물을 제조하는 단계; 및
(2) 상기 재조합 미생물에 기질을 처리하여 배양하는 단계를 포함하는 중쇄 디올의 생산 방법을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 ω-산화 대사 경로 중의 지방 알코올 디하이드로게나아제 및/또는 지방 알코올 옥시다아제 유전자가 제거되고, 선택적으로 지방 알데히드 디하이드로게나아제 유전자가 제거되며, 또한 β-산화 대사 경로 관련 유전자가 제거된 재조합 미생물을 이용하여 지방 알코올의 추가적인 산화 및 β-산화 대사를 방지함으로써 중쇄 디올을 높은 수율로 생산할 수 있다. 상기 지방 알코올 디하이드로게나아제, 지방 알코올 옥시다아제, 지방 알데히드 디하이드로게나아제 및 β-산화 대사 경로 관련 유전자는 해당 미생물 내에 존재하는 모든 상동형 유전자가 제거된 것이 바람직하지만, 경우에 따라 이들 중 일부 유전자가 제거된 재조합 미생물도 본 발명에 있어서 적용될 수 있다.
본 발명에 있어서, 사용될 수 있는 미생물은 ω-산화 및 β-산화 대사 과정을 모두 갖고 있는 임의의 미생물이 제한없이 사용될 수 있으며, 예컨대 효모를 포함하는 진핵생물 및 대장균을 포함하는 원핵생물 등이 사용될 수 있다. 본 발명의 구현예에 따르면, 상기 미생물은 효모를 사용하는 것이 바람직하며, 상기 효모로는 야로위아 속, 사카로마이세스 속, 피키아 속, 캔디다 속 등의 효모가 제한없이 사용될 수 있고, 이 중에서도 야로위아 리폴리티카, 사카로마이세스 세레비지애, 캔디다 트로피칼리스, 캔디다 인판티콜라, 피키아 알코홀로피아 또는 캔디다 마이코더마를 사용하는 것이 바람직하며, 야로위아 리폴리티카를 사용하는 것이 더욱 바람직하다.
본 발명에 있어서, 본 기술분야에 공지된 통상의 유전자 재조합 기술을 이용하여 상기 지방 알코올 디하이드로게나아제, 지방 알코올 옥시다아제 유전자, 지방 알데히드 디하이드로게나아제 및 아실-CoA 옥시다아제로부터 선택되는 유전자가 제거된 재조합 미생물을 제조할 수 있다. 본 발명에 있어서, 상기 "제거"란 용어는 해당 유전자의 일부 또는 전부가 물리적으로 제거된 것뿐만 아니라, 해당 유전자로부터 전사된 mRNA로부터 단백질이 만들어지지 않는 상태 및 해당 유전자로부터 발현된 단백질이 기능을 하지 못하는 상태 등도 포괄적으로 포함하는 의미로 사용된다.
본 발명에 있어서, "디올"은 두 개의 히드록시기(-OH 기)를 포함하고 있는 화합물을 총칭하는 것으로서, "중쇄 디올"은 탄소수 5 내지 30, 바람직하게는 탄소수 6 내지 20, 보다 바람직하게는 탄소수 8 내지 16을 갖는 디올 화합물을 모두 포함하는 의미로 사용된다.
본 발명에 있어서, 단계 (2)의 기질은 지방산 유래의 알코올 및 알칸으로 이루어지는 군으로부터 선택될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 구현예에 따르면, 상기 지방산 유래의 알코올로는 탄소수 5 내지 30, 바람직하게는 탄소수 6 내지 20, 보다 바람직하게는 탄소수 8 내지 16을 갖는 알코올이 사용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 알칸은 탄소수 5 내지 30, 바람직하게는 탄소수 6 내지 20, 보다 바람직하게는 탄소수 8 내지 16을 갖는 알칸이 사용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 알칸은 도데칸일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 다른 바람직한 구현예에 따르면, 상기 중쇄 디올은 1,12-도데칸디올일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이하, 실시예에 의해 본 발명을 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예 1. 낙-아웃 카세트의 제작
균주 개량을 위한 유전자 낙-아웃을 위해 선별 마커로 사용될 ura3 유전자와 낙-아웃 카세트 삽입 후 ura3 유전자를 제거하기 위한 팝-아웃을 갖는 벡터를 제작하였다(도 3). 상기 Ura3 유전자는 야로위아 유래의 유전자를 사용하였고, 균주 개량에 사용된 팝-아웃 영역은 총 4가지 서열로 2종의 유전자에서 참조하였으며, 하나는 바실러스 유래의 글루타메이트 생산 유전자, 다른 하나는 살모넬라 또는 클로닝 벡터 pHUKH 유래의 his 오페론에 관여된 유전자를 사용하였다. 상기 팝-아웃 벡터의 제작을 위해 사용된 프라이머와 서열은 아래 표 1에 나타내었다.
팝-아웃 벡터
이름 염기서열 서열번호
HisG1 BglII F aattgggcccagatctcagaccggttcagacaggat 22
EcoRI R tctctgggcggaattcggaggtgcggatatgaggta 23
NotI F tgTTTCTCGgcggccgccagaccggttcagacaggat 24
BamHI R TCCAACGCGTGGATCCggaggtgcggatatgaggta 25
HisG2 BglII F aattgggcccagatctaacgctacctcgaccagaaa 26
EcoRI R tctctgggcggaattctcttctcgatcggcagtacc 27
NotI F tgTTTCTCGgcggccgcaacgctacctcgaccagaaa 28
BamHI R TCCAACGCGTGGATCCtcttctcgatcggcagtacc 29
glt2 BglII F aattgggcccagatctTCAGAACTTGCGCCGATAAA 30
EcoRI R tctctgggcggaattcCTTTGCCAGCTAGACCATAGAG 31
NotI F tgTTTCTCGgcggccgcTCAGAACTTGCGCCGATAAA 32
BamHI R TCCAACGCGTGGATCCCTTTGCCAGCTAGACCATAGAG 33
glt3 BglII F aattgggcccagatctATTGGCGGGTTCGTTACTT 34
EcoRI R tctctgggcggaattcCCTGGAAGAAGGCCGTATTATC 35
NotI F tgTTTCTCGgcggccgcATTGGCGGGTTCGTTACTT 36
BamHI R TCCAACGCGTGGATCCCCTGGAAGAAGGCCGTATTATC 37
낙-아웃 카세트의 제작은 도 4와 같이 진행하였다. 우선 야로위아의 게놈 DNA로부터 낙-아웃시킬 상동성 영역(homologous region, HR)의 PCR과 팝-아웃 벡터로부터 5'과 3'의 두 조각 PCR을 각각 진행하였다. 이후, 5' HR과 3' HR 각각을 PO-ura3 부위와 정렬(align) PCR(2nd PCR)을 진행하여 낙-아웃 카세트를 제작하였다. 각각의 상동성 영역을 증폭하기 위해 사용한 프라이머와 서열은 표 2에 나타내었다.
유전자 결실
이름 염기서열 서열번호
ACO1 F1 TTCCTCAATGGTGGAGAAGA 38
R1 TCTTTATCCTGTCTGAACCGGTCTG GTACCATAGTCCTTGCCATGC 39
F2 ATCGCTACCTCATATCCGCACCTCC CTTCTGTCCCCCGAGTTTCT 40
R2 AAGAAGGGCTTGAGAGTCG 41
ACO2 F1 CCCAACAACACTGGCAC 42
R1 TCTTTATCCTGTCTGAACCGGTCTG CTCCTCATCGTAGATGGC 43
F2 ATCGCTACCTCATATCCGCACCTCC gacaagacccgacaggc 44
R2 AGACCAGAGTCCTCTTCG 45
ACO3 F1 Accttcacagagccaccca 46
R1 ATGGCTCTCTGGGCGgtgttgggggtgttgatgatg 47
F2 TTGTTGTGTTTCTCGcaaggttctcatcgaggcctg 48
R2 Aggaaaggtcgaagagtgctct 49
ACO4 F1 Actgcgagagcgatctg 50
R1 TCTTTATCCTGTCTGAACCGGTCTG TTCATGAGCATGTAGTTTCG 51
F2 ATCGCTACCTCATATCCGCACCTCC gaggacgacaaagccggag 52
R2 AGAGCAGAGTCCTCCTCAA 53
ACO5 F1 AACTTCCTCACAGGCAGCGAGC 54
R1 ATGGCTCTCTGGGCG GAGTAGAGAGTGGGAGTTGAGGTC 55
F2 ttgttgtgtttctcg ccccgtcaaggacgctgag 56
R2 ACAGTAAGGTGGGGCTTGACTC 57
ACO6 F1 AGTCCCTCAACACGTTTACCG 58
R1 TCTTTATCCTGTCTGAACCGGTCTG CCATTTAGTGGCAGCAACGTT 59
F2 ATCGCTACCTCATATCCGCACCTCC GAGCTCTGATCAACCGAACC 60
R2 AGGAAGGGTCTAATGACAGA 61
FALDH1 F1 AATCACTCCTCCTACGC 62
R1 TCTTTATCCTGTCTGAACCGGTCTG TGGTCTCGGGGACACCTC 63
F2 ATCGCTACCTCATATCCGCACCTCC CCATCATCAAGCCCCGAA 64
R2 ACCGACATAATCTGAGCAAT 65
FALDH2 F1 Accactaggtgagatcgag 66
R1 TCTTTATCCTGTCTGAACCGGTCTG CTCCGACACTACCGGAACGC 67
F2 ATCGCTACCTCATATCCGCACCTCC CTTGCTCCCACAGTTGTT 68
R2 GATCACCCAGAACCATAGC 69
FALDH3 F1 GTGACCCCCACCACGTCAC 70
R1 TCTTTATCCTGTCTGAACCGGTCTG TTCTGACATTTTCAGCGCCAC 71
F2 ATCGCTACCTCATATCCGCACCTCC CCATTACGAGCGTTTGACGG 72
R2 CAGGGCTGGGGACCACC 73
FALDH4 F1 TACCGACTGGACCAGATTC 74
R1 TCTTTATCCTGTCTGAACCGGTCTG CGGCAGTGGCAATGATCTTAC 75
F2 ATCGCTACCTCATATCCGCACCTCC GACTCGATTCATCGCTCCTAC 76
R2 CAAATCTTTCGGAAGATTCGG 77
FAO1 F1 atcattgtcggtggaggaac 78
R1 ACGCCTTTCTGGTCGAGGTAGCGTTgcgtagtcgtaaggctggac 79
F2 attctggtactgccgatcgagaaga ccgtcatcggtgagattctt 80
R2 attcgaggtcggagatcctt 81
ADH1 F1 cccagaaggctgtcattttc 82
R1 ACGCCTTTCTGGTCGAGGTAGCGTTtcgcagttcttggggatatg 83
F2 attctggtactgccgatcgagaaga gccgacaaggagaagatgtg 84
R2 caatcttgccctcctccat 85
ADH2 F1 ccagaagggtgtcatcttcg 86
R1 ACGCCTTTCTGGTCGAGGTAGCGTTatcgcagttcttgggaatgt 87
F2 attctggtactgccgatcgagaaga ccgacaaggagaagatgtgc 88
R2 caatcttgccctcctccata 89
ADH3 F1 agaaagccgtcatcttcgag 90
R1 ttgcacaagtaacgaacccgccaat tcacagttcttggggatgtg 91
F2 ggagataatacggccttcttccagg gctgacaaggagaagatgtgc 92
R2 acttggagcagtccagaacg 93
ADH4 F1 gtcaaaacgtcgacgaacct 94
R1 AGGTATTTATCGGCGCAAGTTCTGA ggcttgaggtcaatgtcgat 95
F2 ctcctctatggtctagctggcaaag gacatggaggcccactctaa 96
R2 agtactcccaagcgtcctca 97
ADH5 F1 gagagccgctttcaccac 98
R1 AGGTATTTATCGGCGCAAGTTCTGA agagcctggtaggcagtgag 99
F2 ctcctctatggtctagctggcaaag ttccaggacgtgatcaagga 100
R2 taaggatgatcttgccggtag 101
ADH6 F1 gacccagaaagccattgtgt 102
R1 AGGTATTTATCGGCGCAAGTTCTGA agccacctgagaaaggtctg 103
F2 ctcctctatggtctagctggcaaag caccgaggagaaggagaaga 104
R2 tccctcctccatcaaggtaa 105
ADH7 F1 gacgttcccaagacacaaaag 106
R1 AGGTATTTATCGGCGCAAGTTCTGA aggcgtactgctggaaagag 107
F2 ctcctctatggtctagctggcaaag acccacaccaaggagctg 108
R2 caacgacacgaccaacaatc 109
ADH8 F1 atcgcgccaacttgtttaat 110
R1 AGGTATTTATCGGCGCAAGTTCTGA caccttctctcgtgggatgt 111
F2 ctcctctatggtctagctggcaaag tgtgttgagtctggcaaagc 112
R2 tcaagtccatggcatcaaac 113
FADH F1 ccgaaggaaagaccatcact 114
R1 ttgcacaagtaacgaacccgccaat agaaggaagagcagcccata 115
F2 ggagataatacggccttcttccagg gcttgggcttacaagtttgg 116
R2 tcggtgaaggcagagttgat 117
팝-아웃 영역과 ura3를 두 조각으로 PCR하기 위해 사용한 프라이머는 표 3에 나타내었다.
팝-아웃 카세트
이름 염기서열 서열번호
HISG1 F cagaccggttcagacaggat 118
R ggaggtgcggatatgaggta 119
HISG2 F aacgctacctcgaccagaaa 120
R tcttctcgatcggcagtacc 121
glt2 F TCAGAACTTGCGCCGATAAA 122
R CTTTGCCAGCTAGACCATAGAG 123
glt3 F ATTGGCGGGTTCGTTACTT 124
R CCTGGAAGAAGGCCGTATTATC 125
Bipartite Ulura3 cs 2B atgccctcctacgaagctcgagc 126
Ylura3F ctcccaacgagaagctggcc 127
본 발명의 재조합 미생물 균주의 개량을 위해 사용한 유전자 서열들은 각각 서열목록에 기재하였으며, 표 4에 요약하였다.
유전자 서열번호 유전자 서열번호
ADH1 1 FALDH2 12
ADH2 2 FALDH3 13
ADH3 3 FALDH4 14
ADH4 4 ACO1 15
ADH5 5 ACO2 16
ADH6 6 ACO3 17
ADH7 7 ACO4 18
ADH8 8 ACO5 19
FADH 9 ACO6 20
FAO1 10 Ura3 21
FALDH1 11
실시예 2. 낙-아웃 균주의 제작
상기 실시예 1에서 제조된 낙-아웃 카세트를 이용하여 야생형 야로위아 균주에 존재하는 지방 알코올 디하이드로게나아제, 지방 알코올 옥시다아제, 지방 알데히드 디하이드로게나아제 및 β-산화 대사 경로 관련 유전자의 일부 또는 전부가 제거된 총 6종의 낙-아웃 균주를 제작하였다(도 5). 구체적으로, 낙-아웃할 균주를 YPD 플레이트에 도말하여 30℃에서 16-24시간동안 배양하였다. 배양된 세포를 루프로 긁어서 원-스텝 버퍼(45% PEG4000, 100mM DTT, 0.1L LiAc, 25㎍ single-strand carrier DNA) 100㎕에 넣고 볼텍싱한 후, 낙-아웃 카세트(1ng 이상)를 첨가하여 다시 볼텍싱하였고, 39℃에서 1시간 동안 배양하였다. 배양이 끝난 샘플을 선택 배지(YNB w/o 아미노산 6.7g/L, Glucose 20g/L)에 로딩한 뒤 30℃에서 48시간 동안 배양하여 제작된 카세트가 삽입된 균주를 선택하였다. 이후, 선택된 균주의 게놈 상에 카세트들이 정확히 삽입되었는지 확인하기 위해 표 2의 유전자 결실에 포함된 프라이들을 이용하여 PCR을 통해 확인하였다.
카세트가 삽입된 균주는 다른 카세트의 삽입을 진행하기 위해 팝-아웃 과정을 진행하였다. 선택 배지에서 선택된 균주를 YPD 배지 2㎖에 접종하여 30℃에서 16시간 이상 배양한 후, 배양액 200㎕를 5' FOA 배지(YNB w/o 아미노산 6.7g/L, Glucose 20g/L, 5' FOA 0.8g/L, uracil 0.1g/L, uridine 0.1g/L)에 도말하여 30℃에서 48시간 동안 배양하였다. 5' FOA 배지에서 자란 균주들은 YPD 플레이트와 UD 플레이트에 피킹(picking)하여 YPD 플레이트에서 자란 균주들을 선별하였고, 다시 표 2의 프라이머들을 이용하여 PCR 과정을 통해 ura3 유전자가 제거되었는지 여부를 확인하였다. Ura3가 제거된 균주들은 다른 유전자의 낙-아웃을 진행하였다.
위의 과정을 반복적으로 진행하여 본 발명의 재조합 미생물 균주를 제작하였다(Chen DC, Beckerich JM, Gaillardin C (1997) Appl Microbiol Biotechnol 48: 232-235).
실시예 3. 낙-아웃 균주의 배양
배양 테스트할 균주를 전날 2 ㎖ YPD 배지(Bacto Laboratories, Yeast extract 10g/L, peptone 20g/L, glucose 20g/L)에 접종하여 30℃, 200rpm에서 하루 동안 키웠다. 24-웰 플레이트에 표 5에 기재된 조성을 갖는 성장기 배지(pH 6.0) 2 ㎖을 넣고, 전배양한 배양액 1%를 접종한 후, 플레이트 교반기에서 30℃, 450 rpm으로 하루 동안 배양하였다. 하루 배양한 균주들을 표 6에 기재된 전환기 배지(pH 7.6) 900 ㎕가 분주된 새로운 플레이트에 900 ㎕씩 접종하면서 기질 200 ㎕를 함께 첨가하였고, 30℃, 450 rpm으로 하루 동안 배양하였다. 이때, 기질로는 DMSO에 용해된 도데칸 10 g/L를 사용하였다.
성장기 배지 pH 6.0
성분 농도(g/L)
글루코오스 50
YNB w/o 아미노산 6.7
효모 추출물 10
(NH4)2SO4 5
우라실 0.05
0.1M 포스페이트 버퍼
25℃에서 0.1M 칼륨 포스페이트 버퍼의 제조
pH 1M K2HPO4의 부피(㎖) 1M KH2PO4의 부피(㎖)
6.0 13.2 86.8
전환기 배지 pH 7.6
성분 농도(g/L)
글루코오스 30
YNB w/o 아미노산 6.7
효모 추출물 3
(NH4)2SO4 15
우라실 0.05
L-알라닌 10
0.1M 포스페이트 버퍼
25℃에서 0.1M 칼륨 포스페이트 버퍼의 제조
pH 1M K2HPO4의 부피(㎖) 1M KH2PO4의 부피(㎖)
7.6 86.6 13.4
그 결과, β-산화 대사 관련 유전자 및 지방 알데히드 디하이드로게나아제 유전자만 낙-아웃된 Y1-28 및 Y1-36 균주의 경우 기질인 도데칸으로부터 1,12-도데칸디올을 생산할 수 없었지만, 지방 알코올 옥시다아제 유전자가 추가로 낙-아웃된 Y1-36 균주, 및 지방 알코올 옥시다아제 유전자와 지방 알코올 디하이드로게나아제 유전자가 추가로 낙-아웃된 Y4-2, Y4-20 및 Y4-30 균주는 모두 뛰어난 1,12-도데칸디올 합성 능력을 보여주었다(도 6). 또한, 상기 Y4-20 균주는 플라스크에서 배양시에 18 ㎎/L 정도의 1,12-도데칸디올 합성 능력을 보여주었다(도 7). 이하의 실험에서는 Y4-20 균주를 이용한 시료 분석 실험을 수행하였다.
실시예 4. 시료의 분석
실시예 3에서 1,12-도데칸디올 합성 능력이 가장 뛰어난 것으로 나타난 Y4-20 균주의 배양액 10 mL에 1N 수산화나트륨 1 mL 및 클로로포름 10 mL을 가한 다음 충분히 볼텍싱(vortexing) 하여 추출한 뒤 10,000rpm에서 10분간 원심분리 하였다. 이후, 클로로포름 층 만을 분리하여 10배 농축을 진행한 후 하기의 분석 조건에서 GC/MS 분석을 수행하였다.
분석 조건
① 기기: Agilent 5975 MSD
② 컬럼: HP-5MS
③ 온도: 오븐(150℃ 내지 230℃)
④ 캐리어 가스: He
⑤ 유속: 1 ㎖/분
그 결과, 본 발명의 재조합 Y4-20 균주는 기질인 도데칸으로부터 1,12-도데칸디올을 합성할 수 있음을 확인하였다(도 8).

Claims (20)

  1. ω-산화 대사 경로 중의 지방 알코올 디하이드로게나아제 및 지방 알코올 옥시다아제로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 유전자가 제거되고, 선택적으로 지방 알데히드 디하이드로게나아제 유전자가 제거되며, 또한 β-산화 대사 경로 관련 유전자가 제거된 재조합 미생물.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 지방 알코올 디하이드로게나아제, 지방 알코올 옥시다아제, 지방 알데히드 디하이드로게나아제 및 β-산화 대사 경로 관련 유전자는 미생물 내에 존재하는 모든 상동형 유전자가 제거된 재조합 미생물.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 지방 알코올 디하이드로게나아제, 지방 알코올 옥시다아제, 지방 알데히드 디하이드로게나아제 및 β-산화 대사 경로 관련 유전자는 해당 미생물 내에 존재하는 일부 상동형 유전자가 제거된 재조합 미생물.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 지방 알코올 디하이드로게나아제 유전자는 ADH1, ADH2, ADH3, ADH4, ADH5, ADH6, ADH7, ADH8 및 FADH 유전자로 이루어진 군으로부터 선택되는 재조합 미생물.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 ADH1, ADH2, ADH3, ADH4, ADH5, ADH6, ADH7, ADH8 및 FADH 유전자는 각각 서열번호 1 및 서열번호 9로 이루어지는 염기서열을 포함하는 재조합 미생물.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 지방 알코올 옥시다아제 유전자는 FAO 유전자인 재조합 미생물.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 FAO 유전자는 서열번호 10으로 이루어지는 염기서열을 포함하는 재조합 미생물.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 지방 알데히드 디하이드로게나아제 유전자는 FALDH1, FALDH2, FALDH3 및 FALDH4 유전자로 이루어진 군으로부터 선택되는 재조합 미생물.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 FALDH1, FALDH2, FALDH3 및 FALDH4 유전자는 각각 서열번호 11 및 서열번호 14로 이루어지는 염기서열을 포함하는 재조합 미생물.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 β-산화 대사 경로 관련 유전자는 아실-CoA 옥시다아제 유전자인 재조합 미생물.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 아실-CoA 옥시다아제 유전자는 ACO1, ACO2, ACO3, ACO4, ACO5 및 ACO6 유전자로 이루어진 군으로부터 선택되는 재조합 미생물.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 ACO1, ACO2, ACO3, ACO4, ACO5 및 ACO6 유전자는 각각 서열번호 15 및 서열번호 20으로 이루어지는 염기서열을 포함하는 재조합 미생물.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 미생물은 효모 또는 대장균인 재조합 미생물.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 효모는 야로위아 속, 사카로마이세스 속, 피키아 속 및 캔디다 속으로 이루어진 군으로부터 선택되는 효모인 재조합 미생물.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 야로위아 속의 효모는 야로위아 리폴리티카인 재조합 미생물.
  16. (1) 청구항 1 내지 청구항 15 중 어느 한 항의 재조합 미생물을 제조하는 단계; 및
    (2) 상기 재조합 미생물에 기질을 처리하여 배양하는 단계를 포함하는 중쇄 디올의 생산 방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 기질은 지방산 유래의 알코올 및 알칸으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 중쇄 디올의 생산 방법.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 지방산 유래의 알코올은 탄소수 5 내지 30을 갖는 알코올인 중쇄 디올의 생산 방법.
  19. 청구항 17에 있어서,
    상기 알칸은 탄소수 5 내지 30을 갖는 알칸인 중쇄 디올의 생산 방법.
  20. 청구항 18에 있어서,
    상기 중쇄 디올은 탄소수 5 내지 30을 갖는 디올 화합물인 중쇄 디올의 생산 방법.
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