Rewiring the PEP-pyruvate-oxaloacetate node through coordinated fine- tuning of gltA and pykF expression for L-threonine production in wild-type Escherichia coli
이 연구는 경쟁적인 경로를 삭제하는 대신 PEP-피루베이트-옥살로아세테이트 노드에서의 탄소 흐름을 재균형화하기 위해 *gltA*와 *pykF*의 발현을 협동적으로 미세 조정하는 것이, 유도제나 항생제 없이도 플라스미드가 없는 야생형 *E. coli* 균주가 고수준의 L-트레오닌 생산(바이오리액터에서 101.6 g/L)을 달성할 수 있게 함을 입증한다.
원본 논문은 CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) 라이선스로 제공됩니다. 이것은 동료 심사를 거치지 않은 프리프린트의 AI 생성 설명입니다. 의학적 조언이 아닙니다. 이 내용을 바탕으로 건강 관련 결정을 내리지 마세요. 전체 면책 조항 읽기
생명은 신체를 구축하는 것과 그 신체에 연료를 공급하는 것 사이의 섬세한 균형에 달려 있습니다. 박테리아의 미시 세계에서, 이 균형은 생명의 근본적인 구성 요소인 탄소가 서로 다른 경로로 분류되는 중심 허브에 의해 관리됩니다. 이 탄소 중 일부는 에너지를 생성하기 위해 연소되며, 나머지는 단백질의 원료인 아미노산과 같은 필수 분자를 구축하기 위해 저장됩니다. 이러한 아미노산 중 하나인 L-트레오닌은 인간과 많은 동물에게 매우 중요한데, 우리 몸은 이를 스스로 만들 수 없기 때문에 반드시 음식을 통해 섭취해야 하기 때문입니다. 이 때문에 과학자들은 동물 사료와 보충제에 사용할 L-트레오닌을 대량으로 생산하도록 박테리아를 설계하기 위해 오랫동안 노력해 왔습니다. 문제는 박테리아가 생존과 성장에 필요한 에너지를 굶기지 않으면서도 더 많은 L-트레오닌을 생산하게 만드는 방법을 찾는 것이었습니다. 만약 공장이 제품을 만드는 데 너무 열심히 일하면, 노동자인 박테리아가 쓰러집니다. 반대로 박테리아가 성장에 너무 집중하면 제품은 나타나지 않습니다.
수년 동안 이 문제를 해결하기 위한 표준적인 접근 방식은 박테리아의 대사에 망치를 휘둘러 파괴하는 것이었습니다. 연구자들은 경쟁하는 경로를 담당하는 유전자를 단순히 삭제하여, 모든 탄소가 L-트레오닌 쪽으로 흐르도록 에너지 경로를 차단했습니다. 그러나 이러한 무력적인 방식은 종종 역효과를 냈습니다. 경쟁 경로를 완전히 제거함으로써 박테리아는 에너지를 효율적으로 생성하는 능력을 상실했고, 이는 저조한 성장과 낮은 수율로 이어졌습니다. 중국 광둥 성 미생물 연구소의 연구진이 발표한 새로운 연구는, 보다 미묘하고 조화로운 접근 방식이 훨씬 더 효과적이라는 점을 시사합니다. 경쟁 경로를 완전히 삭제하는 대신, 그들은 악기를 침묵시키는 대신 숙련된 지휘자가 오케스트라를 관리하듯 탄소의 흐름을 미세하게 조정하는 법을 배웠습니다.
연구진은 박테리아 세포 내의 PEP-피루베이트-옥살로아세테이트 노드라고 알려진 특정 교차점에 주목했습니다. 이 노드를 탄소 분자들이 두 가지 주요 도로 중 하나를 선택해야 하는 번화한 교차로라고 상상해 보십시오. 한 길은 세포 성장을 위한 에너지를 생성하는 과정인 트리카르복실산 회로로 이어지고, 다른 길은 L-트레오닌 생산으로 이어집니다. 일반적인 박테리아 세포에서는 대부분의 탄소가 자연스럽게 에너지 생산 쪽으로 흘러가기 때문에, 아미노산을 만드는 데는 아주 적은 양만 남게 됩니다. 이 교차로에서 교통 통제관 역할을 하는 두 가지 주요 효소는 시트르산 합성효소(citrate synthase)와 피루베이트 키나아제(pyruvate kinase)입니다. 이전의 시도들에서 과학자들은 이 에너지 도로를 막기 위해 이 효소들을 완전히 제거하려고 했으나, 이는 박테리아 세포가 성장도 멈추고 아미노산 생산도 멈추게 만들었습니다.
연구팀은 문제가 경로의 존재 자체가 아니라 경로 활동의 타이밍이라는 것을 깨달았습니다. 그들은 박테리아가 먼저 에너지 경로를 사용하여 성장하게 한 다음, 개체 수가 충분히 많아졌을 때 아미노산 생산으로 흐름을 전환할 방법을 찾아야 했습니다. 이를 위해 그들은 교통 통제관의 유전자를 삭제하지 않았습니다. 대신, 그들은 이 유전자들을 켜고 끄는 유전적 스위치를 재설계했습니다. 그들은 박테리아의 성장 단계를 감지하는 센서 역할을 하는 특수한 프로모터(유전자 서열)를 사용했습니다. 초기 급속 성장 단계 동안, 이 센서들은 에너지 경로를 완전히 열어두어 박테리아가 강력한 개체군을 형성할 수 있도록 했습니다. 일단 박테리아가 성장이 자연스럽게 느려지는 정지기에 접어들면, 센서가 자동으로 에너지 경로의 활성을 줄였습니다. 이러한 미묘한 변화는 더 이상 성장에 필요하지 않은 잉여 탄소를 L-트레오닌 생산 라인으로 직접 재지시했습니다.
이 시스템을 더욱 효율적으로 만들기 위해, 연구진은 이 동적 스위치를 다른 개선 사항들과 결합했습니다. 그들은 원료를 최종 아미노산으로 변환하는 화학적 사슬의 특정 단계들을 강화했고, 박테리아가 제품을 세포 밖으로 빠르게 배출할 수 있도록 보장했습니다. 또한 생산 라인이 마르지 않도록 핵심 전구체 분자의 공급량을 조절했습니다. 결정적으로, 그들은 이러한 모든 유전적 변화를 플라스미드라고 불리는 작고 불안정한 DNA 고리가 아닌, 박테리아의 주 염색체로 직접 옮겼습니다. 이를 통해 새로운 균주를 안정화했으며, 시스템을 유지하기 위해 항생제나 화학적 유도제가 필요하지 않도록 만들어 산업적 이용에 있어 큰 이점을 확보했습니다.
이러한 조화로운 미세 조정의 결과는 놀라웠습니다. 단순한 실험실 플라스크 내에서, 이렇게 설계된 박테리아는 리터당 28.3그램의 L-트레오닌을 생산했습니다. 이는 거의 아무것도 생산하지 못했던 대조군에 비해 엄청난 향상이었습니다. 연구진이 산업 조건을 시뮬레이션한 더 큰 생물 반응기로 과정을 옮겼을 때, 박테리아는 리터당 101.6그램을 생산했습니다. 이 과정은 매우 효율적이어서, 박테리아에게 공급된 포도당 설탕의 약 64%를 아미노산으로 전환했습니다. 아마도 가장 중요한 점은, 초기 단계에서 박테리아가 정상 세포만큼 잘 성장했다는 것이며, 이는 이 전략이 성장의 필요와 생산의 필요 사이에서 균형을 성공적으로 맞췄음을 증명합니다.
이 연구는 대사 공학에 있어 정밀함이 힘보다 더 효과적이라는 것을 보여줍니다. 박테리아 성장의 자연스러운 리듬을 이해하고 그 리듬을 존중하는 시스템을 설계함으로써, 연구진은 세포를 매우 효율적인 공장으로 유도할 수 있었습니다. 그들은 경쟁 경로가 유용하기 위해 파괴될 필요는 없으며, 단지 관리되어야 할 대상임을 보여주었습니다. 삭제하기보다는 미세 조정하는 이 접근 방식은 다른 필수 아미노산과 복잡한 화학 물질을 생산하는 청사진이 될 수 있으며, 미생물의 힘을 활용하는 더 지속 가능하고 효과적인 방법을 제시합니다.
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