Metabolic engineering of Escherichia coli to enhance L-serine biosynthesis
본 연구는 재흡수 유전자를 결실시키고 생합성, 수송 및 보조인자 모듈을 최적화함으로써 부모 균주 H5를 체계적으로 엔지니어링하여 대장균(Escherichia coli)의 산업용 L-세린 생산을 향상시켰으며, 최종적으로 균주 H8-abc와 배지 최적화를 통해 수율을 0.48 g/g으로 71.84% 증가시켰다.
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박테리아의 미시 세계에서 생명은 음식을 섭취하고 이를 성장에 필요한 구성 요소로 바꾸는 끊임없는 균형 잡기이다. 그러한 구성 요소 중 하나인 L-세린은 인간의 생존에는 필수적이지 않지만, 식품 첨가물과 동물 사료부터 의약품과 화장품에 이르기까지 모든 분야의 중요한 재료가 되는 분자이다. 수십 년 동안 과학자들은 대장균(Escherichia coli)과 같은 박테리아가 이 분자를 대량으로 생산하도록 유도하기 위해 노력해 왔다. 과제는 두 가지였다. 박테리아가 충분한 양을 만들게 하는 것과, 그 과정이 경제적으로 실행 가능할 만큼 충분히 효율적이도록 보장하는 것이었다. 여기서 효율성이란 박테리아가 먹는 당이 실제로 원하는 제품으로 얼마나 전환되는지, 즉 낭비되거나 다른 것으로 변하지 않는지를 의미한다. 만약 한 공장이 엄청난 양의 원료를 투입하여 아주 적은 양의 제품만을 만들어낸다면, 그 비용은 광범위한 사용이 불가능할 정도로 높아진다. 목표는 박테리아의 내부 기계 장치를 재설계하여, 박테리아가 방금 만든 제품을 다시 먹어 치우거나 축적된 양에 압도되지 않도록 하면서 가능한 한 많은 에너지를 L-세린을 만드는 데 집중하도록 하는 것이다.
강남대학교와 사천대학교의 연구진은 박테리아 세포를 더 나은 설계도가 필요한 복잡한 공장처럼 취급함으로써 이 문제를 해결하고자 했다. 그들은 이미 L-세린을 만들 수 있는 능력을 갖춘 대장균 균주에서 시작했지만, 이것이 훨씬 더 좋아질 수 있다는 것을 알고 있었다. 그들의 첫 번째 단계는 박테리아가 제품을 재활용하는 것을 막는 것이었다. 마치 공장이 완제품을 조립 라인으로 다시 끌어들여 분해하는 실수를 범하는 것처럼, 이 박테리아들은 자신들이 분비한 L-세린을 다시 흡수하여 다른 용도로 사용하는 습성이 있었다. 과학자들은 정밀한 유전자 편집 도구를 사용하여 이러한 재흡수를 담당하는 특정 유전자를 잘라냈다. 이는 더 많은 L-세린을 세포 외부에 유지하여 수확량을 높이는 새로운 균주를 만들어냈다. 그러나 단순히 낭비를 막는 것만으로는 충분하지 않았다. 그들은 생산 라인 자체를 강화해야 했다.
연구진은 다른 박테리아 종인 코리네박테리움 글루타미쿰(Corynebacterium glutamicum)으로부터 매우 효율적인 생산 모듈을 빌려와 박테리아에 새로운 지침 세트를 도입했다. 이 외래 모듈은 출발 물질을 L-세린으로 전환하는 더 강력한 엔진 역할을 했다. 이 새로운 엔진을 제품을 재활용하지 않는 균주와 결합했을 때, 박테리아는 현저히 더 많은 L-セ린을 생산했으며 전환율도 극적으로 향품되었다. 그들은 또한 추가적인 수송 통로를 더해 박테리아가 제품을 더 빠르게 배출하도록 돕는 실험을 진행했는데, 이는 마치 공장에 하역장을 더 많이 여는 것과 유사했다. 또한, 기계 장치가 적절한 연료를 갖출 수 있도록 내부 화학적 균형을 조정하는 실험도 병행했다. 흥ingly하게도, 너무 많은 개선 사항을 한꺼번에 추가하면 오히려 박테리아의 속도가 느려진다는 것을 발견했는데, 이는 세포의 내부 균형이 섬세하며 변화를 과도하게 가하는 것이 역효과를 낼 수 있음을 시사한다.
다양한 조합을 테스트한 끝에, 팀은 가장 성능이 뛰어난 특정 균주를 찾아냈다. 그런 다음 그들은 비타민과 기타 영양분의 양을 조절하여 박테리아가 자라는 액체 환경을 미세하게 조정함으로써 생산을 위한 완벽한 조건을 만들었다. 최종 테스트에서 이 최적화된 균주는 액체 리터당 7.20그램의 L-세린을 생산했으며, 소비된 당 1그램당 0.48그램의 제품을 만드는 전환 수율을 기록했다. 이는 시작 균주와 비교했을 때 효율성이 거의 72% 증가한 수치였다. 이 연구는 박테리아의 유전자를 정밀하게 편집하여 낭비를 막고, 다른 종에서 더 나은 기계를 빌려오며, 영양분의 균형을 찾는 과정을 통해 과학자들이 훨씬 더 효율적인 시스템을 구축할 수 있음을 보여준다. 이 연구는 박테리아 균주를 개발하여 전 세계적으로 증가하는 L-세린 수요를 비용 효율적이고 지속 가능한 방식으로 충족할 수 있는 명확한 로드맵을 제공한다.
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