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논문 기본 정보

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학위논문
저자정보

고연주 (부산대학교, 부산대학교 대학원)

지도교수
Park Sunghoon
발행연도
2017
저작권
부산대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

초록· 키워드

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최근 재생가능한 바이오매스를 이용하여 생물학적인 방법으로 유용하고 다양한 화학물질을 생산해내는 기술이 많은 관심을 받고 있다. 특히, 미생물을 이용하여 폐글리세롤로부터 3-hydroxypropionic acid (3-HP)나 1,3-propanediol (1,3-PDO)을 생산해내는 것은 기술적, 경제적, 산업적 측면에서 높은 가치를 가지는 것으로 평가되고 있다. 이에 따라 효과적으로 3-HP 또는 1,3-PDO을 생산할 수 있는 우수한 산업 균주를 개발하는 연구가 많이 진행되어왔다. 그러나 이와 같은 기술을 이용하여 상업적 규모로 대량 생산을 진행하기 위해서 필요한 높은 수율, 높은 생산성, 높은 농도 등의 요구 조건들을 여전히 충족시키지 못하고 있다.
본 연구에서는 글리세롤을 이용할 수 있는 다양한 미생물 중 상용화 가능성이 높은 균주로 알려져 있는 Klebsiella pneumoniae를 이용하였으며, 대사공학기술을 적용하여 3-HP 또는 1,3-PDO를 높은 농도로 생산할 수 있는 재조합 균주를 개발하고자 하였다. 먼저 LPS 생산이 적은 K. pneumoniae J2B 및 K. pneumoniae GSC021을 분리하고, 이를 이용하여 3-HP 및 1,3-PDO의 동시 생산 및 산업 균주로써의 개발 가능성을 조사하였다. 두 균주 모두 높은 수율로 동시생산이 가능하며, 산업적으로 유용한 균주가 될 수 있는 것으로 판단되었다. 비록 차이가 크지는 않지만 동시 생산 수율 및 효소 활성 측면에서 볼 때 K. pneumoniae J2B가 조금 더 우수한 것으로 확인되었다. 이와 같이 우수한 균주로 평가된 K. pneumoniae J2B를 이용하여 3-HP 및 1,3-PDO의 동시 생산에서 부산물의 생산을 줄이는 재조합 균주를 개발하고, 동시생산 수율 및 생산성을 향상시키는 연구를 진행하였다. ethanol, lactate, succinate 생산에 관련된 유전자를 제거하여 부산물 생산을 줄인 결과, acetate/pyruvate가 세포 내에 축적되어 세포 성장 및 동시 생산성을 떨어뜨리는 것을 알 수 있었다. 따라서 acetate의 생산을 줄이기 위해 glycolytic pathway에 관련된 유전자를 제거하거나, reductive pathway에 관련된 유전자들을 과발현하는 전략을 사용하였다. 이와 같은 접근법을 이용하였을 때, acetate의 생산이 약간 줄어들었으나, 여전히 많은 양의 acetate를 생산하는 것으로 확인되었다. 나아가 acetate/pyruvate의 축적을 줄이기 위해 K. pneumoniae에서 TCA 회로에 관련된 효소들의 활성을 증가시키는 연구가 수행되었다. 이를 위해 TCA/glyoxylate shunt의 negative regulator로 알려져 있는 유전자를 제거하거나 anaplerotic pathway를 활성화시키는 유전자를 과발현하는 방법을 사용하였다. 그러나 이와 같은 방법이 K. pneumoniae에서 acetate/pyruvate의 축적을 줄이는데 큰 효과가 없는 것으로 나타났다. 이를 바탕으로 K. pneumoniae에 대한 NADH level 분석 및 electron transport chain (ETC)에 관련된 유전자들의 발현 정도를 조사하였다. 그 결과 낮은 ETC의 활성이 세포 내 NADH level를 증가시켜 TCA 회로의 활성을 저해하는 것으로 판단되었다. 이와 같은 연구는 K. pneumoniae에서 부산물들의 축적을 줄이고 목적으로 하는 생산물을 효과적으로 생산하고자 할 때 유용한 정보가 될 수 있을 것이다.

목차

CHAPTER I: Introduction
1.1. Applications of 3-hydroxypropionic acid and 1,3-propanediol 27
1.1.1. Applications of 3-hydroxypropionic acid 27
1.1.2. Applications of 1,3-PDO 30
1.2. Chemical production of 3-HP and 1,3-PDO 32
1.3. Microbial production of 3-HP and 1,3-PDO 34
1.4. Klebsiella pneumoniae: Host for production of 3-HP and 1,3-PDO 37
1.6. Scope and objective 48
1.7. References 49
CHAPTER II: Development of Klebsiella pneumoniae mutant strains to eliminate 1,3-propanediol during 3-hydroxypropionic acid production from glycerol
2.1. Introduction 55
2.1. Material and methods 57
2.1.1. Materials 57
2.1.2. Identification of putative oxidoreductases by amino acid sequence homology 57
2.1.3. Plasmid construction and expression of putative oxidoreductases in recombinant E. coli 58
2.1.4. Determination of enzyme activities 61
2.1.5. RNA extraction and real-time PCR 61
2.1.6. Development of K. pneumoniae ΔdhaTΔyqhDΔahpF and K. pneumoniae ΔdhaTΔyqhDΔahpFΔadhE mutant strains 62
2.1.7. Culture conditions 63
2.1.8. Analytical methods 64
2.2. Results and Discussion 65
2.2.1. Putative 1,3-propanediol oxidoreductases were identified in Klebsiella pneumoniae 65
2.2.2. Some putative oxidoreductases showed higher mRNA levels when dhaT and yqhD genes were deleted 69
2.2.3. Putative oxidoreductases were expressed in recombinant E. coli BL21 (DE3) and measured for oxidoreductase activity 71
2.2.4. Deletion of ahpF and adhE in K. pneumoniae ΔdhaTΔyqhD neither improved 3-HP production nor eliminated 1,3-PDO production from glycerol 75
2.2.5. Cell-free extracts of KpΔdhaTΔyqhDΔahpF and KpΔdhaTΔyqhDΔahpFΔadhE still showed 1,3-PDOR activity 81
2.3. Conclusion 84
2.4. References 85
CHAPTER III: Evaluation of newly isolated Klebsiella pneumoniae strains for the co-production of 3-hydroxypropionic acid and 1,3-propanediol from glycerol
3.1. Introduction 89
3.2. Materials and methods 92
3.2.1. Strain and materials 92
3.2.2. Construction of recombinant K. pneumoniae strains overexpressing AldH 92
3.2.3. Culture condition 95
3.2.4. Enzyme activities 95
3.2.5. Analytical methods 96
3.3. Results and discussion 97
3.3.1. Comparison of sedimentation behavior between GSC021 and J2B 97
3.3.2. Comparison of glycerol assimilation and coenzyme B12 synthesis genes in new isolated strains 99
3.3.3. Cell growth and co-production performance with different aeration 102
3.3.4. Cell growth and co-production performance with different temperature 107
3.3.5. Cell growth and co-production performance with different culture media 109
3.3.6. Evaluation of key enzyme activities related to co-production of 3-HP and 1,3-PDO 111
3.4. Conclusion 114
3.5. References 115
CHAPTER 1V: Metabolic engineering of Klebsiella pneumoniae J2B for co-production of 3-hydroxypropionic acid and 1,3-propanediol from glycerol
4.1. Introduction 119
4.2. Materials and methods 124
4.2.1. Materials 124
4.2.2. Construction of plasmids and mutant strains 124
4.2.3. Culture conditions 127
4.2.4. Enzyme activity assay 127
4.2.5. Analytical methods 128
4.3. Results and discussion 129
4.3.1. Improvement of co-production by deletion of by-products formation pathway 129
4.3.2. Reduction of acetate production by down-regulation of assimilatory glycerol metabolism 132
4.3.3. Reduction of acetate accumulation by upregulating co-production pathway 136
4.3.4. Effect of coenzyme B12 addition on co-production by K. pneumoniae mutants 144
4.3.5. Effect of aeration on co-production in bioreactor scale 146
4.3.6. Evaluation of proficient mutants for co-production in bioreactor scale 150
4.4. Conclusion 155
4.5. References 156
CHAPTER V: Characterization of glycerol metabolism in Klebsiella pneumoniae and reduction of acetate accumulation by activation of tricarboxylic acid cycle
5.1. Introduction 164
5.2. Materials and methods 167
5.2.1. Materials 167
5.2.2. Construction of plasmids and mutant strains 168
5.2.3. Protein expression and gel electrophoresis 170
5.2.4. Culture conditions 170
5.2.5. Determination of enzyme activities 171
5.2.6. Gene expression analysis 171
5.2.7. Analytical methods 172
5.3. Results and discussion 173
5.3.1. Comparison of glycerol metabolism between K. pneumoniae and E. coli 173
5.3.2. Analysis of gene expression and activity of TCA cycle enzymes 178
5.3.3. Operation of TCA/glyoxylate shunt by deletion of IclR and ArcA 182
5.3.4. Overexpression of gltA and ppc related to anaplerotic pathway increase TCA cycle flux 186
5.3.5. Gene expression analysis of electron transport chain components in K. pneumoniae and E. coli 190
5.4. Conclusion 193
5.5. References 194
CHAPTER VI: Coenzyme B12 can be produced by engineered Escherichia coli under both aerobic and anaerobic conditions
6.1. Introduction 200
6.2. Materials and methods 208
6.2.1. P. denitrificans and E. coli strains, pRcob, pCcob, and pAcob plasmids, genetic methods, and materials 208
6.2.2. Cloning of cob genes into expression plasmids 210
6.2.3. Real-time PCR for quantification of mRNA 216
6.2.4. Cob proteins expression and gel electrophoresis 217
6.2.5. Culture medium and conditions to cultivate recombinant E. coli overexpressing coenzyme B12 synthetic pathway 217
6.2.6. Purification of coenzyme B12 218
6.2.7. Analytical methods to quantify cell and protein concentrations 219
6.3. Results 221
6.3.1. Recombinant plasmid constructions with P. denitrificans coenzyme B12 synthetic operons 221
6.3.2. Coenzyme B12 synthesis pathway expression in recombinant E. coli was confirmed by real-time PCR and SDS?PAGE 224
6.3.3. Recombinant E. coli produced larger amounts of coenzyme B12 than wild type P. denitrificans 231
6.3.4. Coenzyme B12 syntheses by recombinant E. coli was improved by varying culture conditions 236
6.4. Discussion 238
6.5. References 242
CHAPTER VII: Epilogue and prospects
7.1. Summary 247
7.2. Prospects 249
Abstract 251

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