2,3-Butanediol (2,3-BDO) is a compound used in a variety of industries including fuel, rubber, cosmetics, pharmaceuticals and food additives. 2,3-BDO can be produced in an economical and environmentally friendly method through a biological production in addition to chemical synthesis. The cost of fermentation process for microbial production can be reduced through use of cheap raw materials (carbon sources) and development of strain with high productivity. Accordingly, efforts are being made to more economically produce high value-added products using multiple sugars derived from lignocellulosic biomass, which is an eco-friendly and renewable energy resource. However, most microorganisms show inefficient consumption of other sugars in the presence of glucose. In this study, Klebsiella oxytoca (K. oxytoca) with improved growth and consumption activity of four sugars was developed using foreign gene introduction and adaptive laboratory evolution strategy. In addition, whole genome resequencing and transcriptome analysis of evolved strain was performed to clarify the major factors and mechanisms contributing to improved phenotypes. And, metabolic engineering was carried out to enhance the 2,3-BDO synthesis pathway in evolved strain. Finally, the engineered K. oxytoca produced 2,3-BDO at high level in optimized fed-batch fermentation process. The developed strain in this study is considered as a promosing microorganism to be applicable to a wide range of lignocellulosic biomass for economic and sustainable production of 2,3-BDO in industry fields.
2,3-부탄다이올은 연료, 고무, 화장품, 의약품 및 식품 첨가물을 포함한 다양한 산업 분야에 이용 되는 화합물이다. 2,3-부탄다이올은 화학 합성법 외에 미생물로부터 생산하는 생물학적 생산법을 통해 경제적이고 친환경적인 방법으로 생산될 수 있다. 또한 값싼 원재료(탄소원)의 이용과 생산성 높은 균주를 발굴 함으로써 미생물 발효 공정 비용을 줄일 수 있다. 이에 따라 친환경적으로 재생이 가능한 에너지자원인 목질계 바이오매스 유래 혼합당을 이용하여 보다 경제적으로 고부가가치산물을 생산하려는 노력들이 이루어지고 있다. 하지만 대부분의 미생물은 포도당이 포함된 혼합당에서 다른 당에 대해 비효율적인 소모능을 보인다. 본 연구에서는 외래 유전자 도입 및 실험실 적응 진화 기법을 통해 생장 속도와 네 종류 당에 대한 소모능이 향상된 클렙시엘라 옥시토카 균주를 개발하였다. 그리고 적응 진화 균주에 대한 총유전체 및 전사체 분석을 진행하여 우수한 형질에 기여한 주요 인자와 메커니즘을 규명하였다. 그리고 진화된 균주에 대사 공학 기술을 이용하여 2,3-부탄다이올 합성 경로를 강화하였다. 최종적으로 개발된 클렙시엘라 옥시토카 균주는 최적화 된 유가식 발효 공정에서 높은 수준으로 2,3-부탄다이올을 생산하였다. 본 연구에서 개발된 균주는 산업 분야에서 경제적이고 지속가능한 2,3-부탄다이올 생산을 위해 넓은 범주의 목질계 바이오매스에 적용 가능한 잠재력을 가지고 있다.
