Due to our heavy dependence on petrochemical-based production of chemicals and materials, we are now facing a serious climate crisis. The chemical production of many important compounds and materials is unsustainable, as fossil resources are finite and the extreme conditions required for chemical synthesis make it difficult to operate. Therefore, establishing a novel, sustainable, and environmentally friendly process for the production of chemicals and materials is receiving much attention. Developing a microbial cell factory for these purposes is now possible, thanks to emerging methods and strategies of system metabolic engineering. In this study, we developed metabolically engineered Escherichia coli strains for the efficient production of short-chain primary amines, namely ethylamine and ethanolamine, which are heavily used platform chemicals in the chemical industry. For ethylamine production, cell metabolism was optimized to increase the production of L-alanine, the precursor of ethylamine. Next, the low productivity of the key enzyme VlmDV94I was addressed by enhancing the expression of its gene. The fed-batch fermentation process was also optimized, resulting in the production of 36.3 g/L of ethylamine with the productivity of 0.432 g/L/h. For ethanolamine production, metabolic pathways were optimized to enhance the production of its precursor, L-serine. An optimal serine decarboxylase, Atsdc from Arabidopsis thaliana, was also screened among the candidate enzymes. After optimizing the fermentation process, the final strain produced 36.9 g/L of ethanolamine with the high productivity of 1.04 g/L/h. The strategies and methods used in this study can be used for development of sustainable bio-based production of different chemicals and materials.
석유화학 기반의 화학물질과 재료 생산에 대한 의존도가 높기 때문에, 우리는 지금 심각한 기후 위기에 직면해 있다. 화석연료의 유한함과 화학적 합성에 극한의 조건이 필요하기 때문에 많은 중요한 화합물과 재료들의 지속가능한 화학적 생산이 어려워지고 있다. 따라서, 화학 물질과 재료의 생산을 위한 새롭고 지속 가능하며 환경 친화적인 과정을 확립하는 것이 많은 관심을 받고 있다. 시스템 대사 공학의 새로운 방법과 전략 덕분에 이러한 목적을 위한 미생물 세포 공장 개발이 가능해졌다. 본 연구에서는 화학산업에서 플랫폼 화학물질로 많이 사용되는 에틸아민과 에탄올아민과 같은 단쇄 1차 아민의 효율적인 생산을 위해 대사공학적으로 설계된 대장균주를 개발하였다. 에틸아민 생산을 위해 세포 대사를 최적화하여 에틸아민의 전구체인 L-알라닌의 생산을 증가시켰다. 다음으로 주요 효소인 VlmDV94I의 낮은 생산성은 유전자 발현을 향상시킴으로써 해결되었다. 유가식 배양 발효 공정도 최적화되어 생산성이 0.432 g/L/h인 36.3 g/L의 에틸아민이 생성되었다. 에탄올아민 생산의 경우 대사 경로가 최적화되어 전구체인 L-세린의 생산을 향상시켰다. 후보 효소들 중에서도 최적의 세린 탈카복실화효소인 Arabidopsis thaliana의 Atsdc가 선별되었다. 발효 공정을 최적화한 후 최종 균주는 에탄올아민 36.9 g/L을 생산하였으며, 1.04 g/L/h의 높은 생산성을 보였다. 본 연구에 사용된 전략과 방법은 다양한 화학물질과 재료의 지속가능한 바이오 기반의 생산 개발에 활용될 수 있을 것이다.
