Based on whole-genome sequences, strain reconstruction studies for improved industrial applications have been initiated. For the construction of a custom-designed microorganism, an efficient genetic engineering tool which can transfer large genomic segments carrying useful genomic information is needed. We developed a novel and efficient method called genome swapping using Cre/lox site-specific recombination and a γ-ori replication system that can transfer large genomic segments between various microorganisms. In this study, we attempted to construct an IS-free Escherichia coli B strain, which is a popular industrial host strain in the production of useful biomaterials. However, mobile DNA elements such as insertion sequence elements (IS) and transposases caused a genetic unstableness. To eliminate this problem, we targeted IS elements for removal in 5 target regions and deleted IS elements within these target regions. The genome swapping method may be used to transfer IS-deleted target regions of the E. coli chromosome in one cell for the rapid construction of an IS-free E. coli B strain. Also, it is possible to construct a minimized genome and a hybrid microorganism for use in bioindustry and biotechnology.
최근 다양한 미생물들의 염기서열이 밝혀지고 이를 바탕으로 functional genomics와 comparative genomics를 통해 각종 유전체의 정보와 유전체 내에 존재하는 essential gene의 유무가 밝혀지게 되었다. 이러한 다양한 정보들을 바탕으로 산업적으로 유용한 인공 미생물을 구축하기 위한 노력이 진행되고 있다. 인공 미생물을 효과적으로 구축하기 위해서는 유용한 유전 정보를 가진 거대 유전체 단편을 효과적으로 전달할 수 있는 새로운 유전공학 기술의 개발이 요구되고 있다. 따라서Cre/lox 재조합 방법과 γ-ori replication 방법을 이용하여 미생물들간에 거대 유전체 조각을 효과적으로 치환할 수 있는 새로운 유전체 치환 기술을 개발하였다. 이 유전체 치환기술은 공여자 세포의 유전체로부터 특정부위를 Cre/lox 재조합 방법과 γ-ori replication 방법을 이용하여 자체세포 내에서 대량으로 분리 증폭하고 이를 수여자 세포의 유전체와 Cre/lox 재조합 방법을 이용하여 위치 특이적으로 치환하는 것이다. 본 연구에서는, 단백질 발현 연구 및 산업적으로 사용되는 생재료의 생산에 널리 이용되는 유용한 대장균 B 균주를 가지고 유전체 치환기술을 이용하여 유전체에 불안정성을 야기하는 IS를 빠르게 제거하는 시도를 하였다. 각기 다른 대장균 B 균주 세포에 타겟 부위별로 원하는 IS를 동시에 제거한 후 이 제거된 타겟 부위를 앞서 개발한 유전체 치환기술을 이용하여 한꺼번에 한 세포로 옮겨 빠른 시간 내에 IS가 제거된, 안정한 대장균 B 균주를 구축하고자 하였다. 이 유전체 치환 기술은 최소유전체 미생물의 구축이나 hybrid 미생물의 구축과 같은 산업적으로 유용한 인공 미생물의 구축에 효과적으로 이용할 수 있다.
