Succinic acid is a four-carbon dicarboxylic acid synthesized as an intermediate of the tricarboxylic acid cycle and also as one of the mixed-acid fermentation products, which can be used many applications. Most of Succinic acid production is perfomed by petroleum-based process. But it has some problems such as limited source and causing environmental pollution. To solve these problems, recently many groups studied bio-based process for succinic acid production by microbial fermentation. It is an impact techinique to resolve the problems caused by petroleum-based process. However, because of low productivity and expensive purification cost, It is unreasonable to construct bio-based process factory. Therefore, we have to develop a high productivity and homo succinic acid producer to commercialize in the world. Mannheimia succiniciproducens which is a capnophilic Gram-negative bacterium isolated from bovine rumen was able to produce a large amount of succinic acid as a major fermentation product under anaerobic conditions in the presence of $CO_2$. Based on complete genome sequence of M. succiniciproducens gene work studies were advanced to develop producing homo succinic acid strain. In the previous study, Our group constructed metabolically engineered LPK7(LdhA::Kmr PflB::Cmr Pta-ackA::Spr) and PALK(LdhA::Kmr Pta-ackA::Spr)strains. Two strains didn’t produce three major by-products such as lactic acid, formic acid and acetic acid when are formed during anaerobic fermentation of wild type strains under $CO_2$ -rich condition any more. But, large amounts of pyruvic acid is accumulated and cell growth is much slower than wild type strain owing to imbalanced metabolic fluxes. Here, we report the strategies for the metabolic engineering of M. succiniciproducens based on the genome sequence and construction of a homo succinic acid producer. To overcome these problems, ldhA and ackA knockout strain ALK(AckA::Cmr) was constructed by genome-based metabolic engineering. It also didn’t produce three major by-product. Pyruvate formation was only small amount and final biomass was recovered up to 71% of wild strain. Therefore, It can produce succinic acid faster than LPK7 and PALK, which can be useful for industrial production of succinic acid.
숙신산은 C4 화합물로, 직접 산업적으로 유용한 물질로 사용되거나, 여러 물질들의 전구체 역할을 하며 앞으로 그 사용범위와 중요성이 높아질 것으로 예상되고 있다. 숙신산은 대부분 원유로부터 분리된 n-부탄에서 유도되는 석유 화학공정을 통해 화학 합성되고 있으나, 석유 자원은 제한적이고 환경에도 악영향을 미치기 때문에 미생물을 이용한 자연친화적인 숙신산의 생산이 필요하다. 하지만 이를 산업적으로 이용하기 위해서는, 석유화학공정을 통해 이루어지는 현재의 숙신산 생산에 버금가는 경제성과 효율이 뒷받침되어야 한다.
앞서 살펴보았듯이, 한우의 반추위로부터 동정한 맨하이미아 숙시니시프로듀센스 MBEL55E 균주를 이용하여 대사공학적인 방법으로 숙신산 생산을 향상시킬 수 있는 공정을 개발하는 데 주력하였다. 그리하여, 우리 실험실에서 유전자 조작을 통하여 LPK7(LdhA::Kmr PflB::Cmr Pta-ackA::Spr)과 PALK(LdhA::Kmr Pta-ackA::Spr) 균주를 개발하였다. 특히 PALK는 숙신산 생산성이 DOE의 보고서에 따른 산업화를 위한 최소 생산성인 2.5 g/L를 뛰어넘었다. 하지만 LPK7, PALK 모두 부산물로써 피루브산을 숙신산 농도의 10%이상 생산한다. 이는 분리비용의 향상을 가져온다. 이 문제를 극복하기 위하여, 대사공학적으로 접근하여 ALK(AckA::Cmr) 균주를 개발하였다. 이 균주는 피루브산의 농도를 LPK7, PALK 보다 50% 이상 줄일 수 있었다. 또, 화합물을 만드는데 쓰이지 않은 탄소원들이 바이오매스를 증가시킴으로써, 숙신산 생산성의 향상을 가지고 왔다.
이로 인해 산업적 수준으로 미생물을 이용한 목적 물질 생산 공정을 실용화할 수 있는 가능성을 높였다는 데 그 의의가 있다.
