Recently metabolic engineering has concerned systematic strategies to investigate the rational design for strain improvement through genetic manipulations of cellular metabolism by recombinant DNA technology. Production of lycopene (C40), used as an anti-oxidant and anti-cancer agent, in microorganisms has been focused to replace the lycopene production from the extraction of reddish plants. However, the systematic approaches for the improvement of the yield in microorganisms were not developed yet. In this study, I developed two strategies for enhanced lycopene production in Escherichia coli through the metabolic flux and control analysis. First, flux scanning based on enforced objective flux (FSEOF) was the algorithm of the selection of the several candidates for the gene amplification on genome-scale metabolic model to improve the yield of the desired product. FSEOF was applied to enhance lycopene production in E. coli. It led that a twofold (6.48 mg/gDCW) over parental strain and a 6-fold over wild type strain of E. coli. Second, dynamic metabolic control analysis was applied to investigate the shifted rate-controlling steps after the role of the first rate-controlling step was reduced. As a result, phosphofructokinase and pyruvate kinase could be considered as the positive and negative potential rate-controlling enzymes, respectively in lycopene production in E. coli. The amplification of pfk gene from L. bulgaricus in pykFA-knockout mutant had over 50% improvement of lycopene content in E. coli. Based on the metabolic flux and control analysis, the developed systematic approaches for strain improvement can be extended to other valuable product in various microorganisms.
시스템생물학에 기반한 대사공학은 재조합 DNA 기법에 의한 세포 내 대사과정의 직접적 조작을 통하여 균주 개량의 합리적 방법을 연구하기 위한 시스테믹한 전략에 관여한다. 항산화물과 항암제로써 사용되는 라이코펜(C40)을 붉은 식물에서 추출하는 방벙을 대신하는 미생물에서 생산 방법이 최근 초점이 되고 있다. 하지만, 미생물에서 생산 수율을 늘리기 위한 시스템적인 방법이 아직 발전되어 있지는 않다. 본 연구를 통하여, 본 연구자는 대장균에서 라이코펜 생산을 향상시킬 수 있는 두 가지 전략을 제시하였다.
먼저, 강화 목적 플럭스 기반 플럭스 스캐닝을 이용한 생물의 개량방법이 개발이 되었다. 이 방법은 인위적으로 생산관련 대사흐름을 최적값에서부터 최대값까지 변화시켜 가면서, 나머지 대사 흐름의 패턴을 스크리닝 기법이다. 이 방법을 통하여, 유전자 증폭의 대상을 찾고, 대상 유전자들을 라이코펜을 생산하는 대장균에 적용을 하였다. 그 결과, 기본 균주에 비해서 그 라이코펜 함량이 두 배(6.48 mg/gDCW) 정도 증가함을 알 수 있었다.
둘째, 다이나믹한 대사 조절 분석을 통하여 새롭게 전환된 양성 또는 음성 반응조절단계를 찾아낼 수 있었다. pykFA 유전자가 결실된 대장균에 L. bulgaricus의 pfk 유전자를 도입하여 기본 균주의 50% 라이코펜 함량을 증가시킬 수 있었다.
따라서, 대사 조절 및 흐름 분석에 기반한 균주개량의 시스테믹한 방법이 개발하였고, 이들 방법들을 통하여 다양한 미생물에서 여러 가지 종류의 대사산물들을 대량생산할 수 있을 것이다.
