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 in many applications. From last decades, several researches have been carried out to develop a microbial succinic acid production process. However, high substrate cost, low productivity, and expensive purification cost have been an obstacle for industrial application of microbial succinic acid fermentation process. 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. Based on whole genome sequence of M. succiniciproducens, Chemically Defined Medium for M. succiniciproducens was developed to enhance the performance of succinic acid production. However, high substrate cost for medium was still remained as problem, although the productivity was improved. Hence, here we describe a method for developing succinic acid production system using reduced-chemically defined medium. Introduction of amino acid and vitamins biosynthetic pathways effectively restored the cell growth as well as the succinic acid production, although Methionine, pyridoxine, or nicotinic acid which are the essential compounds for M. succiniciproducens were removed from the chemically defined medium. By replacing the external nutrients supplement to the self synthesizing system, the medium cost as well as fermentation process cost was able to be reduced. Consequently, we could develop a cost-competitive succinic acid producer by metabolic engineering of M. succiniciproducens MBEL55E and PALK recombinants based on its genome data and reduced-chemically defined medium utilized by it. Furthermore, the method and strategies developed in this study can be applied to further cost-competitive strain development for industrial commercialization.
숙신산은 C4 화합물로, 현재 산업적으로 유용한 물질로 사용되고 있으며 앞으로 그 사용범위와 중요성이 높아질 것으로 예상되고 있다. 숙신산은 대부분 석유 화학공정을 통해 화학 합성되고 있으나, 이는 환경적으로 심각한 부작용을 낳는다. 따라서 미생물을 이용한 자연친화적인 숙신산의 생산이 필요하다. 하지만 이를 산업적으로 이용하기 위해서는, 석유화학공정을 통해 이루어지는 현재의 숙신산 생산에 버금가는 경제성과 효율이 뒷받침되어야 한다.
앞서 살펴보았듯이, 이번 연구에서 우리는 우리 실험실에서 동정한 맨하이미아 숙시니시프로듀센스 MBEL55E 및 대사공학적으로 개량된 PALK 균주를 이용하여 대사공학적인 방법으로 숙신산 생산 공정의 비용을 줄일 수 있는 균주 및 합성 배양배지를 개발하는 데 주력하였다. 대사회로 분석을 통해 결정된 맨하이미아 균주의 필수 영양 성분 및 합성 배양배지의 특성을 파악하고, 맨하이미아 균의 대사 회로를 바탕으로 유전자 과발현을 통해 균 성장에 필요로 하는 필수 영양 성분을 맨하이미아 균 자체적으로 합성할 수 있도록 노력을 기울였다. 메티오닌, 피리독신, 니코틴산 각각의 성분을 합성하도록 맨하이미아 외부로부터 대사회로를 도입함으로써, 맨하이미아 스스로 필수 영양성분을 합성, 성장 및 숙신산 생산에 사용하도록 하였다. 이 결과는 맨하이미아 균주를 이용한 숙신산 생산 공정에서 추가적인 영양성분 공급을 감소시킬 수 있어, 숙신산 생산 공정의 경제적 및 산업적인 성과를 만들었다고 할 수 있다. 또한, 필수 영양성분 합성 대사회로를 맨하이미아 균주의 염색체에 도입시킴으로써 여러 개의 영양성분을 동시에 합성할 수 있는 가능성을 보여주어, 향후 추가적인 균주 개발을 통해 숙신산 생산 공정에 있어 배양배지의 비용을 획기적으로 줄일 수 있는 방법을 제시하였다.
이 연구는 유전자 정보에 기반한 대사 공학적 기법을 통해 미생물을 이용한 생산 공정의 경제적 개선효과 및 방법을 제공하며, 이로 인해 산업적 수준으로 미생물을 이용한 목적 물질 생산 공정을 실용화할 수 있는 가능성을 높였다는 데 그 의의가 있다.
