In this study, overall scheme of the reconstruction and validation of the genome-scale metabolic networks, and its use in metabolic engineering is proposed. Previous experimental studies have indicated that the enhanced production of commodity chemicals in metabolically engineered strains can be achieved by a variety of strategies based on genetic alterations and environmental changes. In the current study, such strategies are applied for production of commodity chemicals and verified by resorting to a in silico analysis which provides more information on the flux distribution of the engineered strains. This process is initiated by constructing a genome-scale metabolic networks, and then followed by quantifying metabolic fluxes. The resultant flux distributions render it possible to investigate the effect of various perturbations, i.e., genetic perturbation or environemental perturbation. Finally, targets (genes or compounds) for commodity chemicals were identified by analyzing the internal flux patterns. Possibly, the production of chemicals can be more enhanced by appropriately manipulating such essential fluxes identified. Thus, the genome-scale metabolic networks and the in silico analysis can provide a new insight into the metabolic engineering strategy for achieving higher productivity.
인간유전체 해독을 기점으로 본격적으로 다양한 생명체의 유전체 해독연구를 통해 수많은 새로운 유전자들이 발견되고 있고, 이를 토대로 유전체, 전사체, 단백질체 및 대사체 등 소위 "omics" 기법을 사용하여 방대한 양의 데이터를 초고속으로 확보하는 방식으로 재빠르게 전환되고 있다. 더 나아가 이와 같은 기능유전체 분석을 통해 확보되는 대량의 데이터를 통합적이고 정략적으로 분석하고 예측가능한 수학적 모델링 및 시뮬레이션을 통해 총체적으로 분석함으로써 복잡한 생물학적 과정의 구동원리를 시스템 수준에서 이해하고자 하는 시스템 생물학이 출현하기에 이르렀으며 이러한 연구방식의 필요성이 대두되고 있다.
본 연구는 실제 미생물 연구에서 확보되는 기능유전체 정보들을 전산 시스템을 활용하여 생물정보학적으로 분석하고 통합하였고 시뮬레이션하여 생물학적 과정을 가상의 세포체계에 재구성하여 산업 균주로서의 응용가능성을 확인하였다.
첫째, 대사회로를 구축하는 일반적인 기법을 개발하여 유전체 및 오믹스 (omics) 데이터로부터 실제 대사 특성을 살필 수 있는 대사회로 개발 방법론을 제시하였다.
둘째, 제안한 방법론을 이용하여 실제 맨하이미아 미생물의 가상의 세포를 재구성하여 대사흐름 분석 및 다양한 인실리코(in silico) 분석을 수행하여 균주 개량에 응용하였다.
셋째, 대사회로를 이용한 다양한 in silico 실험을 통하여 유용물질의 생산성이 개선시키는 유전자 후보를 찾아내고 이를 바탕으로 균주를 효율적으로 개발할 수 있음을 확인하였다.
넷째, 대사회로를 이용한 다양한 in silico 실험을 통하여 미생물의 생장에 필요한 필수 배지물질 및 필수 내부 대사산물 후보를 찾아내고 이를 실제 실험을 통해 검증하였다.
다섯째, 상기 개발한 방법론을 이용하여 실제 산업용 균주의 개량에 응용하였다. 보다 구체적으로, 필수 아미노산의 하나인 발린 (L-valine), 쓰레오닌 (L-threonine), 숙신산 (succinic acid) 의 생산을 위해 in silico 실험을 바탕으로 균주를 효율적으로 개발할 수 있음을 확인하였다
