We have previously reported the development of a metabolically engineered Escherichia coli strain capable of producing high-level L-valine based on in silico flux response analysis. Here we report further strain improvement by using comparative transcriptome analysis. To examine the transcriptional response of the engineered E. coli strain to L-valine production, a comparative transcriptome analysis between an L-valine producing Escherichia coli strain of VAMF (pKBRilvIHmutCED, pTrc184ygaZHlrp) and the control strain of E. coli WL (pKBR, pTrc184) was per-formed. The genes encoding L-valine biosynthesis enzyme were found to be up-regulated in the L-valine producing strain, whereas the genes involved in glycolysis and TCA cycle were all down-regulated. The genes involved in acetic acid assimila-tion were found to be up-regulated. Notably, the ilvIH genes encoding acetohydroxy acid synthase (AHAS) isoenzyme III were found to be down-regulated to 0.79- and 0.82-fold, respectively. As this enzyme is involved in the committed step towards L-valine formation, these genes were selected and overexpressed, resulting in 77.31 % increase in L-valine production. Furthermore, the yigFG genes, which were found to be significantly up-regulated by 12.14- and 10.68-fold, respectively, were newly identified as an L-valine exporter. Overexpression of these genes further increased L-valine production by 19.22%. The final engineered E. coli strain was able to produce 1.6 g/L L-valine in flask cultivation, which is 98.04 % higher than that obtained with the parental strain.
With previously engineered L-valine producing strain, Lrp regulatory modes in presence of various concentration of L-leucine was determined. The approach of employing transcriptome analysis in further strain improvement can also be applied as a good strategy for the enhanced production of other bioproducts.
L-valine 은 필수 아미노산의 하나로서, 동물사료뿐만 아니라, 건강음료를 비롯한 건강식품과
항생제와 의약품의 전구체로 사용된다. 이번 연구에서는 시스템 대사공학을 이용한 L-valine
생산 균주 VAMF 를 바탕으로 comparative transciptome analysis 를 통하여 얻은 새로운 타겟을 엔지니어링 하여 고수율 L-valine 생산균주 개발에 성공하였다. L-valine 생산에 직접적으로
관여하는 ilvIH (acetohydroxy acid synthase) 0.79- , 0.82-fold down-regulated 된 것을 확인할 수 있었는데, 이 두 유전자는 L-valine 생성에 중요한 역할을 하므로 증폭해야 할 타겟으로 정해졌다. Predicted L-valine exporter 인 yigFG 유전자 역시 벡터기반으로 증폭되어 생산량 향상에 기여했다ilvIH, yigFG증폭결과 기존균주 대비 각각77.31%,19.22% 의 증가를 보였으며 두 가지 유전자를 동시 증폭하여 98.04% 증가된 1.56g/L 의 L-valine 생산능을 갖는 균주 제작에
성공하였다. 본연구는 기존 대사공학에 transcriptome data analysis를 더하여 필요한
변이만을 시스템 생명공학 기법에 의해 체계적으로 도입함으로써 추가 균주 개량을
용이하게 하였다.
Lrp (leucine responsive regulatory protein)는 global 조절 단백질로서 많은 오페론 들이 Lrp 에 의하여 조절되고 leucine 에 의하여 다양한 효과가 나타난다. Lrp 에 의해 조절되는 유전자들의 상당부분이 분지아미노산 대사에 관여한다고 알려져 있으며 기존 여러 연구에서 Lrp 를 증폭시킨 결과 분지아미노산의 생산량의 향상을 확인할 수 있었다. 본 연구에서는 L-valine 생산균주 에서 여러 농도의 leucine 에 따른 Lrp 의 regulatory mode 를 comparative transcriptome analysis 를 통하여 분석하고 functional analysis 를 시행하였다. Global 조절 단백질 Lrp 의 network에 대한 이해는 분지아미노산 생산에 대한 이해를 도와 local 이 아닌 global scale 로 작용하는 타겟을 정해 엔지니어링에 도입해 볼수 있다는 점에서 의의가 있다.
