Xylitol is a five-carbon sugar alcohol that has same order of sweetness level but calorie is lower compared to sucrose. It is used as an alternative natural sweetener in the food and confectionary industry. As it does not require insulin for metabolic regulation, it can be used as an insulin-independent sugar substitute for diabetics.
In Candida tropicalis, xylitol is produced by an enzymatic reaction in which xylose reductase (XR) catalyzes the reduction of D-xylose to xylitol with accompanying NADPH oxidation. The biomass used for xylitol production is hydrolyzed by a mineral acid to produce a hydrolysate that consists primarily of xylose, arabinose and glucose. The glucose in the hydrolysate can be used directly as a co-substrate. This approach has economic and convenience advantages However, to use biomass hydrolyzate directly, several obstacles should be overcome. First of all, suppression of XR activity and xylose uptake by glucose should be overcome. To solve above problems, XR from Neurospora crassa and xylose transporter(XT1164) from C.tropicalis were cloned and over-expressed in C. tropicalis. Resulting strain, XT1164 showed shorten delayed initial xylitol production caused by glucose repression. And both xylitol volumetric productivity and specific productivity of XTSTP2 were 67% and 69% higher than LXU, the control strain. Another critical problem to be overcome is the reduction of arabitol formation as a byproduct in the biological xylitol production which reduces the xylitol crystallization in downstream processing. Arabitol, an epimer of xylitol, is difficult to remove during xylitol production and interferes with xylitol crystallization in the downstream processing used for purification. To solved the above problem bacterial arabinose assimilation pathway(araBAD) and arabinose specific transporter(STP2) from Arabidopsis thaliana were induced C. tropicalis strain for efficient uptake of L-arabinose. Resultinf strain JYSTP2 completely consumed, arabitol was not formed. Finally, PFK and ICL were knock out for recycling process which occur between PPP and EMP pathway and TCA cycle for efficient regeneration of NADPH. PFK, ICL double mutant(JYBI) showed 1.7 fold higher intracellular NADPH concentration and 1.5 fold enhanced xylitol volumetric productivity compared to control strain (LXU).
자일리톨 (xylitol)은 오탄당 알코올로서 설탕과 유사한 감미도를 가지고 있으면서 열량이 낮고 충치 예방 효과를 가지고 있기 때문에 산업적으로 그 이용이 증가하고 있다. 또한 인슐린에 관계없이 대사되기 때문에 당뇨병 환자의 대체 감미료로서 이용되고 있다. 현재 자일리톨은 바이오매스 산가수분해물에서 정제된 자일로스 (xylose)로부터 화학적 수소첨가반응을 통하여 생산되고 있다. 그러나 화학적인 생산 방법은 자일로스 분리정제과정에서 많은 비용이 요구되며, 수소가스와 니켈촉매의 사용 및 고온o고압의 공정은 위험과 환경오염을 초래한다. 따라서 그에 대한 대안으로 생물학적 자일리톨 생산기술이 연구되고 있으며, 특히 자일로스 이용능력이 뛰어난 효모 균주인 캔디다 트로피칼리스 (Candida tropicalis)가 자일리톨 생산균주로 주목받고 있다.
생물학적으로 자일리톨을 생산하는데 있어 세포내로 흡수된 자일로스는 자일로스 환원효소 (xylose reductase; XR)를 통해 자일리톨로 전환되는데 이때 NADPH가 조효소로 작용한다. 본 연구는 자일리톨의 생물학적 전환에 있어 NADPH 공급을 제한요인으로 가정하였으며 효율적인 공급을 위해 세포내 주요 대사회로인 EMP 대사경로와 TCA 대사경로를 순차적으로 조작하여 세포내 NADPH 농도를 향상시켰으며 그에따른 자일리톨 생산속도를 50% 향상시킬 수 있었다.
추가적으로 자일리톨의 생산을 위한 첫 단계인 자일로스의 효율적인 흡수를 위해 캔디다 균주가 가지고 있는 고유의 신규 자일로스 트랜스포터를 확보하여 발현시켜 자일리톨 생산성을 100%가까이 증가 시킬 수 있었으며 애기장대 유래의 아라비노스 트랜스포터의 발현을 통해 아라비노스의 흡수를 증진시켜 기존 균주의 문제점이었던 배지내 아라비노스의 잔존 문제를 해결하였다.
