Increasing concerns about limited fossil fuels and environmental pollution have great attention to develop sustainable production of various chemicals from renewable resources. The petroleum-based plastics are world widely used in enormous applications such as packaging, automobiles because of their low cost, ease of manufacture, versatility and imperviousness to water. Polyhydroxyalkanoates (PHAs), bacterial polyesters, are one of promising alternatives owing to its potential to be used as performance plastics and superior to other plastics in many aspects, including its biodegradability, biocompatibility for potential biomedical applications.
In this study, the important synthetic biopolymers used in biomedical field, poly(lactate-co-glycolate) [PLGA] and its various copolymers were produced by systems metabolically engineered E. coli by adapting bacterial PHA synthesis system. Poly(lactate-co-glycolate) (PLGA) is a random copolymer of lactic and glycolic acids and is widely used biodegradable and biocompatible polymer. It is also FDA-approved for various medical applications such as medical sutures, scaffolds and drug delivery carrier.
To develop one-step fermentative production of PLGA by engineered E. coli, first the novel metabolic pathway was constructed: It consists of evolved propionyl-CoA transferase and evolved polyhydroxyalkanoate (PHA) synthase in which lactate and glycolate are converted into lactyl-CoA and glycolyl-CoA, respectively, and then these hydroxyacyl-CoAs are polymerized into PLGA. Next, to produce PLGA from unrelated carbon sources, we employed two glycolate biosynthesis pathway, glyoxylate shunt and Dahms pathway while E. coli can produce lactate natively. The metabolic engineering strategies employing glyoxylate shunt and Dahms pathway were described in chapter 2 and 3, respectively. The resulting PLGA producing E. coli strains were applied for generating diverse forms of PLGA is shown by the production of copolymers containing 3-hydroxybutyrate, 4-hydroxybutyrate or 2-hydroxyisovalerate (Chapter 4 and 5). Finally, to enhance the PLGA production, the metabolic flux between Dahms pathway and E. coli native xylose metabolic pathway (pentose phosphate pathway) was optimized by using synthetic promoters with different strengths (Chapter 6).
In conclusion, through this thesis, the biosynthesis of non-natural polymer, PLGA was developed for the first time based on microbial PHA biosynthesis. This bacterial PLGA producing system also can be adapted to other various copolymers production. The synthetic biology strategies could further optimize the metabolic flux resulting in enhanced production of PLGA and its copolymers. The systems metabolic engineering strategies used here is meaningful in that it proposes a platform strategy, which can be further utilized in the development of numerous useful polymers and also other chemicals.
석유로부터 만들어지는 물질들은 에너지, 식량, 화합물 등 생활 전 범위에 걸쳐 사용되고 있으며, 현대 인간의 풍요로운 생활을 유지시키는 필수적인 요소이다. 그러나 이러한 화석 연료의 사용은 전 세계적으로 지구 온난화와 같은 심각한 환경 문제의 주범으로 손꼽히며, 높은 화석 연료 의존성으로 앞으로 닥칠 화석 연료 고갈에 대한 위기감이 고조되고 있다. 이를 해결하기 위한 방안 중의 하나인 바이오리파이너리는 기존 산업 시스템에서 석유와 같은 화석연료가 담당하던 부분을 생물체가 만들어내는 유기물질인 바이오매스로 (곡물, 볏짚, 목재, 농업 폐기물, 동물의 배설물 등) 대체하여 연료, 플라스틱, 각종 화학제품들을 생산하는 종합적인 기술이다.
본 학위논문에서는 이러한 바이오리파이너리의 일환으로, 합성 고분자의 일종인 폴리락테이트-co-글라이콜레이트, poly(lactate-co-glycolate) [PLGA]의 복잡한 화학 생산 공정을 친환경적이며 지속가능한 생물학적 공정으로 대체하고자 시스템 대사공학 전략을 이용하여 재조합 대장균을 개발하는 연구를 진행하였다. PLGA는 젖산과 글라이콜산의 랜덤 공중합체로 생분해성, 생체적합성, 구조적 안정성, 낮은 독성의 성질로 FDA 승인을 받은 대표적인 의료용 바이오 플라스틱이다. 특히 젖산과 글라이콜산의 비율에 따라 분해 속도가 약 한달에서 6개월까지 조절되는 특징을 가지고 있어 약물 전달체와 같이 일정 시간동안 약물이 서서히 방출되게 하는 서방출형의 용도나 일정 시간동안 조직을 지지해주는 역할을 하면서 조직 재생 시에 체내에서 분해되어 제거할 필요가 없는 지지체의 용도로 많이 사용되고 있다.
이러한 비천연 고분자인PLGA를 최초로 생산하는 미생물을 개발하기 위해서, 미생물에서 발견되는 폴리에스터인 폴리하이드록시알카노에이트 (polyhydroxyalkanoate) 생합성에 기반하여 효소 엔지니어링을 통한 새로운 대사회로 구축, 외래 대사회로 도입 및 인실리코 컴퓨터 시뮬레이션을 이용한 전략적인 대사 흐름 조작, 합성 프로모터를 통한 대사 흐름 최적화 등이 복합적으로 적용된 시스템 대사공학 기법을 통하여 높은 효율로 PLGA를 생산하는 대장균 균주를 개발하였다. 이러한 전략은 탄소길이 2-6개의 다양한 화합물과의 공중합을 통해 고부가가치의 유용한 신규 바이오 플라스틱 생산 균주로 응용이 가능하였고, 그 중 4-hydroxybutyrate와의 공중합체 생산 연구를 보다 집중적으로 수행하여, 그 유용성을 입증하였다.
