Acetogenic bacteria are responsible for the fixation of about 20% of $CO_2$ in the earth. Due to this physiological trait, acetogens have been used as attractive biocatalysts for gas fermentation of synthesis gas (CO, $H_2$, and $CO_2$) produced from a steel mill or biomass gasification. However, the approach has several major limitations, such as the narrow product spectrum and low product titers. In this study, I utilized systematic approaches to interpret the acetogenesis process and to develop genetic tools for acetogens. First, I present the three complete genomes of acetogens and elucidated core genes associated with $CO_2$ utilization through a comparative analysis of 14 diverse acetogen genomes. Second, I elucidated the transcriptome of mesophilic and psychrotolerant acetogens under diverse growth conditions. The transcriptomic data revealed 5'-UTRs control the RNA abundance of the acetogenesis genes at low-temperature in psychrotolerant acetogen. Third, I systematically analyzed the gene expression of the model acetogen at both transcriptional and translational levels. The study revealed that the Wood–Ljungdahl pathway is significantly regulated at the translation level according to growth conditions. Also, the multi-omics data revealed that the glycine cleavage system cooperates with the Wood-Ljungdahl pathway to participate in $CO_2$ fixation and redox balancing. Finally, I developed suitable plasmid and promoter systems that enable the implementation of the acetoin biosynthetic pathway for the production of acetoin from $CO_2$-$H_2$. Based on the CRISPR-Cas9 system, I demonstrated the Wood-Ljungdahl pathway is essential for autotrophic growth. Furthermore, through genomic engineering with the glycine cleavage system derived from other acetogens, the $CO_2$ utilization capacity of Eubacterium limosum could be increased more than 2 times under both fructose and $CO_2$-$H_2$ conditions. Therefore, systems and synthetic biology approaches provide the opportunity to enhance the holistic understanding of acetogenesis and the efficient utilization of $CO_2$ in acetogens.
아세토젠은 제철소나 바이오매스 가스화로부터 만들어지는 합성가스($CO_2$, CO, $H_2$)를 고정하기 위한 생체 촉매로 사용돼 왔지만, 좁은 합성 범위와 낮은 생산성 등의 한계점을 가진다. 본 연구는 시스템적 접근을 통하여 아세토젠의 대사회로를 이해하고, 대사회로를 강화하기 위한 유전자 변형 도구를 개발·적용하였다. 첫째로, 3개의 신규 아세토젠의 유전체를 완성하고, 14종의 아세토젠 유전체를 비교·분석하여 $CO_2$ 고정 관련 핵심 유전자를 규명하였다. 두 번째로, 다양한 환경에서 친온성 및 저온성 균주 전사체들을 발굴하여, 저온종의 5' 비번역 부위 기반 $CO_2$ 고정 유전자 발현 증대를 규명했다. 세 번째로, 전사 및 번역 과정을 통합 분석하여 $CO_2$ 고정 유전자들의 번역조절 뿐만 아니라 글라이신 분해 시스템과 우드-융달 회로의 협업을 통한 $CO_2$ 고정 및 산화-환원 반응 균형 조절을 밝혔다. 마지막으로 유전자 변형 도구를 개발·적용하여 $CO_2$ 기반 아세토인 합성 및 $CO_2$ 고정시 우드-융달 회로 필수성을 크리스피알을 통해 증명하였다. 또한 균주 엔지니어링을 통한 글라이신 분해 시스템 활용으로, 종속 및 자가 영양 조건에서의 아세토젠 $CO_2$ 활용능력을 2배 이상 증대시켰다. 따라서 본 학위논문은 시스템 및 합성생물학적 접근을 통해 폭넓은 대사과정 이해 및 논리적인 엔지니어링을 통한 아세토젠 $CO_2$ 활용 능력 증대를 보인다.
