The establishment of a sustainable chemical industry through systems metabolic engineering is becoming essential to overcome serious environmental issues that are now being faced. Among various chemicals and materials that can be produced by microbial cell factories, bio-based polymers has recently received considerable attention to replace current petroleum-driven plastics. To make this bioprocess to be more industrially competitive, the development of microbial strains capable of efficiently producing plastic precursors must be accompanied. In this dissertation, Escherichia coli was metabolically engineered to produce platform chemicals used for polymer synthesis: acrylic acid, propionic acid, and putrescine. For the production of acrylic acid, the novel $\beta$-alanine route was employed. After the validation and construction of the designed pathway, E. coli was metabolically engineered to produce acrylic acid from glucose by introducing the constructed pathway and optimizing metabolic pathways. Microbial production of propionic acid was also attempted by employing the β-alanine route. In specific, E. coli was engineered to produce propionic acid by applying metabolic engineering strategies, including screening of efficient enzymes, deletion of competing pathways, optimization of the ppc gene expression level, and application of propionyl-CoA biosensor for identifying gene knockdown targets. Last, for the enhanced production of putrescine, the previously constructed XQ52 strain was subjected to adaptive laboratory evolution to increase its tolerance on putrescine. After 100 days of serial transfers, evolved strains tolerating up to high-level of putrescine were obtained, followed by the screening of best-performing variants. As a result, the evolved XQ52 strain capable of producing putrescine much above its native tolerance was developed. Taken together, systems metabolic engineering tools and strategies were successfully applied to demonstrate the construction of E. coli producing various plastic precursors. It is expected that the strategies described here will be helpful for the development of other microbial strains producing platform chemicals.
현재 인류가 직면하고 있는 심각한 환경 문제를 극복하기 위해 시스템 대사공학을 통한 지속 가능한 화학 산업 구축은 필수적이다. 미생물 세포 공장으로부터 생산 가능한 다양한 종류의 케미칼 및 물질들 가운데, 석유 기반 플라스틱을 대체할 수 있는 바이오 기반 폴리머에 대한 관심이 최근에 커져가고 있다. 이러한 바이오 프로세스가 산업적으로 더 경쟁력을 갖기 위해선, 바이오 기반 플라스틱 전구체를 효율적으로 생산할 수 있는 미생물 세포 공장 개발이 반드시 수반되어야 한다. 본 학위논문에서는 시스템 대사공학을 통해 고분자 합성에 사용되는 플랫폼 화학물질인 아크릴산, 프로피온산, 퓨트레신을 생산하는 대장균 개발 연구를 진행하였다. 먼저, 대장균 내 아크릴산 생산하기 위해, 베타알라닌을 통한 신규 생합성 경로를 대장균 내 도입하였고 이후 효소 스크리닝 및 대사 경로 최적화를 통해 포도당으로부터 아크릴산을 세계 최고 농도로 생산할 수 있었다. 또한 이 플랫폼 대사회로를 사용해 효소 스크리닝, 경쟁회로 결실, ppc 유전자 최적화, 바이오 센서 도입 등의 다양한 대사공학 전략을 적용하여 대장균 내 신규 대사회로를 이용해 프로피온산을 생산할 수 있었다. 마지막으로, 대장균에서 고농도의 퓨트레신 생산을 위해 기존의 퓨트레신 생산 균주에 대해 적응진화 기법을 적용하였고, 그 결과 기존의 내성보다 더 높은 고농도의 퓨트레신 하에 성장가능한 균주를 확보할 수 있었다. 해당 변이체들 가운데 가장 높은 생성능을 가지는 균주를 선별하였으며, 그 결과 기존의 퓨트레신 내성 농도보다 더 높은 농도의 퓨트레신을 생산할 수 있는 대장균 균주를 개발할 수 있었다. 본 학위논문에서 개발된 시스템 대사공학 전략 및 도구들은 미생물 내 다양한 플랫폼 화학물질 생산에도 유용하게 쓰일 것으로 예측된다.
