Carotenoids are important organic pigments that have been widely used in food, animal feed, cosmetics, and health industries. Plants and alga have been major sources of many different natural carotenoids. However, they are affected by weather and environmental conditions and their successful extraction is rather limited. Chemical synthesis is inefficient due to the complexity of their chemical structures involving enantioselectivity and regioselectivity. For these reasons, an alternative means of overproducing valuable natural carotenoids using microorganisms has emerged. In this study, Escherichia coli, which can be rapidly grown to a high density and can be engineered with well-established genetic engineering tools was used as a chassis strain. First, E. coli strain producing astaxanthin was developed by systems metabolic engineering. After that, E. coli strain producing lutein was developed employing strategies including substrate channeling and electron channeling. The strategies used for lutein production were succefully applied on production of apigenin, which is categorized as flavonoid, confirming that the strategies can be generally utilized for microbial production of natural compounds. Next, to expand the membrane capacity to accumulate intracellularly produced carotenoids which are integrated into the cell membrane due to their hydrophobic propteries, various membrane engineering strategies were examined. Consequently, E. coli strains each producing $\beta$-carotene, zeaxanthin and astaxanthin in high amount were developed. The metabolic engineering strategies used here could be extensively applied to the microbial production of carotenoids and natural compounds.
카로티노이드는 식품, 화장품, 그리고 건강 관련 산업들에서 광범위하게 이용되는 중요한 유기 색소 물질이다. 카로티노이드는 주로 식물과 미세조류에서 추출하여 사용되는데, 이는 날씨 등의 환경적 요인에 영향을 많이 받는다는 한계점이 있다. 또한 복잡한 화학 구조와 이성질체들 때문에 화학 합성 방법도 비효율적이다. 따라서 고부가가치 천연 카로티노이드를 박테리아나 효모를 이용하여 생산하는 방법이 대안으로 떠오르고 있다. 본 연구에서는 유전자 조작 기술이 발달해 있고 빠르게 자라는 대장균을 플랫폼 균주로 선택하였다. 먼저 시스템대사공학 기법을 사용하여 아스타잔틴 생산 대장균 균주를 개발 후, 기질 통로와 전자 통로 구축 등의 전략을 사용하여 루테인 생산 대장균 균주를 개발하였다. 이후 루테인 생산에 사용한 전략들을 플라보노이드인 아피제닌 생산에 적용하여 해당 전략들을 천연물 생산 연구 전반에 활용할 수 있음을 확인하였다. 다음으로 친유성인 카로티노이드가 축적되는 세포막 용량을 늘리기 위한 다양한 막 조작 전략들을 개발 및 적용하여 베타-카로틴, 제아잔틴, 아스타잔틴을 과생산하는 대장균 균주들을 각각 개발하였다. 본 연구에서 사용된 다양한 대사 공학적 전략들은 미생물에서의 카로티노이드 및 천연물 생산 연구에 광범위하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.