System metabolic engineering contributes to the sustainable chemical industry by environment-friendly production of various chemical through development of microbial cell factory. We aimed to develop $\textit{Escherichia coli}$ for the efficient production of γ-butyrolactone and ε-caprolactam, which are important chemicals used as monomers of biopolymer such as bioplastic and polyamide. First, γ-butyrolactone has evaluated as an excellent material with future prospect since it could be used as a monomer of poly-γ-butyrolactone, a biodegradable plastic. Herein, development of $\textit{E. coli}$ capable of producing γ-butyrolactone with a one-step fermentative strategy was carried out in order to replace the existing petroleum-based production. We proved the activity of CoA transferase helps forming ring structure of lactone compound using $\textit{in vitro}$ and $\textit{in vivo}$ validation. In addition, $\textit{in silico}$ flux analyze was applied for screening genome-based knockdown target. After various optimization of cultivation during scale-up process, the final engineered strain produced with the titer of 6.76 g/L from glucose by fed-batch fermentation, which is the highest ever. Next, the development of $\textit{Escherichia coli}$ was conducted for the production of ε-caprolactam. ε-Caprolactam is widely used as a monomer of polyamide such as nylon 6. Although microbial production of ε-Caprolactam was successfully developed in previous research, it has obviously limitation of low titer. In this study, we constructed novel metabolic pathway for production of ε-Caprolactam composed of glucose-adipic acid flux (upstream) and adipic acid- caprolactam flux (downstream). As a result, we developed adipic acid-overproducing strain with a titer of 102.62 mg/L in flask cultivation. Based on this engineered strain, we introduced downstream pathway and the final strain succeeded in producing with the titer of 2.26 mg/L. It is expected that the recombinant strains developed in this thesis can help us move one-step closer to the bio-based production of polymers such as plastics and nylon.
시스템 대사공학은 미생물 개발을 통해 다양한 화학물질의 친환경적 생산을 연구하며 지속가능한 화학산업에 기여한다. 본 학위논문에서는 시스템 대사공학을 통해 바이오 플라스틱, 폴리아마이드와 같은 바이오폴리머의 단량체로 사용되는 중요한 화합물인 감마부티로락톤 및 카프로락탐을 효율적으로 생산하기 위한 대장균 개발 연구를 진행하였다. 감마부티로락톤은 생분해성 바이오 플라스틱인 poly-γ-butyro-lactone (PγBL)의 전구체로의 활용되며 산업 전반적으로 널리 활용되는 화합물이다. 본 학위논문에서는 생석유화학생산에 의존하던 감마부티로락톤의 생산 전과정을 바이오공정으로 대체하는 원스텝 생산공정을 개발했다. CoA 전이효소의 활성을 통한 락톤고리구조의 형성을 검증하며 감마부티로락톤의 생산을 확인했으며 $\textit{in vitro}$ 및 $\textit{vivo}$ validation을 진행했다. 이후 $\textit{in silico}$ flux analyze를 통한 게놈상 유전자에 대해 발현 감소 (sRNA기반 낙다운) 타겟을 스크리닝했으며 다양한 배양조건의 최적화를 통해 스케일업을 진행했다. 그 결과 유가식 배양에서 최종 6.76 g/L의 세계 최고 생산역가를 가지는 감마부티로락톤의 생산에 성공했다. 다음으로는 카프로락탐을 효율적으로 생산하는 대장균 개발 연구가 진행되었다. 카프로락탐은 나일론6과 같은 폴리아마이드의 단량체로서 산업적으로 중요한 화합물이다. 본 학위논문에서는 카프로락탐 신규생산회로를 구축하였다. 포도당-아디프산회로(upstream)과 아디프산-카프로락탐회로 (downstream)로 구성된 신규회로를 다양한 대사공학적 전략을 통해 개발한 결과 102.62 mg/L의 아디프산 과생산 균주를 생산하였다. 해당 균주를 기반으로 아디프산-카프로락탐회로를 도입한 결과 최종적으로 플라스크 배양 내 2.49 mg/L의 카프로락탐 생산을 성공했다. 본 학위논문에서 개발된 시스템 대사공학 전략 및 구축된 균주들은 바이오폴리머의 생합성에 한 걸음 더 가까이 다가갈 수 있도록 도와줄 것으로 기대된다.
