Systems metabolic engineering has been playing important roles in developing microbial cell factories for the production of various chemicals and materials to achieve sustainable chemical industry. Similarily with other various chemicals, there also has been much interest in microbial production of engineering plastic. In this thesis, E. coli was systems metabolically engineered to produce valuable engineering plastic precursors: 1,3-diaminopropane, ethylene glycol and lactams. In addition, development of E. coli capable of polymerizing various non-proteogenic amino acids has been carried out in order to biosynthesize the engineering plastic itself. To produce 1,3-diaminopropane, the pathway employing Acinetobacter baumannii dat and ddc genes was introduced to E. coli based on genome-scale in silico flux analysis result. Using the rationally engineered E. coli strain, 128 synthetic small RNAs (sRNA) applied in gene knockdown revealed that knocking out pfkA further increases 1,3-diaminopropane production. Next, to produce ethylene glycol in E. coli, the Dahms pathway was introduced to E. coli by expressing xylBCccs genes from Caulobacter crescentus. Various E. coli host strains and aldehyde reductases were screened for efficient ethylene glycol production. The production performance was further improved by fine-tunned knockdown of xylBccs gene expression using sRNA technology. Additionally, new metabolic pathways for production of butyrolactam, valerolactam and caprolactam were designed and constructed. This pathway comprises two steps: activation of ω-amino acids catalyzed by the Clostridium propionicum β-alanine CoA transferase (Act) and following spontaneous cyclization. Using the pathway, three metabolically engineered E. coli strains were developed which allows production of butyrolactam, valerolactam and caprolactam from renewable carbon source. Finally, novel metabolic pathway capable of polymerizing amino acids to produce poly(ester amide) was designed and constructed to directly biosynthesize engineering plastic. This pathway comprises two steps: Activation of amino acids by Act, and polymerization by polyhydroxyalkanoate synthase. Using the platform pathway, E. coli strain capable of polymerizing various amino acids such as 3-aminopropionic acid, 4-aminobutyric acid, 3-aminobutyric acid and 3-aminoisobutyric acid was developed. In conclusion, systems metabolic engineering tools and strategies were applied to construct E. coli strain producing various engineering plastic precursors such 1,3-diaminopropane, butryolactam, valerolactam and caprolactam were developed for the first time using renewable carbon source. In addition, most efficient ethylene glycol producer (higest titer and productivity ever reported) was developed. Finally, we have succeeded in developing an E. coli strain capable of polymerizing amino acids to produce poly(ester amide). It is expected that the systems metabolic engineering strategies employed and E. coli strains developed here can help us move one step closer to the bio-based engineering plastic production.
시스템 대사공학은 다양한 화학 물질을 생산하는 미생물 세포 공장을 개발하여 환경 친화적이며 지속가능한 화학산업을 달성하는데 중요한 역할을 수행하고 있다. 여러 유용 화학 물질을 생산하는 다양한 미생물이 개발되고 있는데, 그 중에서 산업용 주요 화합물인 엔지니어링 플라스틱을 생산하려는 많은 시도가 이루어지고 있다. 본 학위논문에서는 시스템 대사공학을 통해 1,3-다이아미노프로판, 에틸렌 글라이콜 및 락탐과 같은 중요한 엔지니어링 플라스틱 전구체를 효율적으로 생산하는 대장균 개발 연구를 진행하였다. 또한 엔지니어링 플라스틱 자체를 생합성하기 위해 다양한 단백질 유래가 아닌 아미노산들을 고분자화 할 수 있는 대장균의 개발 연구도 진행하였다. 1,3-다이아미노프로판을 생산하기 위해 게놈 수준의 가상세포 시뮬레이션 결과를 기반으로 Acinetobacter baumannii 유래의 dat와 ddc 유전자를 대장균에 도입하였다. 이후 논리적 대사조작을 통해 기본 균주를 제작하였고, 합성 small RNA (sRNA) 시스템을 활용하여 총 128개의 게놈 상의 유전자에 대해서 발현 감소(낙다운) 타겟을 스크리닝하였다. 그 결과 pfkA 타겟을 선별하여, 이를 결실시켜 1,3-다이아미노프로판 생산을 크게 증가시킬 수 있었다. 다음으로는 에틸렌 글라이콜 생산을 위해 Caulobacter crescentus 유래의 xylBCccs 유전자를 도입하여 대장균 내에 댐스 대사회로를 구축하였다. 여러 대장균 균주 및 알데히드 환원효소 중 에틸렌 글라이콜 생산에 더 효과적인 균주 및 효소를 스크리닝 하였고, 이후 sRNA 기법을 통해 xylBccs 유전자의 발현을 적정 세기로 억제하여 생산능을 더욱 향상시킬 수 있었다. 또한, 부티로락탐, 발러로락탐 및 카프로락탐을 생산하기 위하여 새로운 대사회로를 설계 및 구축하였다. 구축된 신규 대사회로는 Clostridium propionicum 유래의 β-alanine CoA transferase (Act)에 의해 촉매된 오메가-아미노산의 활성화와 자발적 고리화 반응의 두 단계로 구성된다. 이 플랫폼 대사회로를 사용하여, 재생 가능한 탄소원에서 부티로락탐, 발러로락탐 및 카프로락탐을 생산하는 대장균 균주를 개발하였다. 마지막으로, 엔지니어링 플라스틱을 직접 생합성하기 위하여 아미노산을 고분자화하여 폴리에스터 아마이드를 생합성 할 수 있는 대사회로를 설계 및 구축 하였다. 구축된 신규 대사회로 Act에 의해 촉매된 아미노산의 활성화와 polyhydroxyalkanoate synthase에 의한 활성화된 아미노산의 고분자화 반응 두 단계로 구성된다. 이렇게 구축된 플랫폼 대사회로를 사용하여 3-아미노프로피오닉산, 4-아미노부티릭산, 3-아미노부티릭산, 3-아미노아이소부티릭산과 같은 다양한 아미노산을을 고분자화 할 수 있는 대장균 균주를 개발하였다. 결론적으로 본 연구에서는 시스템 대사공학 기법을 적용하여 다양한 엔지니어링 플라스틱 전구체를 생산하는 대장균을 성공적으로 제작하였다. 재생가능한 탄소원으로부터 1,3-다이아미노프로판, 부티로락탐, 발러로락탐 및 카프로락탐을 생산하는 미생물을 세계 최초로 개발하였다. 또한, 기존 보고들 중 가장 높은 에틸렌 글라이콜 생산 농도와 생산성을 가지는 균주를 개발할 수 있었다. 마지막으로 세계 최초로 아미노산을 고분자화 하여 폴리에스터 아마이드 생산 대장균 균주의 개발을 성공하였다. 본 학위논문에서 개발된 시스템 대사공학 전략들 및 구축된 균주들은 바이오기반의 엔지니어링 플라스틱 생산에 한 걸음 더 가까이 다가 갈 수 있도록 도와 줄 것으로 기대된다.
