Cyanobacteria are promising industrial platform capable of producing value-added biochemicals via photosynthesis. However, decrease in photosynthetic efficiency under various environmental stresses and low genome editing efficiency limits their industrial applications as production hosts. In this study, I systematically analyzed the model cyanobacteria, Synechocystis sp., to understand their responses under environmental stresses, and applied the latest genome editing tools. First, two Synechocystis sp. genome sequences were completed and compared with five other Synechocystis sp. to reveal the differences according to their habitats. Also, by analyzing the genome architecture of Synechocystis sp. such as transcription start sites, promoters, and untranslated regions, critical elements for gene expression regulation were discovered. Second, I analyzed the transcriptional and translational gene expression levels of freshwater Synechocystis sp. under high-light and low-temperature stress conditions. Furthermore, the gene expression levels of freshwater Synechocystis sp. were compared with marine Synechocystis sp. that were adapted to high salinity and high osmotic pressure. Finally, various genome editing tools such as CRISPR and base editor were applied to Synechocystis sp. to obtain a strain capable of high production of a useful secondary metabolite, p-coumaric acid. Therefore, this study improved the applicability of Synechocystis sp. as a production host for valuable compound by attaining useful information for engineering and introducing efficient engineering tools.
시아노박테리아는 광합성을 통해 다양한 유용물질을 생산하는 친환경 생산 숙주로 각광받고 있으나, 환경 스트레스에 의해 광합성 효율이 낮아지기 때문에 야외 대량 배양이 어려우며, 유전체를 여러 복제본으로 가지고 있는 특성으로 인해 유전체 편집 효율이 낮아서 산업적 규모의 물질 생산이 어려운 한계가 있다. 본 연구는 모델 시아노박테리아인 시네코시스티스 균주에서 시스템적 분석을 통해 환경 스트레스 조건에서 이들의 반응 기작을 이해하고, 효율적인 최신 유전체 편집 도구들을 적용하였다. 첫 번째로, 신규 시네코시스티스 2종의 유전체를 완성하고 이것을 다른 시네코시스티스 5종과 비교하여 생활 환경에 따른 차이를 밝혔으며, 시네코시스티스의 유전체 아키텍쳐를 분석하여 유전자 발현 조절에 중요한 요소들을 발굴하였다. 두 번째로, 환경 스트레스 조건에서 담수 시네코시스티스의 전사 및 번역 수준 유전자 발현을 분석하고, 해양 시네코시스티스와 유전자 발현을 비교하였다. 마지막으로 크리스퍼, 베이스 에디터 등 다양한 유전자 변형 도구를 시네코시스티스에 적용하여 유용물질인 파라-쿠마릭산 고생산에 이용 가능한 균주를 확보하였다. 따라서 본 연구는 시네코시스티스 엔지니어링에 활용 가능한 유용한 정보 확보 및 효율적인 엔지니어링 도구 도입을 통해 유용물질 생산 숙주로서 시네코시스티스의 활용성을 개선하였다.
