석유 대신 대장균으로 ‘나일론’ 만들어 Engineered bacterium produces 1,3-diaminopropane, an important industrial chemical

KAIST, 이상엽 특훈교수

의약품·나일론 전구체 합성 대장균 세계 최초 개발

Metabolic engineering strategies for 1,3-diaminopropane production using C4 pathway. Credit: KAIST  

1,3-다이아미노프로판(원, 쓰리-다이아미노프로판) source phys.org

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석유 대신 미생물로 ‘나일론’을 만들 수 있는 가능성이 열렸다.     이상엽 KAIST 생명화학공학과 특훈교수팀은 세계 최초로 대장균에서 1,3-다이아미노프로판(원, 쓰리-다이아미노프로판)을 생산하는데 성공했다고 11일 밝혔다.   이는 의약 및 농약제품 제작에 이용되는 핵심 화학물질일 뿐 아니라 나일론(폴리아마이드)을 만들 수도 있는 물질이다.   지금까지 1,3-다이아미노프로판은 석유에서 얻어왔다. 하지만 연구팀이 이번에 대장균으로 1,3-다이아미노프로판을 생산하며 석유가 고갈되더라도 이 물질을 지속가능하게 생산할 가능성을 연 것이다. 이상엽 KAIST 특훈교수. - KAIST 제공   연구팀은 1,3-다이아미노프로판을 생산하는 대장균을 만들기 위해 우선 컴퓨터로 만든 가상 세포에 다른 미생물의 유전자를 대입해 1,3-다이아미노프로판을 생산할 수 있는 가장 효율적인 대사회로를 결정했다. 그 뒤 이 대사회로를 실제로 만들어 대장균에 넣었다. 이렇게 세포 전체 대사회로를 분석한 뒤 총체적으로 조작해 원하는 화합물을 대량생산하는 기술을 ‘시스템 대사공학’이라고 한다.   여기에 추가로 대사공학을 통해 대장균의 생산량을 21배 이상 증가시키기도 했다. 이 대장균을 이용하면 대장균 배양액 1리터당 13g의 1,3-다이아미노프로판을 생산할 수 있을 정도다.    이 교수는 “바이오매스를 원료로 여러 제품을 생산하는 ‘바이오리파이너리(Bio-refinery)’를 통해 1,3-다이아미노프로판 생산 가능성을 세계 최초로 제시했다는 점에 이번 연구의 의의가 있다”라며 “더 많은 연구를 통해 생산량과 생산성을 증가시킬 계획”이라고 말했다.   연구결과는 ‘네이처’의 자매지 ‘사이언티픽 리포츠(Scientific Reports)’ 11일자에 실렸다. 동아사이언스 신선미 기자 vamie@donga.com

Engineered bacterium produces 1,3-diaminopropane, an important industrial chemical

Metabolic engineering strategies for 1,3-diaminopropane production using C4 pathway. Credit: KAIST 

A Korean research team led by Distinguished Professor Sang Yup Lee of the Department of Chemical and Biomolecular Engineering at the Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) reported, for the first time, the production of 1,3-diaminopropane via fermentation of an engineered bacterium. 

1,3-Diaminopropane is a three carbon diamine, which has a wide range of industrial applications including epoxy resin and cross-linking agents, as well as precursors for pharmaceuticals, agrochemicals, and organic chemicals. It can also be polymerized with dicarboxylic acids to make polyamides (nylons) for use as engineering plastics, medical materials, and adhesives. Traditionally, 1,3-diaminopropane is derived from petroleum-based processes. In effort to address critical problems such as the depletion of petroleum and environmental issues inherent to the petroleum-based processes, the research team has developed an Escherichia coli (E. coli) strain capable of producing 1,3-diaminopropane. Using this technology, 1,3-diaminopropane can now be produced from renewable biomass instead of petroleum.

Fed-batch fermentation profiles of two final engineered E. coli strains. Credit: KAIST 

E. coli as found in nature is unable to produce 1,3-diaminopropane. Metabolic engineering, a technology to transform microorganisms into highly efficient microbial cell factories capable of producing chemical compounds of interest, was utilized to engineer the E. coli strain. First, naturally existing metabolic pathways for the biosynthesis of 1,3-diaminopropane were introduced into a virtual cell in silico to determine the most efficient metabolic pathway for the 1,3-diaminopropane production. The metabolic pathway selected was then introduced into an E. coli strain and successfully produced 1,3-diaminopropane for the first time in the world.

The research team applied metabolic engineering additionally, and the production titer of 1,3-diaminopropane increased about 21 fold. The Fed-batch fermentation of the engineered E. coli strain produced 13 grams per liter of 1,3-diaminoproapne. With this technology, 1,3-diaminopropane can be produced using renewable biomass, and it will be the starting point for replacing the current petroleum-based processes with bio-based processes.

Professor Lee said, "Our study suggested a possibility to produce 1,3-diaminopropane based on biorefinery. Further study will be done to increase the titer and productivity of 1,3-diaminopropane." 

http://phys.org/news/2015-08-bacterium-diaminopropane-important-industrial-chemical.html

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