원문링크: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.1c01348연구 배경 베타-히드록시-알파-아미노산은 항생제, 항암제의 원료로 이용되는 고부가가치 물질로서, 지난 30년 동안 합성법이 연구되어 왔지만, 현재까지의 화학적, 생물학적 합성 방법으로는 고순도 (입체특이적) 및 대량 합성에 도달하지 못하고 있다. 트레오닌 합성효소는 베타-히드록시-알파-아미노산을 합성하는 효소로, 글리신과 알데히드의 탄소 간 결합을 형성하는 효소이다. 하지만, 탄소 간의 중합으로 형성되는 베타-탄소 부위에서 이성질체를 구분하는 입체특이성이 낮고, 기존에 보고된 효소들의 활성도 낮아 산업적 이용이 어려운 문제점이 있어왔다.연구 성과 트레오닌 합성효소는 다양한 알데히드를 이용할 수 있는 넓은 기질특이성을 가지지만, 트레오닌 합성의 기질인 아세트알데히드에는 입체특이성과 활성이 낮다는 문제점이 있었다. 이를 해결하기 위해, 기존에 구조와 효소 특성이 잘 알려져 있는 Alcaligenes xylosoxidans 유래의 D-트레오닌 합성효소 (AxDTA) 서열과 서열상동성이 낮은 잠정적인 D-트레오닌 합성효소 서열들을 확보하였다. 확보한 서열들을 발현하고, 효소 활성과 입체특이성을 확인한 결과, AxDTA 에 비해 효소활성은 20배 높고, 입체특이성은 향상된 Filomicrobium marinum 유래의 DTA (FmDTA) 를 확보할 수 있었다.하지만, 여전히 낮은 입체특이성 문제로 산업적 이용에 적합하지 않았다. 해당 공동연구팀은 FmDTA 의 crystal structure 를 규명하고, rational design 을 통해 효소의 활성부위에서 D-트레오닌의 입체특이성에 관련될 것으로 추정되는 잔기들을 선별하였다. 해당 잔기들의 돌연변이 연구 결과, 99.9 % 의 순도로 D-트레오닌을 합성하는 효소를 확보하였다. 그리고, 추가적인 돌연변이 연구로 합성 반응에 대한 새로운 추정된 메커니즘을 제시하였다.한편, D-트레오닌 합성효소는 가역반응이 가능하기 때문에, 장시간 반응에서 입체특이성이 감소한다고 보고되어 있다. 이는 산업적 적용에 있어서의 또 다른 문제점이지만, 해당 연구로 개량된 효소는 장시간 반응에도 입체특이성에 큰 변화가 없었다. 이는 해당 돌연변이 효소가 생산 공정의 적용에 상당한 이점을 가진다는 것을 암시한다.D-트레오닌 합성효소는 다양한 알데히드를 이용하여, 폭넓은 베타-히드록시-알파-아미노산을 합성할 수 있는 장점이 있다. FmDTA 도 아세트알데히드 외에 다른 알데히드를 기질로 이용하여, 여러 생성물을 합성함을 확인하였다. 또한, 해당 연구에서 확보한 돌연변이 효소는 다른 생성물에 대해서도 입체특이성을 향상시키는 결과를 보여주었다. 이러한 연구 결과들은 향후 다양한 베타-히드록시-알파-아미노산의 고순도 및 대량 합성에 적용할 수 있음을 암시한다.향후 계획 D-트레오닌의 합성에 이용되는 기질인 아세트알데히드는 실온 부근의 낮은 끓는점과 불안정성의 특징을 가지고 있기 때문에, 이를 안정화시키는 것이 중요하다. 해당 연구진은 확보한 개량 효소를 소형 발효조에서 반응시켜 6시간 반응 만에 50 g/L 이상의 D-트레오닌이 97% 이상의 순도로 생성되는 것을 확인하였다. 개발된 기술은 ㈜엠에이치투바이오케미칼에 기술이전하여 신제품 개발을 추진중이다. 현재, 발현 시스템 개선 및 효소 대량 확보와 다양한 베타-히드록시-알파-아미노산 생산을 목적으로 연구를 진행중이며, 이는 반응 공정의 효율성, 생산성 크게 향상시키고, 제품의 다양화를 가능하게 할 것으로 예상된다.abstractD-Threonine aldolase (DTA) is a useful biocatalyst that reversibly converts glycine and aldehyde to β-hydroxy-α-D-amino acid. However, low activity and poor diastereoselectivity limit its applications. Here we report DTA from Filomicrobium marinum (FmDTA) that shows much higher activity and Cβ-stereoselectivity in D-threonine production compared with those of other known DTAs. We determine the FmDTA structure at a 2.2 Å resolution and propose a DTA catalytic mechanism with a kernel of the Lys49 inner proton sink and metal ion in the aldol reaction cycle. The enzyme is rationally engineered to have high Cβ-stereoselectivity based on spatial constraint at the anti-specific aldehyde position in the mechanism, and the rational strategy is further applied to other DTAs for syn-production. The final FmDTAG179A/S312A variant exhibits a near-perfect 99.5% de value for D-threonine and maintains the de value above 93% even under kinetically unfavorable conditions. This study demonstrates how a detailed understanding of the reaction mechanism can be used for rational protein engineering.

원문링크: https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/cssc.202100944연구 배경P450 효소들은 C-H 결합 산소기능화(oxyfunctionalization)가 가능한 매우 중요한 촉매임. P450 효소들은 촉매작용을 하기 위해서는 환원효소로부터 전자를 받아서 반응 촉매함. 이 때 고가의 조효소(cofactor)인 NADPH와 환원효소가 필요함. 고가의 NADPH/환원효소가 P450 효소의 산업적 활용을 저해함. 고가의 NADPH/환원효소를 대체할 수 있는 촉매시스템이 요구됨.연구 성과 NADPH/환원효소 대신 저가 자연 염료인 감광제 flavin를 사용하는 ‘P450 광-생촉매’ 시스템 개발하였음. 값비싼 조효소/환원효소 없이 빛과 자연 염료인 flavin 만으로 사람 P450 효소반응을 촉매함을 증명하였음 또한 여러 종류의 사람 P450 효소들을 이용한 경우에도 이 플랫폼을 적용할 수 있음을 증명하였음. Flavin은 광반응에 의해 전자를 heme에 직접 전달시킬 수 있는 것을 확인 하였으며, 이러한 광촉매 반응은 4-nitrophenol, chlorzoxazone, statin drugs, estradiol을 기질로 이용하여 여러 human P450들도 동일하게 촉매함을 확인.향후 계획 공동 연구팀은 “광반응에 의해 고가의 조효소/환원효소가 필요없는 P450 및 peroxygenase(UPO) 효소반응 촉매 방법 개발”에 활용 하고자 함. 광반응을 이용한 효소 시스템은 산업적으로 지속적이고 확장 가능한 플랫폼 개발에 활용하고자 함. 산업용 P450 및 peroxygenase(UPO) 효소 개발에 필수적인 in situ hydrogen peroxide generation 시스템 개발에 활용할 계획임.AbstractPhotobiocatalysis is a green platform for driving redox enzymatic reactions using solar energy, not needing high-cost cofactors and redox partners. Here, a visible light-driven whole-cell platform for human cytochrome P450 (CYP) photobiocatalysis was developed using natural flavins as a photosensitizer. Photoexcited flavins mediate NADPH/reductase-free, light-driven biocatalysis by human CYP2E1 both in vitro and in the whole-cell systems. In vitro tests demonstrated that the photobiocatalytic activity of CYP2E1 is dependent on the substrate type, the presence of catalase, and the acid type used as a sacificial electron donor. A protective effect of catalase was found against the inactivation of CYP2E1 heme by H2O2 and the direct transfer of photo-induced electrons to the heme iron not by peroxide shunt. Furthermore, the P450 photobiocatalysis in whole cells containing human CYPs 1A1, 1A2, 1B1, and 3A4 demonstrated the general applicability of the solar-powered, flavin-mediated P450 photobiocatalytic system.

원문링크: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abf7832연구 배경 제 1형 당뇨병의 경우, 췌장의 췌도 세포의 기능 상실 내지는 비활성화로 인해 혈당조절을 하지 못해, 이를 극복하기위해 주기적으로 인슐린 주입을 요하기 때문에 환자 삶의 질이 현저히 떨어지게 된다. 이 경우는 인슐린 주사로 대체가 많은 위험을 내포하고있어, 췌도세포 이식이 시행되고있다. 췌장 베타 세포를 이식하였을 때 세포의 생존율이나 혈액 내에서의 세포 표면코팅의 안정성이 확보되지 않으면 면역세포에 의한 공격으로 세포사멸로 치료효과를 기대하기 어렵다. 알긴산나트륨을 이용한 세포 encapsulation 및 나노필름 기술 등이 도입되고 있으나, 캡슐 두께가 두껍고 및 pore크기가 너무커서 혈당 인식-인슐린 분비가 즉각적이지 못하고, 면역세포에서 분비되는 사이토카인, 항체 등의 공격으로 면역반응 유도에 의한 세포의 사멸 및 세포의 섬유화 등의 위험성을 내재하고 있어 면역 억제제의 계속적인 투여가 현실적인 문제점으로 대두되고있다.연구 성과정전기적 인력을 이용해 티라민(tyramine)으로 수식된 생물 유래 고분자인 글리콜키토산(양전하 당고분자)과 히알루론산(음전하 당고분자)을 차례로 적층하는 방식으로 나노필름을 제작이 쉽게 가능함이 잘 알려져있다. 기존의 고분자 적층방식은 단지 정전기적 인력만을 이용한 적층이라 지속력이 낮은 단점이 있다. 이 단점을 극복하기 위해 고분자에 접합된 티라민을 기질로 사용하고, 가교 속도가 빠른 신규한 방선균 유래 티로시나아제(Streptomyces avermitilis tyrosinase)를 이용하여 적층된 고분자 층 사이를 가교하면 더욱 견고하고 지속력 높은 나노필름을 제작하게된다. 효소 가교가 도입된 최적화된 나노필름의 두께는 6층(L6)으로 이루어진 약 140nm 두께의 하이드로겔로 얇은 두께임에도 물리적 자극에 안정성 유지 및 면역세포의 공격으로부터 세포를 보호하며, 혈당 인식 및 인슐린 분비가 즉각적이었다. 본 연구팀은 쥐의 췌도세포인 MIN6 세포에 상기한 케이징 기술을 적용하고 제 1형 당뇨가 유발된 쥐의 신장에 이식하여 한달 동안의 혈당조절에 성공했다. 가교 기술을 도입하지 않은 그룹과 비교했을 때 가교된 나노필름 그룹에서의 혈당 조절이 월등히 좋은 것을 보아 효소 가교의 우수성을 입증했다. 또한 나노필름 기술은 단일세포 및 세포 덩어리(spheroid)에 모두 적용이 가능하기 때문에, 이종장기 이식이나 줄기세포를 이용한 질병치료에도 적용이 가능할 것으로 예상된다.향후 계획 공동 연구팀은 ‘세포 케이징’기술의 국제특허 출원과 함께 본 세포 코팅 기술을 동종 및 이종 제 1형당뇨병 환자에게 췌도이식을 할 수 있는 병원의 표준 프로토콜로 보급하기위해, 대동물(돼지 및 원숭이)에서의 췌도이식 실험을 통해 안정성과 효용 가능성을 확인하고 전임상실험 및 임상 실험을 거쳐 실용화 연구를 계속하려한다. 이와 같은 기술 개발은 %26lt;바이오 유망기술 글로벌 창업지원사업%26gt;(바이오아이코어 사업단)에 예비창업팀으로 선정되어 실용화 연구에 착수했으며, 앞으로 국내∙외의 이종장기개발 기업 및 세포치료제 개발 기업들과 협력하여 새로운 상품을 개발하고 글로벌제약회사에 기술이전은 물론 협력연구를 진행할 계획이다.abstractPancreatic β cell therapy for type 1 diabetes is limited by low cell survival rate owing to physical stress and aggressive host immune response. In this study, we demonstrate a multilayer hydrogel nanofilm caging strategy capable of protecting cells from high shear stress and reducing immune response by interfering cell-cell interaction. Hydrogel nanofilm is fabricated by monophenol-modified glycol chitosan and hyaluronic acid that cross-link each other to form a nanothin hydrogel film on the cell surface via tyrosinase-mediated reactions. Furthermore, hydrogel nanofilm formation was conducted on mouse β cell spheroids for the islet transplantation application. The cytoprotective effect against physical stress and the immune protective effect were evaluated. Last, caged mouse β cell spheroids were transplanted into the type 1 diabetes mouse model and successfully regulated its blood glucose level. Overall, our enzymatic cross-linking–based hydrogel nanofilm caging method will provide a new platform for clinical applications of cell-based therapies.

원문링크: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemrev.0c01201Research BackgroundThe ground-breaking strategies for enzyme engineering i.e. directed evolution and rational design, have found widespread applications in improvement of inherent activities of proteins. Although many advances have been accomplished by these powerful approaches, the chemical diversity of the functional biopolymers is limited to the 20 canonical amino acids, which limit the functional groups that can be applied to the optimization of enzymes. The sequence space of proteins can be significantly expanded via chemical modification and/or incorporation of non-canonical amino acids (ncAAs). Despite the notable achievements in this area, a comprehensive review that critically evaluates the methodologies of chemical protein modification and ncAA incorporation and their utility in the fields of enzyme engineering and biocatalysis was missing from the literature.Research Outcomes This review offers a comprehensive survey of the literature describing how chemical modifications of proteins and/or the incorporation of non-canonical amino acids can advance our understanding of enzyme catalysis or lead to biocatalysts with augmented properties. The article is divided into three main approaches for modifying protein structure and function: (i) chemical modification of cAAs, (ii) ncAA incorporation, and (iii) chemical modification of incorporated ncAAs. This review provides a unique overview of all recent attempts and ideas to overcome the bottlenecks of traditional approaches and emphasizing important contributions across these areas. It covers the examples of enzyme mechanistic studies, functional enhancement, and creation novel artificial enzymes providing a valuable resource to a broad research community.Future plansWe aim to engineer enzymes for functional enhancement through rational ncAA incorporation, which could not be achieved through traditional enzyme engineering approaches. These studies could be further expanded using a directed evolution approach with ncAAs to optimize enzyme properties in the presence of an expanded amino acid alphabet.AbstractThe two main strategies for enzyme engineering, directed evolution and rational design, have found widespread applications in improving the intrinsic activities of proteins. Although numerous advances have been achieved using these ground-breaking methods, the limited chemical diversity of the biopolymers, restricted to the 20 canonical amino acids, hampers creation of novel enzymes that Nature has never made thus far. To address this, much research has been devoted to expanding the protein sequence space via chemical modifications and/or incorporation of noncanonical amino acids (ncAAs). This review provides a balanced discussion and critical evaluation of the applications, recent advances, and technical breakthroughs in biocatalysis for three approaches: (i) chemical modification of cAAs, (ii) incorporation of ncAAs, and (iii) chemical modification of incorporated ncAAs. Furthermore, the applications of these approaches and the result on the functional properties and mechanistic study of the enzymes are extensively reviewed. We also discuss the design of artificial enzymes and directed evolution strategies for enzymes with ncAAs incorporated. Finally, we discuss the current challenges and future perspectives for biocatalysis using the expanded amino acid alphabet.

원문링크: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960852421002066#!연구배경글리세롤로부터 3-hydroxypropionic acid (3-HP)를 효율적으로 생산하려면 조효소인 비타민 B12를 자체적으로 생산하는 균주를 사용하는 것이 필요한데 이를 위해 Pseudomonas denitrificans 가 사용되었다. 그러나 이 균주는 포도당을 기질로 자라지 못하고 대신 가격이 비싼 glutamic acid나 gluconic acid를 기질로 자라는 단점이 있다.연구성과포도당을 기질로 잘 자라면서 동시에 비타민 B12를 잘 생산하는 균주를 자연환경에서 스크리닝하여 얻고 유전체 분석을 통해 P. putida와 99% 이상 유사성을 갖는 P. asiatica로 동정하였다. 3-HP 생산경로의 도입, 분해 경로의 제거, 글리세롤 흡수속도의 증가, PDO 등 경쟁경로의 제거, 탄소저해 현상 제거 등을 통해 70 g/L이상의 3-HP 생산이 가능한 균주를 확보하였다. 향후계획P. asiatica를 대상으로 핵심효소 유전자 발현에 필요한 합성생물학 tool box의 개발이 진행되고 있다. AbstractPseudomonas asiatica C1, which could grow on glucose and aerobically synthesize coenzyme B12, was isolated and developed as a microbial cell factory for the production of 3-hydroxypropionic acid (3-HP) from glycerol. Three heterologous enzymes, glycerol dehydratase (GDHt), GDHt reactivase (GdrAB) and aldehyde dehydrogenase (ALDH), constituting the 3-HP synthesis pathway, were introduced, and three putative dehydrogenases, responsible for 3-HP degradation, were disrupted. In addition, the transcriptional repressor glpR and the glycerol kinase glpK were removed to increase glycerol import while eliminating the catabolic use of glycerol. Furthermore, the global regulatory protein encoded by crc and several putative oxidoreductases (PDORs) were disrupted. One resulting strain, when grown on glucose, could produce 3-HP at ~ 700 mM in 48 h in a fed-batch bioreactor experiment, with the molar yield 〉0.99 on glycerol without much by-products. This study demonstrates that P. asiatica C1 is a promising host for production of 3-HP from glycerol.

원문링크: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.202012658Research BackgroundBiocatalysis is emerging as a valuable and efficient alternative to traditional organo- and chemo-catalytic approaches used in synthesis. Multi-enzymatic, atom-efficient reactions have gained a surge in interest, owing to their potential for producing environmentally benign chemicals and pharmaceuticals. An important challenge for the developing such integrated catalytic systems is access to highly specific catalysts, which can be conveniently combined in complex reaction networks, and operate under the same reaction conditions.Research OutcomesHerein, we have reported a highly atom-efficient integrated cofactor/co-product recycling cascade employing cycloalkylamines as multifaceted starting materials for the synthesis of nylon building blocks. The reactions using E. coli whole cells as well as purified enzymes produced excellent conversions ranging from 〉80 and 95% into desired ω-amino acids, respectively with varying substrate concentrations. The applicability of this tandem biocatalytic cascade was demonstrated to produce the corresponding lactams by employing engineered biocatalysts (75% conversion from 10 mM cyclohexylamine by employing whole-cell biocatalysts).Future plansThis highly atom efficient one-pot biocatalytic route paves the way for expanding a toolbox of recycling cascades to obtain versatile polymer building blocks. Currently we are working on the synthesis of short-carbon chain ω-amino alcohols and α, ω- diamines using this recycling cascade. Since, the whole-cell biocatalysts are more robust with respect to handling at industrial level, the development of suitable whole-cell system with desired expression of each biocatalyst would be highly desirable in the future.AbstractWe report a highly atom-efficient integrated cofactor/co-product recycling cascade employing cycloalkylamines as multifaceted starting materials for the synthesis of nylon building blocks. Reactions using E. coli whole cells as well as purified enzymes produced excellent conversions ranging from 〉80 and 95 % into desired ω-amino acids, respectively with varying substrate concentrations. The applicability of this tandem biocatalytic cascade was demonstrated to produce the corresponding lactams by employing engineered biocatalysts. For instance, ϵ-caprolactam, a valuable polymer building block was synthesized with 75 % conversion from 10 mM cyclohexylamine by employing whole-cell biocatalysts. This cascade could be an alternative for bio-based production of ω-amino acids and corresponding lactam compounds.

원문링크: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssuschemeng.0c04793연구 배경 Specialized proresolving mediators (SPMs)은 감염 및 조직 손상에 반응하는 인간의 M2 대식세포의 세포간 반응에 의하여 생성됩니다. 종류에는 리폭신, 레졸빈, 프로텍틴, 마레신 등이 있습니다. 이러한 물질들은 우수한 기능성을 갖기에 염증과 감염을 치료하는 주요 화합물로 주목받고 있습니다. 현재에 이르러 SPM은 화학적 방법을 이용하여 합성되어지는데 20-30단계를 포함하는 고가의 공정과 중금속 및 발암물질이 유발된다는 단점을 가지며, 세포 반응에 의한 SPM합성은 염증반응 동안 미량으로 생산되기에 대량생산으로 적합하지 않습니다. 또한 SPM 합성에 관여하는 포유류 효소의 활성은 현저히 낮고, 포유류의 효소는 숙주세포를 필요로 하기에 고가의 배지사용과 생산규모의 확대가 어렵습니다. 연구 성과 처음으로 발견된 SPM 생합성 박테리아 Archangium violaceum에서 이중 산소화를 통해 poly-unsaturated fatty acids를 SPM을 포함한 dihydroxy fatty acids (DiHFA)로 전환하는 것을 촉매하는 LOX를 확인했습니다. 이 효소는 DiHFA(5,15-DiHETE, 5,15-DiHEPE) 및 SPM (resolvin D5, resolvin D5n-3)의 합성을 가능하게 하였으며, 효소에 site directed mutagenesis를 사용하여 고유한 위치특이성을 변경하여 다양한 DiHFA(5,12-DiHETE, 5,12-DiHEPE) 및 SPM 유사체 (Epimer of MaR1, Epimer of MaR1n-3)를 합성하였습니다. 더불어 LOX를 사용하여 SPM을 포함하여 PUFA를 DiHFA로 정량적 생물학적 변환을 수행했습니다. 이에 효율적이고 친환경적인 생합성 공법을 green route로 구축하여 화학적 합성에 의한 환경오염을 극복하였습니다.향후 계획 연구팀은 새롭게 발견한 효소를 이용하여 C18-PUFA를 기질로 다양한 plant oxylipin도 합성하고자 해당 실험을 진행 중이며, 기존과는 다른 대량 규모의 생산을 이끌고자 fermentation을 접목시켜 antifungal activity를 갖는 trihydroxy fatty acid의 생합성 연구를 계속하려 합니다. 또한 이러한 물질의 친환경적으로 생합성하기 위해 시작 기질을 natural oil로부터 시작하여 더 친환경적이고 경제적인 생합성을 이끌고자 계속해서 연구를 진행할 계획입니다.AbstractSpecialized proresolving mediators (SPMs), such as resolvins and maresins, resolve inflammation and protect against infection at trace amounts generated by neutrophils and macrophages in humans. Thus, SPMs have been leading compounds in treatment of inflammation and infection. These mediators have been synthesized using chemical methods, which have disadvantages such as use of toxic chemical reagents, many (20–30) step reactions, and expensive processes. Here, we first discovered a human SPM-producing microorganism and found a 15-lipoxygenase (15-LOX) from the microorganism that produces SPMs via double oxygenation from polyunsaturated fatty acids. The 15-LOX was altered to 12-LOX using structure-based engineering. We performed the quantitative biocatalytic synthesis of SPMs by wild-type 15-LOX and engineered 12-LOX. Owing to the high double-oxygenating activities of LOXs, we succeeded in the one-enzyme biotransformation of docosahexaenoic acid and docosapentaenoic acid into the SPM resolvin D5 (RvD5, 7S,17S-dihydroxydocosahexaenoic acid) and RvD5n–3 DPA (7S,17S-dihydroxydocosapentaenoic acid) (40% conversion), respectively, by Escherichia coli expressing wild-type 15-LOX and into the 7S-epimer of maresin (MaR) 1 (7S,14S-dihydroxydocosahexaenoic acid) and 7S-epimer of MaR1n–3 DPA (7S,14S-dihydroxydocosapentaenoic acid) (20% conversion), respectively, by E. coli expressing engineered 12-LOX. Our study contributes to the environmentally friendly synthesis of medicinally important SPMs.

원문링크: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960852420316369연구배경아세트산은 CO2, CO, H2 등 지구온난화와 관련된 가스로부터 생산될 가능성 때문에 탄소중립과 지구온난화 방지 등을 위해 적합한 미래의 탄소원으로 주목받고 있다. 한편 3-hydroxypropionic acid (3-HP)는 생분해성 고분자나 아크릴산 등의 생산에 중요한 화합물로 생물학적 생산이 화학적 생산보다 유리한 물질이다. 그러나 아세트산의 이용 당위성에 비해 독성 등으로 인해 생물학적 이용은 쉽지 않다. 연구성과대장균의 대사경로 개량을 통해 균체성장과 3-HP 생산을 분리하는 2단계 공정이 가능한 균주를 개발하고 아세트산을 원료로 7 g/L, 0.26 mol/mol (이론 수율의 50%) 수준의 3-HP 생산을 달성하였다. 그러나 Pseudomonas denitrificans의 경우와 같이 acetyl-CoA node 에서 3-HP 탄소골격의 생산과 에너지의 균형생산이 어려웠고 특히 TCA cycle의 효율적 이용이 어려웠다. 또한 균주의 활성을 유지하면서 지방산 생산과 3-HP 생합성의 균형을 유지하는 것도 큰 난제이었다. (그림: 균주 개발 전략)향후계획고농도, 고효율 생산을 위해 관련 대사경로에서 탄소흐름의 최적화, 효소 활성의 향상, 균주의 사용 등을 조사하고 있다. 또한 아세트산을 원료로 3-HP 보다 더 생산이 용이한 다른 대사산물의 생산도 조사하고 있다.AbstractAcetate can be used as carbon feedstock for the production of 3-hydroxypropionic acid (3-HP), but the production level was low due to inefficient cell growth on acetate. To better utilize acetate, a two-stage strategy, whereby glucose is used for cell growth and acetate for 3-HP formation, was attempted. Dissected malonyl-CoA reductase of Chloroflexus aurantiacus, alone or along with acetyl-CoA carboxylase and/or transhydrogenase, was overexpressed, and by-products formation pathway, glyoxylate shunt (GS) and gluconeogenesis were modified. When GS or gluconeogenesis was disrupted, cell growth on glucose was not hampered, while on acetate it was completely abolished. Consequently, 3-HP production, at production stage, were low, though 3-HP yield on acetate was increased, especially in the case of aceA deletion. In two-stage bioreactor, strain with upregulated GS produced 7.3 g/L 3-HP with yield of 0.26 mol/mol acetate. This study suggests that two-stage cultivation is a good strategy for 3-HP production from acetate.

원문링크: https://www.nature.com/articles/s41467-020-16099-7연구 배경Chiral secondary fatty alcohols는 정밀화학 소재로 의약품 등의 고부가 제품 합성/개발에 널리 활용되고 있으나 화학적인 방법으로는 고수율, 고순도로 생산하기가 상당히 어려움. 연구 성과지방산에 하이드록실 기를 위치 특이적으로 도입하는 지방산 이중결합 수화효소 (fatty acid double bond hydratase)와 지방산 다이올 합성 효소 (fatty acid diol synthase) 등을 활용하여 광학활성도가 우수한 하이드록시 지방산을 합성하고, 여기에 Photoactivated decarboxylase를 반응시켜 하이드록시 지방산의 카르복실기를 제거하여 Chiral secondary fatty alcohols를 고수율, 고순도로 생산하는 친환경 합성법을 개발하였음. 향후 계획지방산 수화효소와 지방산 다이올 합성 효소의 활성은 매우 우수하나 Photoactivated decarboxylase의 반응 활성과 안정성이 낮은 편이어서 Photoactivated decarboxylase의 반응 활성과 안정성을 향상시키기 위한 효소 구조 재설계 연구를 수행할 예정임. AbstractEn route to a bio-based chemical industry, the conversion of fatty acids into building blocks is of particular interest. Enzymatic routes, occurring under mild conditions and excelling by intrinsic selectivity, are particularly attractive. Here we report photoenzymatic cascade reactions to transform unsaturated fatty acids into enantiomerically pure secondary fatty alcohols. In a first step the C=C-double bond is stereoselectively hydrated using oleate hydratases from Lactobacillus reuteri or Stenotrophomonas maltophilia. Also, dihydroxylation mediated by the 5,8-diol synthase from Aspergillus nidulans is demonstrated. The second step comprises decarboxylation of the intermediate hydroxy acids by the photoactivated decarboxylase from Chlorella variabilis NC64A. A broad range of (poly)unsaturated fatty acids can be transformed into enantiomerically pure fatty alcohols in a simple one-pot approach.