유도적 돌연변이 유발 방법을 통한 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate 에 대해 내성을 갖는 돌연변이 효모 선별
이유진, 권덕호, 박재범, 하석진*
강원대학교생물공학과
Received: February 23, 2016 / Revised: March 21, 2017 / Accepted: March 21, 2017
서 론
에너지수요의빠른증가와화석연료사용으로인한지구 온난화로친환경적이며
,
재생가능한대체에너지를필요로 한다.
차세대청정에너지로각광받고있는바이오에너지중 에서가장널리이용되는바이오에탄올의생산은미국과브라질에서
90%
이상생산하고있다.
하지만이러한바이오에탄올의생산원료는옥수수또는사탕수수와같은식량자 원이이용되기때문에식량문제와곡물가격상승에대한새 로운문제를야기하고있다
[1
−4].
이러한문제를해결하고자 식량자원이아닌폐목재,
나무등비식용바이오매스인제2
세대목질계바이오매스에대한연구가많이진행되고있다
[2, 5].
목질계 바이오 매스는cellulose, hemicellulose,
lignin
으로구성되어있으며[6, 7],
그중cellulose
와hemi-
cellulose
는미생물발효에사용될수있는단당류로가수분해될수있는기질이기때문에대체에너지원으로서주목
을받고있다
[7, 8].
목질계바이오매스를효과적으로이용하기위해서
cellulose
를둘러싸고있는lignin
을제거하는전처리 과정이 필요하다
[9].
다양한 전처리 방법들 중ionic
liquid
는양이온과음이온의이온결합으로이루어진이온성염화합물이며비폭발성
,
낮은휘발성과열적안정성외에도 효소의우수한반응성,
선택성,
안정성등의장점으로인해목질계바이오매스전처리에주로사용된다
[5, 10, 11].
Ionic liquid
는cellulose
를용해시킬수있다고이전에증명된바있으며
[12],
산이나암모니아를사용하는기존의방법보다
ionic liquid
를이용한전처리가더효과적이라고알려져있다
[13].
또한ionic liquid
처리된cellulose
의경우미 처리된것보다결정체가적기때문에분해효소인cellulase
와쉽게반응할수있다
[14, 15].
특히다른전처리과정에서생성되는발효저해물질
(furfural
또는hydroxymethylfurfural) Isolation of Mutant Yeast Strains having Resistance to 1-ethyl-3-methylimidazolium Acetate through a Directed Evolutionary Approach
Yoo-Jin Lee, Deok-Ho Kwon, Jae-Bum Park, and Suk-Jin Ha*
Department of Bioengineering and Technology, Kangwon National University, Chuncheon 24341, Republic of Korea
Cellulosic biomass is a renewable source for biofuel production from non-edible biomass. An optimized pretreatment process is required for the efficient utilization of cellulosic biomass. Among various pretreatment processes, the use of ionic liquids has been reported recently. However, the residual ionic liquid after pretreatment acts as an inhibitor of microbial fermentation. Recently, we isolated mutant Saccharomyces cerevisiae strains resistant to the ionic liquid 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate ([EMIM][Ac]) by using a directed evolutionary approach. When 3% [EMIM][Ac] was added to a medium containing 80 g/l of glucose, mutants D452-B2 and D452-S3 produced 35.6 g/l and 36.3 g/l of ethanol, respectively, for 18 h while the parental strain ( S. cerevisiae D452-2) produced 1.3 g/l of ethanol. Thus, these mutant S. cerevisiae strains might prove advantageous when ionic liquids are used for biofuel production from cellulosic biomass.
Keywords: Cellulosic biomass, ionic liquid, tolerance, yeast
*Corresponding author
Tel: +82-33-250-6278, Fax: +82-33-243-6350 E-mail: [email protected]
© 2017, The Korean Society for Microbiology and Biotechnology
이생성되지않는다는점에서크게주목할수있다
.
하지만ionic liquid
를구성하는양이온에서치환된알킬기수뿐만아니라알킬체인길이에따라다양한독성영향이나타난다 는결과가밝혀져있다
[16
−19]. Ionic liquid
의목질계바이 오매스전처리효과는매우뛰어나지만전처리이후에100%
회수되지않고
,
잔존하는ionic liquid (0.2
−5% w/w)
의독성 이미생물균주의생육에나쁜영향을미쳐에탄올발효의 수율및생산성을저해한다[17, 20, 21].
따라서본연구의목적은 다양한
ionic liquid
중에서1- ethyl-3-methylimidazolium acetate ([EMIM][Ac])
에 대한 내성이증가된돌연변이효모균주를개발하는데있다.
유도 적돌연변이유발방법(directed evolutionary approach)
을 통해돌연변이를유발하여[EMIM][Ac]
에대한내성이증가 된돌연변이균주를선별하였으며최종적으로[EMIM][Ac]
가포함된배지에서효과적인에탄올생산능력을비교하였다
.
재료 및 방법
실험재료
Yeast extract, bacto peptone, agar
는Becton, Dickinson and Company (USA)
로부터구매하였다. Glucose
는대정화금(Korea)
에서구매하였다. 1-Ethyl-3-methylimidazolium acetate ([EMIM][Ac])
는C-TRI (Korea)
에서구매하였다.
실험에 사용된 균주 및 발효조건
본배양을위하여사용된균주는
Saccharomyces cerevisiae D452-2
이며,
전배양에사용된배지는YPD
20(yeast extract 10 g/l, peptone 20 g/l, glucose 20 g/l)
이다. Ionic liquid
에 대한내성을확인하기위해250 ml flask
에[EMIM][Ac]
를5%
농도로 첨가한50 ml
의YPD
80(yeast extract 10 g/l, peptone 20 g/l, glucose 80 g/l)
배지에접종하여30
℃그리 고150 rpm
조건에서발효를진행하였다.
유도적 돌연변이 유발 방법(Directed evolutionary approach)
S. cerevisiae D452-2
균주를이용하여5% [EMIM][Ac]
가 포함된배지에서유도적돌연변이유발실험을수행하였다.
유도적돌연변이유발에사용된배지는
5% [EMIM][Ac]
와80 g/l
의glucose
가 포함된YPD
80 배지이며 초기 흡광도(OD
600)
가1
이되도록접종하여30
℃그리고150 rpm
에서 배양하였다.
그후glucose
가모두소비되어 잔여농도가0 g/l
일때5% [EMIM][Ac]
와80 g/l
의glucose
가첨가된새 로운YPD
80 배지에배양액의1%
를접종하는방법으로유도 적돌연변이유발을진행하였으며이과정을약70
여일간8
차례에걸쳐수행하였다.
[EMIM][Ac]
에 대한 내성이 향상된 돌연변이 균주 선별 유도적돌연변이유발방법을통해얻어진제7
차배양액 을5%
의[EMIM][Ac]
가첨가된YPD
20고체배지에단계적으 로희석하여도말한후30
℃에서약10
일간배양하여단일colony
를확보하였다.
그후colony
의크기별로구분하여5%
[EMIM][Ac]
와80 g/l
의glucose
가포함된YPD
80 배지에초 기OD
가1.0(A
600nm)
이 되도록 접종한 후30
℃ 그리고150 rpm
조건으로배양을진행하여비교하였다.
최종적으로glucose
소비속도와ethanol
생산량이높은균주를선별하 였다.
분석방법
발효과정의 세포성장은
UV-visible spectrophotometer (Biomate 5, Thermo, USA)
로600 nm
에서흡광도를측정하 여분석하였다.
다양한대사산물(glucose, acetate, glycerol, ethanol)
의 분석은HPLC (HPLC 1200 Series, Agilent Technologies, USA)
를 이용하였다.
분석용 컬럼은Rezex ROA-Organic Acid H
+column (Phenomenex, USA)
을 사 용하였으며refractive index detector (RID)
를이용하여측 정하였다. Column
과detector
의온도는각각50
℃이고,
이 동상은0.005 N
황산용액을0.6 ml/min
의유속으로사용하 였다.
결과 및 고찰
S. cerevisiae D452-2 균주의 유도적 돌연변이 유발 실험 바이오매스로부터에탄올을생산하기위해주로사용되는 효모인
S. cerevisiae
를이용하여[EMIM][Ac]
에내성을가 진돌연변이효모균주를선별하기위한실험을진행하였 다. S. cerevisiae D452-2
를YPD
20배지에전배양한후5%
[EMIM][Ac]
이첨가된YPD
80배지에초기OD (A
600nm)
가1.0
이되도록접종한후유도적돌연변이유발방법을수행하 였다.
배양중에glucose
농도가초기80 g/l
에서0
−1 g/l
정 도로낮아지면5% [EMIM][Ac]
가포함된새로운YPD
80배 지에배양액의1%
를다시접종하였다.
유도적돌연변이유 발실험의제1
차배양과2
차배양에서는80 g/l
의glucose
를10
일동안소비하였으며균체의성장이매우저조하여최종OD (A
600nm)
가0.9
또는0.96
정도였으나3
차배양부터균 체의성장이증가하여10
일동안OD (A
600nm)
가2.98
까지 증가하였다(Fig. 1). 4
차배양부터는glucose
소비속도와균 체의성장속도가함께증가하기시작하여7
차배양결과4
일 동안80 g/l
의glucose
를모두소비하였으며, OD (A
600nm)
는6.07
까지증가하였고, 36.34 g/l
의에탄올이생산되었다.
8
차례에걸쳐5% [EMIM][Ac]
가첨가된YPD
80배지에유도적돌연변이유발방법을수행한결과
glucose
소비속도,
균 체의성장속도,
에탄올생산속도등이각각9.71
배, 15.86
배, 11.2
배증가되었음을확인하였다.
[EMIM][Ac]
에 대한 내성이 증가된 돌연변이 균주 선별유도적돌연변이유발실험이후
[EMIM][Ac]
에대한내성이증가된돌연변이균주를선별하기위해
5% [EMIM][Ac]
와
20 g/l
의glucose
가포함된YPD
20고체배지에도말하여30
℃에서약10
일간배양하였다.
고체배지에배양한결과colony
의크기가균일하지않고다양하게분포되어있는것을확인하였으며각각의크기별로크기가큰
colony
와작은colony
로구분하여선별하였다.
선별된균주들의[EMIM][Ac]
에대한내성을확인하기위해크기가큰
colony 4
종류(B1,
B2, B3, and B4)
와크기가작은colony 4
종류(S1, S2, S3, and S4)
를5% [EMIM][Ac]
가포함된YPD
80 배지에접종하 여각각의균주들의균체성장과ethanol
의생산수율그리 고 생산성을 비교하였다(Table 1).
배양 결과 크기가 큰colony 4
종류 모두 속도의 차이가 있기는 하지만5%
[EMIM][Ac]
에크게저해를받지않고균체성장을이루었으며
, glucose
를효과적으로ethanol
로전환시켰다.
그중B2
균주의경우엔배양28
시간이내에80 g/l
의glucose
를모두 소비하여2.6 g· l
-1·h
-1의가장높은glucose
소비속도를보였 으며,
이때32.5 g/l
의ethanol
를생산하였고균체의성장은OD (A
600nm)
가7.1
이였다.
크기가작은colony 4
종류역시 속도의 차이가 있기는 하지만 배양 결과 모두5%
[EMIM][Ac]
에크게저해를받지않았다.
배양28
시간동안S3
균주의경우glucose
소비속도는2.6 g· l
-1·h
-1로가장높았 으며, 31.7 g/l
의ethanol
을생산하였고,
균체의성장은OD (A
600nm)
가6.6
이였다.
고체배지에서의크기가큰colony
와 작은colony
의크기에따른glucose
소비속도와ethanol
생 산량에는 모두 뚜렷한 경향을 나타내지 않았다.
따라서glucose
소비속도가가장빠르고, ethanol
생산량이가장높 은B2
균주와S3
균주를 각각최종적으로 선별하고각각D452-B2
와D452-S3
로명명하였으며이후추가실험을진행하였다
.
B2 균주와 S3 균주의 발효 결과 비교
선별된돌연변이균주의
[EMIM][Ac]
에대한내성을모균주
(S. cerevisiae D452-2)
와 비교하기 위하여D452-B2
와D452-S3
그리고모균주를3% [EMIM][Ac]
가추가된YPD
80배지와
[EMIM][Ac]
가추가되지않은YPD
80 배지에각각접 종하여발효를진행하여비교하였다. 5%
의[EMIM][Ac]
조 건에서는모균주의성장속도와glucose
소비속도가크게낮아져돌연변이균주와비교하기어려워
[EMIM][Ac]
농도를Fig. 1. The specific growth rates of S. cerevisiae D452-2 increased drastically through a directed evolutionary approach using YPD
80medium containing 5% of [EMIM][Ac].
Table 1. Evaluation of the parental strain D452-2, mutant B1, B2, B3, B4, S1, S2, S3, and S4 strains using YPD
80medium con- taining 5% of [EMIM][Ac].
Strains
Glucose consumption rate
(g·l
-1·h
-1)
Final optical density (A
600nm)
Specific growth rate (h
-1)
Ethanol production
(g/l)
Ethanol productivity
(g·l
-1·h
-1)
Ethanol yield (g/g) D452-2 0.28 ± 0.01 2.91 ± 0.13 0.03 ± 0.00 1.33 ± 0.15 0.05 ± 0.01 0.17 ± 0.02
B1 1.91 ± 0.02 7.54 ± 0.11 0.06 ± 0.00 21.07 ± 1.57 0.75 ± 0.06 0.39 ± 0.03
B2 2.63 ± 0.07 7.16 ± 0.21 0.08 ± 0.00 32.45 ± 1.47 1.16 ± 0.05 0.44 ± 0.01
B3 2.47 ± 0.05 7.38 ± 0.01 0.07 ± 0.00 30.46 ± 0.25 1.09 ± 0.01 0.44 ± 0.01
B4 1.62 ± 0.04 7.53 ± 0.31 0.06 ± 0.00 19.94 ± 0.03 0.71 ± 0.00 0.44 ± 0.01
S1 1.44 ± 0.05 6.92 ± 0.01 0.05 ± 0.00 17.58 ± 1.11 0.63 ± 0.04 0.44 ± 0.01
S2 1.56 ± 0.12 7.13 ± 0.51 0.05 ± 0.00 19.21 ± 1.27 0.69 ± 0.05 0.44 ± 0.00
S3 2.55 ± 0.06 6.91 ± 0.36 0.07 ± 0.00 31.74 ± 0.60 1.13 ± 0.02 0.44 ± 0.00
S4 2.40 ± 0.00 7.29 ± 0.22 0.07 ± 0.00 30.00 ± 0.06 1.07 ± 0.00 0.45 ± 0.00
3%
로조정하여비교실험을수행하였다. [EMIM][Ac]
가포 함된YPD
80 배지를이용하여30
℃와150 rpm
조건으로발효를 진행한 결과 발효
18
시간 동안 모균주는11.0 g/l
의glucose
를소비하고,
균체의성장은OD (A
600nm)
가4.5
이 었으며1.3 g/l
의낮은ethanol
생산량을보였다(Fig. 2A).
이 때에탄올의수율과생산성은각각0.1 g/g
과0.1 g· l
-1·h
-1였 다.
하지만모균주와달리돌연변이균주D452-B2
와D452- S3
는같은시간동안에각각80.1 g/l
와79.7 g/l
의glucose
를 소비하였고,
균체의 성장은OD (A
600nm)
가각각11.1
과11.3
이며, ethanol
생산량은각각35.6 g/l
와36.3 g/l
이었다(Fig. 2B, C).
이때의에탄올의수율과생산성은각각0.44 g/
g
과0.46 g/g
그리고1.9 g· l
-1·h
-1과2.0 g· l
-1·h
-1이었다.
모균주는
3% [EMIM][Ac]
에대해심하게저해를받아균체의성장이크게감소하였으며에탄올의생산도매우낮았으나돌 연변이균주
D452-B2
와D452-S3
는효과적으로glucose
를 소비하여에탄올을생산하였다. D452-B2
와D452-S3
균주 의에탄올수율은모균주와비교하여각각2.89
배와2.99
배증 가하였으며생산성은27.41
배와27.98
배로매우크게증가하 였다.
유도적돌연변이유발실험중에발생하는의도치않은다 른대사과정의변화를확인하기위해
D452-B2
와D452-S3
그리고모균주를[EMIM][Ac]
가추가되지않은YPD
80배지를이용하여
30
℃와150 rpm
조건에서발효를진행하여그결과를 비교하였다
(Table 2).
모균주는 발효12
시간 만에80 g/l
의glucose
를모두소비하며31.6 g/l
의ethanol
을생산하였다
.
이때의에탄올수율과생산성은각각0.4 g/g
와2.6 g· l
-1·h
-1이었다.
하지만[EMIM][Ac]
에내성이증가된돌 연변이균주D452-B2
와D452-S3
균주는각각12
시간동안 에54.1 g/l
와58.4 g/l
의glucose
를소비하였고, 25.7 g/l
와27.6 g/l
의ethanol
생산을보였다.
돌연변이균주D452-B2
와D452-S3
는[EMIM][Ac]
에내성이증가된 반면[EMIM]
[Ac]
이 첨가되지 않은 일반YPD
80 배지에서는 오히려glucose
의소비속도가모균주에비해각각33%
그리고28%
감소하였음을확인하였다
.
또한균체의성장과에탄올의생 산량도38
−42%
와13
−18%
감소하였다.
그로인해D452-B2
와D452-S3
균주의경우에탄올생산성은13
−18%
가량감 소하였으나반면에낮은균체의성장으로인해수율은약22%
가량증가하였다.
유도적돌연변이유발실험에의해D452-B2
와D452-S3
균주의[EMIM][Ac]
에대한내성은증 가하였으나일반YPD
80배지에서의오히려glucose
소비속 도가현저히낮아지는결과를확인하였다.
유도적돌연변이 유발실험과정에서예상하지못하는다양한돌연변이가발 생했을것으로예상되며그로인해이러한결과가나타났을 것으로사료된다.
다양한
ionic liquid
에내성을보인효모들을선별하기위한연구가진행되었으며
,
그결과Clavispora, Debaryomyces, Galactomyces, Hyphopichia, Kazachstania, Meyerozyma, Fig. 2. Comparisons of the parental strain ( S. cerevisiae D452-
2) (A) with mutant strains D452-B2 (B) and D452-S3 (C) using YPD
80medium containing 3% of [EMIM][Ac]. Symbols:
glucose (
●), OD
600(
▲) and ethanol (
○).
Naumovozyma, Wickerhamomyces, Yarrowia, Zygoascus
속들은[EMIM]][Ac]
의농도최대5%
까지저해를받지않는 다고밝혀졌다[20, 21].
특히대표적인효모인S. cerevisiae
는1-ethyl-3-methylimidazolium chloride([EMIM][Cl])
는 최대200 mM (2.93%), [EMIM][Ac]
는100 mM (1.7%)
까지 내성을보인것으로확인되었다[20, 22].
최근에는chemical genomics-guided biodesign
이라는방법을통해PTK2
유전 자가 결여된S. cerevisiae Y133-IIL
균주의 경우1%
의1- butyl-3-methylimidazolium chloride ([BMIM][Cl])
조건에 서효과적으로glucose
와xylose
를에탄올로전환시킨다고 보고되었다[23].
본연구를통해 선별된돌연변이균주S.
cerevisiae D452-B2
와D452-S3
는이들결과와비교해도크 게뒤쳐지지않는다는것을확인할수있었다.
요 약
목질계바이오매스전처리에사용되는
ionic liquid
는전처리후
100%
회수되지않아잔존하는ionic liquid
의독성 이직접적으로미생물균주의생육에나쁜영향을미쳐에 탄올발효의수율및생산성을저해하는문제를가지고있 다.
본연구에서는ionic liquid
에저해를받지않으며높은ethanol
생산효율을가진균주를얻고자유도적돌연변이유발실험을진행하였다