Metabolic engeenering of Corynebacterium glutamicum for the production of beta-carotene from xylose and arabinose as carbon sources
- 주제(키워드) C. glutamicum , beta-carotene , xylose , arabinose
- 주제(DDC) 547
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 이평천
- 발행년도 2025
- 학위수여년월 2025. 8
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 분자과학기술학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000034940
- 본문언어 영어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
Lignocellulosic biomass is a globally abundant and renewable raw material offering a sustainable source of sugars, such as arabinose and xylose, upon hydrolysis. Efficient utilization of these sugars is key to improving downcycling processes, which convert biomass into value-added products. However, achieving high-efficiency conversion remains challenging because of limitations in microbial uptake and metabolic processing of pentoses such as xylose. In this study, we engineered Corynebacterium glutamicum to enhance its capacity for xylose utilization and improve the production of β- carotene, a high-value carotenoid. To optimize xylose uptake, we evaluated several xylose isomerase and xylulokinase genes from different sources. Among these, the xylA gene from Escherichia coli MG1655, combined with the native xylB gene in C. glutamicum, significantly improved xylose metabolism, achieving a specific growth rate of 0.100 h⁻¹. The strain carrying the arabinose operon exhibited a specific growth rate of 0.08 h⁻¹ Moreover, competing pathways that divert metabolic flux away from the desired product were removed, which increased the availability of pyruvate, a crucial precursor for β-carotene biosynthesis. To improve redox balance, Escherichia coli-derived pntAB genes were expressed via a plasmid, achieving a product yield of 50.358 mg/L, which represented a 1.18-fold increase compared to the control strain With these genetic modifications, cultivation of the engineered strains BX3, BA, and BAX2 in CGXII medium led to the determination of the following β- carotene yields: 34 mg/L from 20 g/L xylose, 28 mg/L from 20 g/L arabinose, and 26.9 mg/L from a 10 g/L mixture of xylose and arabinose. This value was significantly higher than those produced by wild-type strains, which show limited xylose utilization and low product yields. Our findings underscore the potential of metabolic engineering to harness renewable biomass resources for the biosynthesis of valuable compounds such as lycopene. Future studies will focus on further optimizing pathway flux and scaling up production for industrial applications.
more초록/요약
리그노셀룰로오스 생물질은 전 세계적으로 풍부하고 재생 가능한 원료로, 수화 분해 시 아라비노스 및 xylose 와 같은 당분의 지속 가능한 공급원을 제공합니다. 이 당류의 효율적인 활용은 바이오매스를 고부가가치 제품으로 전환하는 다운사이클링 공정 개선에 핵심적입니다. 그러나 킬로스와 같은 펜토스 당의 미생물 흡수 및 대사 처리 한계로 인해 고효율 전환을 달성하는 것은 여전히 도전 과제입니다. 본 연구에서는 Corynebacterium glutamicum 을 공학적으로 개량하여 킬로스 활용 능력을 향상시키고 고부가가치 카로티노이드인 β-카로틴 생산을 개선했습니다. xylose 흡수를 최적화하기 위해 다양한 출처의 xylose 이소메라제 및 xylulokinase 유전자를 평가했습니다. 이 중 Escherichia coli MG1655 의 xylA 유전자와 C. glutamicum 의 원천 xylB 유전자를 결합한 조합은 xylose 대사 효율을 크게 향상시켜 특정 성장 속도 0.100 h⁻¹를 달성했습니다. 아라비노스 오페론(arabinose operon)을 보유한 균주는 특정 성장 속도 0.08 h⁻¹을 나타냈습니다. 또한, 목표 제품으로의 대사 흐름을 방해하는 경쟁 경로를 제거함으로써, β-카로틴 생합성에 필수적인 전구체인 피루 vate 의 가용성이 증가했습니다. 환원산화 균형을 개선하기 위해 Escherichia coli 유래 pntAB 유전자를 플라스미드를 통해 발현시켰으며, 제품 수율은 50.358 mg/L 로, 대조주 대비 1.18 배 증가했습니다. 이러한 유전적 개량을 통해 Cgx2 배지에서 공학적으로 개량된 균주 BX3, BA, 및 BAX2 를 배양한 결과, 다음과 같은 β-카로틴 수율이 측정되었습니다: 20 g/L의 xylose에서 34 mg/L, 20 g/L의 arabinose 에서 28 mg/L, 그리고 xylose 와 arabinose 의 10 g/L 혼합물에서 26.9 mg/L 입니다. 이 값은 xylose 이용 효율이 낮고 제품 수율이 낮은 야생형 균주에 비해 현저히 높았습니다. 본 연구 결과는 대사공학을 통해 리코펜과 같은 가치 있는 화합물의 생합성에 재생 가능한 생물자원을 활용할 수 있는 잠재력을 강조합니다. 향후 연구는 산업적 응용을 위해 경로 유동성 최적화와 생산 규모 확대에 초점을 맞출 것입니다.
more목차
1. Introduction 1
2. Materials and Methods. 6
2.1 Strains and culture conditions 6
2.2 Construction of plasmids for the expression and integration 6
2.3 Transformation. 7
2.4 Genomic engineering. 8
2.5 HPLC-RID analysis 8
2.6 Analysis method of xylose and arabinose consumption rate and cell growth 8
2.7 Extraction carotenoids 9
2.8 Spectrophotometric determination of β-carotene. 9
2.9 HPLC-DAD analysis 10
3.Results. 15
3.1 Comparative analysis of xylA genes from different sources 15
3.2 Chromosomal integration of the xylAEc–xylBCg cassette enables efficient xylose conversion to β-carotene 17
3.3 Metabolic engineering for arabinose uptake strain. 19
3.4 Metabolic engineering for xylose and arabinose co-utilization strain 22
3.5 Effect of NADPH supply on β-carotene production in mixed-pentose fermentation 25
4. Discussion. 28
5. References. 31
ABSTRACT IN KOREAN 36
