이산화탄소를 포도당으로 직접 전환하는 시아노박테리아 광합성의 잠재력 발굴

Nature Communications 14권, 기사 번호: 3425(2023) 이 기사 인용

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포도당은 가장 풍부한 단당류로, 생명의 모든 영역에서 세포의 필수 에너지원이자 바이오정제 산업의 중요한 공급원료로 사용됩니다. 식물-바이오매스-당 경로가 현재 포도당 공급을 지배하는 반면, 광합성을 통해 이산화탄소를 포도당으로 직접 전환하는 방법은 잘 연구되지 않았습니다. 여기에서 우리는 광합성 포도당 생산을 위한 Synechococcus elongatus PCC 7942의 잠재력이 천연 글루코키나제 활성을 방지함으로써 잠금 해제될 수 있음을 보여줍니다. 두 개의 글루코키나제 유전자를 녹아웃시키면 세포 내 포도당 축적이 발생하고 게놈에서 자발적인 돌연변이 형성이 촉진되어 결국 포도당 분비가 발생합니다. 이종 촉매작용이나 수송 유전자가 없으면 글루코키나제 결핍과 자발적인 게놈 돌연변이로 인해 1.5g/L의 포도당 분비가 발생하고, 이는 대사 및 배양 공학을 통해 5g/L로 추가로 증가됩니다. 이러한 발견은 시아노박테리아의 대사 가소성을 강조하고 포도당의 직접적인 광합성 생산을 지원하기 위한 응용을 보여줍니다.

포도당은 자연에서 가장 풍부한 단당류 분자입니다. 포도당의 분해는 생명의 모든 영역에서 세포에 에너지와 탄소 물질을 제공하여 Embden-Meyerhof-Parnas(EMP) 경로, 산화성 오탄당 인산염(OPP) 경로 및 Entner를 포함한 다양한 해당과정 경로를 통해 세포 기계에 동력을 공급합니다. –Doudoroff(ED) 경로1,2. 단량체로서 포도당 및 그 유도체도 다양한 거대분자와 세포 구성요소의 합성에 관여합니다3,4. 또한 포도당은 바이오정제 산업에서 중요한 공급원료 역할을 하여 연료, 화학 물질 및 의약품의 녹색 바이오 제조를 위한 여러 미생물 세포 공장의 재배를 지원합니다5,6,7. 자연계에서 포도당은 주로 식물과 조류의 광합성을 통해 합성되며 식물/조류 바이오매스 내 다당류의 단량체(예: 셀룰로오스, 전분)로 존재합니다. 식물-바이오매스-당 경로는 현재의 대규모 포도당 공급을 지배하며, 그 경제적 타당성은 식물 재배 주기, 바이오매스 수집 반경 및 전처리 비용과 같은 여러 매개변수에 의해 영향을 받습니다8,9,10,11.

글로벌 기후 위기와 악화되는 식량 부족을 배경으로 보다 효율적이고 지속적이며 산업적인 포도당 생산 경로를 개발하는 것이 중요할 것입니다12,13. 최근 몇 년 동안 화학적-생화학적, 전기화학적-생물학적 및 시험관내 다단계 효소 경로를 통해 이산화탄소를 포도당, 포도당 전구체 및 포도당 중합체로 직접 전환하는 것이 달성되었습니다. 대조적으로, 지속적인 포도당 생산은 광합성과 직접적으로 성공적으로 연결되지 않았습니다. 광독립영양생물(예: 고등 식물 및 조류)에서 포도당은 탄소 및 에너지 저장 장치로 합성되며 중요한 조절 역할을 합니다. 포도당 대사는 광계와 복잡한 상호작용을 갖고 있으며 색소의 합성과 대사를 방해하고 심지어 광합성 활동을 억제할 수도 있습니다17,18,19; 따라서 유리 포도당은 광합성 세포 대사에서 과도하게 합성되거나 축적되는 경우가 거의 없습니다. 산소성 원핵 미세조류 그룹인 시아노박테리아에서는 유전자 조작을 통해 천연 또는 비천연 당의 직접 합성 및 분비를 촉진하는 일부 진전이 이루어졌습니다20,21,22. 그러나 포도당의 광합성 생산은 아직 잘 연구되지 않았습니다. 재조합 균주는 다른 당의 생산과 함께 제한된 양의 포도당만을 생산할 수 있으며, 이는 광독립영양생물에서 포도당 대사의 보다 상세한 메커니즘이 아직 밝혀지지 않았음을 시사합니다23,24.

이 연구에서 우리는 시아노박테리아 광합성을 통해 이산화탄소를 포도당으로 직접적이고 안정적으로 전환시키는 것을 목표로 합니다. 모델 시아노박테리움 Synechococcus elongatus PCC 7942(이하 PCC 7942로 약칭)에서 우리는 천연 글루코키나제 활성을 포도당 합성에 대한 대사 잠재력을 제한하는 병목 현상으로 식별합니다. 두 개의 글루코키나제 유전자의 표적화된 녹아웃은 탄수화물 대사를 방해하고 일반적으로 삼투압 스트레스에 대한 특수한 반응으로 간주되는 자당 대사 네트워크를 통해 포도당으로의 대사 흐름을 활성화합니다. 향상된 포도당 합성은 PCC 7942 염색체의 특정 자발적 게놈 돌연변이의 농축을 촉진하여 효율적인 포도당 분비를 촉진합니다. 체계적인 유전자 조작과 결합된 다중 오믹스 접근법을 구현함으로써 우리는 포도당 합성 및 분비로 이어지는 경로와 돌연변이를 명확하게 하고 재조합 균주의 포도당 합성 성능을 최적화합니다. 후속 대사 공학 및 재배 최적화를 통해 조작된 균주에 의해 분비된 포도당은 장기 재배 동안 5g/L를 초과하며 고정 탄소원의 최대 70%를 차지합니다.