요약
C30 카로티노이드는 면역 기능 강화와 감염 저항성에 기여하지만, 기존 화학 합성 방법은 환경 문제와 경제적 한계를 동반합니다. 대장균에 유산균 유래 crtM과 crtN 유전자를 도입하면 생물학적 합성을 통해 안정적이고 친환경적인 카로티노이드 생산이 가능합니다. 특히 생합성 경로의 최적화를 통해 산업적 대량 생산이 가능하며, 이는 화장품, 식품 보조제 등 다양한 분야에 응용될 수 있습니다. 환경을 덜 해치고 비용 효율적인 대체 방법을 제공, 지속 가능한 산업을 위한 새로운 가능성을 열어줍니다.
기본 정보
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특허명: 카로티노이드 생산용 재조합 대장균 및 이의 용도
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발명자: 서명지 교수
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출원번호: 10-2022-0018664
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등록번호: 10-2710048
상세 정보
배경 기술
배경 설명
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C30 카로티노이드는 면역 기능 강화와 감염 저항성 증가에 기여하는 생물학적 특성을 가짐. 이로 인해 생합성 경로에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 특히 실험 동물 모델에서 대장염 개선 효과가 입증됨.
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화학 합성을 통해 획득되는 대부분의 카로티노이드는 환경 문제를 유발함. 생물합성은 이러한 문제의 대안이 될 수 있으며, 특히 대사공학을 통해 효율적인 생산과 새로운 구조의 합성이 가능함.
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C30 카로티노이드 생산을 위한 crtM과 crtN 유전자는 대장균 시스템에 도입되어 비효율적인 화학 합성 대신 안전하고 효율적인 생물학적 생산 경로를 제공함.
기존 기술의 문제점
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기존의 화학적 카로티노이드 합성은 가혹한 조건과 유해 폐기물을 동반함. 이로 인해 환경 문제가 발생하며, 경제적 측면에서도 한계가 있음.
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crM과 crtN 유전자를 대장균에서 단독 발현할 경우 C30 카로티노이드를 합성할 수 없음. 두 유전자의 공동 발현이 필요하며, 이를 위한 적절한 시스템 구축이 필요함.
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화학적 접근 방식과 달리, 생물학적 합성은 낮은 환경 영향을 제공하지만 최적화된 경로 확보가 어려움.
기술의 필요성
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유산균 유래 crtM 및 crtN 유전자를 대장균에 도입하여 C30 카로티노이드를 생합성하는 경로는 안정적이고 환경 친화적임. 이는 기존의 합성 방법에 비해 지속 가능한 해결책임.
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대사공학적으로 최적화된 재조합 대장균을 이용한 생산 플랫폼은 산업적 카로티노이드 대량 생산의 가능성을 열어주며, 경제적인 대량 생산을 가능하게 함.
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재조합 대장균 내의 crtM 및 crtN 유전자 발현은 C30 카로티노이드의 대량 생산을 가능하게 하며, 이는 다양한 산업적 응용과 생물학적 연구에 기여할 수 있는 잠재력이 큼.
구현 방법
기술의 원리
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C30 카로티노이드 생합성 경로는 4,4*-디아포파이토엔에서 4,4*-디아포뉴로스포렌으로의 전환을 포함함. 이 과정은 dehydrosqualene synthase(crtM)와 dehydrosqualene desaturase(crtN) 유전자에 의해 조절되며, 이들은 대장균 내에서 기능함
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Lactobacillus plantarum 유래의 crtM과 crtN 유전자는 이소프렌 단위 변환을 통해 C30 카로티노이드를 E. coli에서 효과적으로 생산하도록 유도함. 이로서 화학 합성에 비해 환경 친화적인 생합성 방법이 됨
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재조합 E. coli BL21(DE3)은 pETDuet-1::crtMN 벡터를 이용하여 카로티노이드 생합성을 유도함. 이는 독립적인 T7프로모터 하에 crtM 및 crtN을 공동 발현하며 IPTG 유도 시스템을 통해 유전자 발현을 조절함
구체적인 구현 방법
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대장균을 이용한 C30 카로티노이드 생산을 위해 재조합 대장균은 L. plantarum에서 유래한 crtM과 crtN 유전자를 포함하는 벡터로 형질 전환함. 이 벡터는 IPTG 농도와 배양 온도를 최적화하여 발현을 조절함
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재조합 대장균은 25도의 배양 온도에서 최적의 카로티노이드 생산을 보이며, IPTG가 없는 상태에서 가장 높은 생산량을 보임. SDS-PAGE 분석을 통해 crtM과 crtN 단백질의 발현을 확인함
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배양 조건에서 세포 밀도(OD600)는 0.6로 유지하고 200rpm으로 배양하며, 이러한 조건을 통해 최적화된 4,4*-디아포뉴로스포렌의 생산성을 확보할 수 있음
기술의 장점
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C30 카로티노이드는 면역 기능 강화와 감염 저항성 증가에 기여할 수 있는 생물학적 특성을 가지며, 이는 향후 다양한 건강 기능성 제품에 활용될 가능성이 큼
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대장균을 활용한 생합성은 산업적 규모에서 안정성과 경제성을 갖추고 있으며, GRAS 상태인 유산균 유래 유전자를 사용하여 환경 친화적임
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기존의 화학 합성 방식 대신 생물공학적 접근을 사용함으로써 안전하고 지속 가능한 방식으로 대량 생산이 가능하며, 이는 환경 문제를 최소화할 수 있음
실험 및 결과
실험의 목적
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Lactobacillus plantarum subsp. plantarum에서 유래한 crtM 및 crtN 유전자를 포함하는 재조합 대장균을 제작하여 C30 카로티노이드인 4,4'-디아포뉴로스포렌의 생합성 능력을 입증함.
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이 실험의 주요 목적은 대장균 플랫폼을 활용한 산업적 확장을 목표로 하여, 카로티노이드 생산능력을 최대화하기 위함.
실험 방법 및 과정
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재조합 대장균 E. coli BL21(DE3)에서 pETDuet-1::crtMN 벡터를 도입하여 카로티노이드의 생합성을 유도함. 이 벡터는 IPTG 유도 시스템을 통해 crtM과 crtN의 발현을 조절함.
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IPTG 농도를 조절하며, 세포 밀도(OD600)를 0.6로 유지하면서 200rpm 음에서 24시간 동안 배양. 25°C에서 가장 높은 생산성을 보여 실험을 이 온도에서 진행함.
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SDS-PAGE를 통해 crtM과 crtN 유전자의 단백질 발현을 확인하고, IPTG 농도를 배제한 상태에서 카로티노이드의 생산량이 증가하는지 평가함.
실험 결과
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재조합 대장균으로 생산된 4,4'-디아포뉴로스포렌은 기존 방법보다 높은 수율을 보이며, crtM과 crtN 유전자의 적절한 발현이 필수적임을 확인함.
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IPTG를 첨가하지 않은 조건에서 가장 높은 카로티노이드 생산량이 관찰됨. 온도와 IPTG 농도의 변화에 따라 생합성의 효율이 달라짐을 파악함.
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HPLC 및 UV-VIS 스펙트럼 분석을 통해 생성된 4,4'-디아포뉴로스포렌의 순도와 양을 검증하고, LAB 유래 유전자의 대장균 발현 시스템이 효과적임을 증명함.
활용 방안 및 기대효과
활용 방안
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재조합 대장균을 이용한 C30 카로티노이드, 특히 4,4'-디아포뉴로스포렌의 생산은 화장품, 식품 보조제 등 다양한 산업 분야에 응용될 수 있음. 이러한 카로티노이드는 피부 및 면역력 강화 효과가 있어 소비자 선호도가 높을 것으로 예상됨
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자연 유래 유전자(crtM, crtN)를 활용하여 대장균 시스템에서 카로티노이드를 효율적으로 생산하면 기존 화학 합성을 대체할 수 있는 친환경 생산법으로 자리 잡을 가능성이 큼. 이는 환경 규제를 충족하는 데 큰 역할을 할 수 있음
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기존 화학적 합성 방법과 비교하여 대장균 기반 생산법은 낮은 온도와 조건에서도 높은 생산성을 확보할 수 있어, 원가 절감 및 생산 효율성 향상을 기대할 수 있음. 이를 통해 비용 절감 효과가 클 것으로 예상됨
기대효과
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생산 최적화 조건의 설정을 통해 재조합 대장균에서 고농도의 4,4'-디아포뉴로스포렌을 생산할 수 있으며, 이는 상업적 생산과 시장 점유율 확대에 기여할 수 있음. 특히, 노화 방지 및 면역력 강화 등에 사용될 수 있어 고부가가치 제품 생산이 가능함
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재조합 대장균 시스템을 활용한 생합성 기술은 환경친화적이며, 화학적 폐기물 발생을 최소화할 수 있음. 이러한 기술 발전은 지속 가능한 산업을 위한 하나의 해결책으로 평가받을 수 있음
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카로티노이드 생산 과정에서 발생하는 특유의 색상과 안정성은 소비자 시장에서의 경쟁력을 높여줄 수 있으며, 새로운 산업 분야 개척 가능성을 열어줄 것임. 이는 장기적으로 카로티노이드 제품의 글로벌 수출 경쟁력을 강화시킬 것임
시장 동향
C30 카로티노이드 시장 동향
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C30 카로티노이드는 미생물 생합성을 통해 생산 가능하며, 건강에 긍정적인 영향을 주는 프로바이오틱 특성을 갖고 있음. 특히 소화기 건강을 향상시키고 만성 질환으로부터 보호함.[웹 출처]
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천연 색소 시장 트렌드
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