신호 전달 물질 cyclic-di-GMP 매개에 의한 Zymomonas mobilis의 세포 자가 응집 유도

Abstract

Zymomonas mobilis는 lignocellulose를 사용하는 바이오 에탄올 생산 공정에서 중요한 효과적인 에탄올 생성 균주로 연구되어왔다. 그러나 lignocellulose를 이용한 에탄올 생산 공정 중에서 셀룰로오스 분해 효소를 이용해 식물 잔류물을 처리할 때 보다 쉽게 이용할 수 있도록 하는 전처리 단계에서 다양한 저해제가 생성된다. 이러한 저해제는 세포 성장뿐만 아니라 전반적인 에탄올 생산성에 영향을 준다. 따라서 저해제의 분리 또는 내성 균주의 제작은 에탄올 생성 공정에서 중요한 산업적 목적이다. 이와 관련하여, 이전에 세포 응집 돌연변이 균주인 Zymomonas mobilis ZM401이 비교적 비용 효율적인 세포 회복 특성을 갖는 세포 응집 균주로써 분리되었다. 이 응집 균주의 이전 연구 중 transcriptomic 분석은 ZMO1055에서 발생한 단일 점 돌연변이가 응집에 관한 주요 원인 중 하나로 가정하였다. 이 단백질들은 cyclic-di-GMP의 농도를 조절함으로써 세포 응집을 조절할 것으로 예측된다. 따라서 Z.mobilis ZM4와 응집 돌연변이 균주인 ZM401로부터 각각 ZAM1과 ZAM2의 두 개의 유전자 knockout 돌연변이를 분리했다. 그 결과로, knockout 돌연변이 균주의 세포 내 c-di-GMP의 농도가 감소하고, 저해제에 대한 견고성이 증가하였으며 다양한 수준의 세포 응집이 나타나는 것을 확인하였다. 결과적으로 이 연구는 ZMO1055의 phosphodiesterase knockout이 세포 응집을 유도하고, 이로 인해 생성된 안정한 세포 응집이 균주의 산업적 견고성 및 효과적인 에탄올 생산 전략을 제시하는 것으로 나타났다.

Zymomonas mobilis has been studied as an important ethanologenic bacterium for bioethanol production process using lignocellulose. However, in the pretreatment step to make the plant residue more readily accessible for cellulose enzyme for lignocellulosic ethanol production process, a variety of inhibitors are generated. These inhibitors have effected on cell growth as well as overall ethanol productivity. Therefore, separation of the inhibitors or construction of resistant strains has become an important industrial mission for the process. In this respect, the cell flocculation relatively cost-efficient cell recovery characteristics, previously a cell flocculation mutant strain Zymomonas mobilis ZM401 has been isolated. Previous studies of transcriptomic analyses of the flocculent strain suggested that a single point mutation in the ZMO1055 (locus tag number) has been hypothesized as one of the main causatives. These proteins are predicted to regulate cell flocculation by controlling the level of cyclic di-GMP concentration. Therefore, we isolated two gene knockout mutants of ZAM1 and ZAM2 from the parental strains of Z. mobilis ZM4 and flocculent mutant ZM401 respectively. The results showed that the knockout mutants display a various degree of cell flocculation, decreased in the intracellular concentration of c-di-GMP and the higher robustness against such inhibitors. Consequently, this study was shown to ZMO1055 phosphodiesterase knockout was induced to cell flocculation and stable cell flocs suggested the strategies of industrial robustness and effective ethanol production for this bacterium.