배경: 당밀(sugarcane molasses)은 자당(sucrose), 포도당(glucose), 과당(fructose)을 풍부하게 포함하고 있어, 풍부한 공급원과 낮은 비용으로 인해 산업 발효를 위한 유망한 탄소원이다. 그러나 여러 당을 동시에 이용하는 과정에서 발생하는 문제와 탄소 캐터볼라이트 억제(carbon catabolite repression, CCR)가 도전 과제로 제기된다. 영양학적 함량에도 불구하고, W 균주를 제외한 Escherichia coli에서의 자당 대사는 여전히 충분히 이해되지 않아, 미생물 발효에의 활용을 저해한다. 본 연구에서는 E. coli W를 유전적으로 설계하여 당 소비 속도를 향상시키고 CCR을 극복하고자 하였다. 이는 합성적으로 설계된 csc operon의 통합과 포도당 및 과당의 공동 이용(co-utilization) 경로의 최적화로 달성하였다. 이러한 개선은 3-하이드록시프로피온산(3-hydroxypropionic acid, 3-HP) 생산을 위한 사탕수수 당밀의 효율적 이용을 가능하게 하며, 지속 가능한 생화학적 생산 공정에 기여한다. 결과: 본 연구에서는 E. coli W에서의 당 대사와 관련된 문제를 해결하고, 자당 소비를 증진하며 포도당-과당 공동 이용을 개선하는 데 초점을 맞추었다. 자당 이용 시스템에 대한 표적 공학을 통해 csc operon 구성요소인 cscB, cscK, cscA, cscR의 발현을 조절함으로써 자당 소비 속도를 가속하였다. 그 결과, cscR을 삭제하고 csc 유전자를 단일 오페론 내에서 단일전사(monocistronic)로 발현시키면, 유의미한 성장 부담 없이 최적의 자당 이용이 가능함을 확인하였다. 또한 FruR과 과당 PTS 조절 유전체(fructose PTS regulon) 사이의 결합 동역학(binding dynamics)을 조절하여 과당 가터볼라이트 억제를 완화함으로써, 포도당과 과당의 거의 동등한 공동 이용을 구현하였다. 공학적으로 설계한 균주의 산업적 적용 가능성을 검증하기 위해, 사탕수수 당밀로부터 3-HP 생산을 수행하였다. 이종(heterologous) 유전자의 도입과 대사 경로 최적화를 통해, 선행 연구에 비해 3-HP 역가(titer)를 향상시켰다. 아울러, 글리세르알데하이드-3-인산 탈수소효소(glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase, gapA)의 억제는 탄소 흐름 재분배(carbon flux redistribution)를 돕고, 당밀의 3-HP로의 전환을 향상시킨다. 결론: 자당 대사에 존재하는 제한에도 불구하고, 사탕수수 당밀을 능숙하게 이용하도록 재설계된 E. coli W 균주는 산업 발효를 위한 유용한 자원이다. 합성 csc operon은 자당 소비를 증진시키고, CCR을 완화함으로써 포도당-과당 공동 이용을 개선한다. 이러한 개선과 gapA의 억제를 함께 고려할 때, 사탕수수 당밀을 3-HP로 효율적으로 전환하여 산업 응용에서의 자당 및 과당 대사 한계를 해결하고자 한다.
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