Secretory Expression System of Xylose Reductase (GRE3) for Optimal Production of Xylitol

Xylitol 생산에 최적화된 xylose reductase (GRE3)의 분비발현 시스템

Xylitol is widely used in the food and medical industry. It is produced by the reduction of xylose (lignocellulosic biomass) in the Saccharomyces cerevisiae strain, which is considered genetically safe. In this study, the expression system of the GRE3 (YHR104W) gene that encodes xylose reductase was constructed to efficiently produce xylitol in the S. cerevisiae strain, and the secretory production of xylose reductase was investigated. To select a suitable promoter for the expression of the GRE3 gene, pGMF-GRE3 and pAMF-GRE3 plasmid with GAL10 promoter and ADH1 promoter, respectively, were constructed. The mating factor ${\alpha}$ ($MF{\alpha}$) signal sequence was also connected to each promoter for secretory production. Each plasmid was transformed into S. cerevisiae $SEY2102{\Delta}trp1$, and $SEY2102{\Delta}trp1$/pGMF- GRE3 and $SEY2102{\Delta}trp1$/pAMF-GRE3 transformants were selected. In the $SEY2102{\Delta}trp1$/pGMF-GRE3 strain, the total activity of xylose reductase reached 0.34 unit/mg-protein when NADPH was used as a cofactor; this activity was 1.5 fold higher than that in $SEY2102{\Delta}trp1$/pAMF-GRE3 with ADH1 as the promoter. The secretion efficiency was 91% in both strains, indicating that most of the recombinant xylose reductase was efficiently secreted in the extracellular fraction. In a baffled flask culture of the $SEY2102{\Delta}trp1$/pGMF-GRE3 strain, 12.1 g/l of xylitol was produced from 20 g/l of xylose, and ~83% of the consumed xylose was reduced to xylitol.

Xylitol은 식품 및 의료산업에서 이용가치가 높은 물질로, lignocellulosic biomass인 xylose의 환원으로부터 생산되며, 대부분 유전적으로 안전한 Saccharomyces cerevisiae 균주를 사용하여 생산되고 있다. 따라서 본 연구에서는 S. cerevisiae에서 xylitol을 효율적으로 생산하기 위해 xylose reductase를 code하는 GRE3 (YHT104W)유전자의 발현시스템을 구축하여, xylose reductase의 분비생산 및 xylitol 생산성을 조사하고자 하였다. 먼저 GRE3 유전자의 발현에 적합한 promoter의 선별을 위해 GAL10 promoter와 ADH1 promoter 하류에 각각 mating factor ${\alpha}$ ($MF{\alpha}$) signal sequence와 GRE3 유전자를 가진 pGMF-GRE3와 pAMF-GRE3 plasmid를 구축하였다. 각각의 plasmid는 S. cerevisiae $SEY2102{\Delta}trp1$균주에 형질전환되었고, $SEY2102{\Delta}trp1$/pGMF-GRE3와 $SEY2102{\Delta}trp1$/pAMF-GRE3 형질전환주가 선별되었다. 그 중 $SEY2102{\Delta}trp1$/pGMF-GRE3 균주에서 NADPH를 cofactor로 사용했을 때 0.34 unit/mg-protein의 xylose reductase 활성(total activity)을 보였고, ADH1 promoter를 가진 $SEY2102{\Delta}trp1$/pAMF-GRE3 균주에 비해 1.5배 높은 활성증가를 확인 할 수 있었다. 또한 두 균주에서 모두 91%의 분비효율을 보여 대부분의 재조합 xylose reductase가 세포 밖으로 효율적으로 발현 분비되었음을 알 수 있었다. $SEY2102{\Delta}trp1$/pGMF-GRE3 균주를 사용한 baffled flask 배양에서 xylitol 생산량을 조사해 본 결과, 20 g/l의 xylose로부터 12.1 g/l의 xylitol을 생산하였고, 소모된 xylose의 약 83%정도가 xylitol로 환원되었음을 알 수 있었다.