Abstract
In this study, we constructed a biological system that exhibited thermotolerance, ethanol tolerance, and increased ethanol productivity using a random mutagenesis method. We attempted to isolate a thermotolerant mutant using proofreading-deficient DNA polymerase ${\delta}$ and ${\varepsilon}$ encoded by the pol3 and pol2 genes, respectively, in Saccharomyces cerevisiae. To obtain mutants that could grow at high temperatures ($38^{\circ}C$ and $40^{\circ}C$), random mutagenesis of AMY410 (pol2-4) and AMY126 (pol3-01) strains was induced. The parental strains (AMY410 and AMY126) grew poorly at temperatures higher than $38^{\circ}C$. By stepwise elevation of the incubation temperature, AMY410-Ht (heat tolerance) and AMY126-Ht strains that proliferated at $40^{\circ}C$ were obtained. These strains were further incubated in medium containing 6% and 8% ethanol and then AMY410-HEt (heat and ethanol tolerance) and AMY126-HEt strain with ethanol tolerance at an 8% ethanol concentration was obtained. The AMY126-HEt strain grew even at an ethanol concentration of 10%. Furthermore, following the addition of high concentrations of glucose (5% and 10%), an AMY126-HEt3 strain with increased ethanol productivity was isolated. This strain produced 24.7 g/l of ethanol (95% theoretical conversion yield) from 50 g/l of glucose. The findings demonstrate that a new biological system (yeast strain) showing various phenotypes can be easily and efficiently bred by random mutagenesis of a proofreading- deficient mutant.
본 연구는 내열성, 에탄올내성 및 에탄올생산성이 향상된 새로운 생물시스템을 육종하기 위해 DNA 복제 시 교정기능이 결여된 변이주(proofreading-deficient mutant)를 이용한 무작위적 돌연변이(random mutagenesis)를 유도하였다. DNA polymerase ${\delta}$와 ${\varepsilon}$의 catalytic subunit를 코드하고 있는 POL3와 POL2 유전자가 변이된 AMY410 균주(pol2-4)와 AMY126 균주(pol3-01)를 이용하여 $30^{\circ}C$, $38^{\circ}C$, $48^{\circ}C$에서 내열성 변이를 유도하였다. AMY410 균주와 AMY126 균주는 $38^{\circ}C$ 이상의 온도에서는 거의 자랄 수가 없기 때문에, 배양 온도를 점차 높여가며 변이를 유도한 결과, $40^{\circ}C$에서도 잘 자라는 AMY410-Ht와 AMY126-Ht 균주를 선별할 수 있었다. 또한 AMY410-Ht와 AMY126-Ht 균주의 에탄올내성을 추가로 획득하기 위해 6%와 8% 에탄올이 함유된 배지에서 변이를 유도하였고, 8% 에탄올 농도에서 내성을 가지는 AMY410-HEt 균주와 AMY126-HEt 균주를 분리하였다. 특히 AMY126-HEt 균주는 10% 에탄올 농도에서도 내성을 가짐을 확인할 수 있었다. AMY126-HEt 균주의 에탄올생산성의 증가를 위한 변이는 고농도 당(glucose)의 첨가에 의해 유도되었고, 50 g/l의 고농도 glucose를 함유한 배지에서 24.7 g/l의 에탄올(95% 이론적 전환수율)을 생산할 수 있는 고효율 에탄올 생산균주(AMY126-HEt3)를 최종 분리하였다. 따라서, 본 연구를 통해서 교정기능이 결여된 균주(proofreading-deficient mutant)를 사용한 돌연변이법으로 산업적으로 유용한 다양한 형질을 가진 생물시스템의 구축이 가능함을 확인하였다.