Kim, Do-Young;Kim, Hyung-Woo;Chung, Moon-Gyu;Rhee, Young-Ha
Journal of Microbiology
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제45권2호
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pp.87-97
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2007
Medium-chain-length polyhydroxyalkanoates (MCL-PHAs), which have constituents with a typical chain length of $C_{6}-C_{14}$, are polyesters that are synthesized and accumulated in a wide variety of Gram-negative bacteria, mainly pseudomonads. These biopolyesters are promising materials for various applications because they have useful mechanical properties and are biodegradable and biocompatible. The versatile metabolic capacity of some Pseudomonas spp. enables them to synthesize MCL-PHAs that contain various functional substituents; these MCL-PHAs are of great interest because these functional groups can improve the physical properties of the polymers, allowing the creation of tailor-made products. Moreover, some functional substituents can be modified by chemical reactions to obtain more useful groups that can extend the potential applications of MCL-PHAs as environmentally friendly polymers and functional biomaterials for use in biomedical fields. Although MCL-PHAs are water-insoluble, hydrophobic polymers, they can be degraded by microorganisms that produce extracellular MCL-PHA depolymerase. MCL-PHA-degraders are relatively uncommon in natural environments and, to date, only a limited number of MCL-PHA depolymerases have been investigated at the molecular level. All known MCL-PHA depolymerases share a highly significant similarity in amino acid sequences, as well as several enzymatic characteristics. This paper reviews recent advances in our knowledge of MCL-PHAs, with particular emphasis on the findings by our research group.
Five microorganisms capable of degrading an aromatic medium-chain-length polyhydroxyalkanoate ($PHA_{MCL}$), poly(3-hydroxy-5-phenylvalerate) (PHPV), were isolated from wastewater-treatment sludge. Among the isolates, JS02 showed degrading activity consistantly during several transfers. The isolate JS02 could hydrolyze another aromatic MCL copolyester, poly(3-hydroxy-5-phenoxyvalerate-co-3-hydroxy-7-phenoxyheptanoate), [P(5POHV-co-7POHH)], and other short-chain-length PHAs ($PHA_{SCL}) such as poly(3-hydroxybutyrate) [P3(HB)], poly(3-hydroxybutyrate-co-4-hydroxybutyrate) [P(3 HB-co-4 HB)], and poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) [P(3HB-co-3HV)] with relatively low activity. The culture supernatant of JS02 showed hydrolyzing activity for the p-nitrophenyl esters of fatty acids.
Psudomonas sp. RY-1이 생성하는 extracellular depolymerase system을 이용하여 단위체의 결가지에 서로 다른 탄소 길이와 불포와기를 함유하는 medium-chain-length polyhdroxyalkanoates (MCL-PHAs)의 생분해도를 시럼실 조건에서 조사하였다. 생분애도는 평파내지에서의 clear zone 형성, 효소 처리에 의한 고분자 현탁액의 탁도 감소 및 호흡량의 경시적 변화로 측정하였다. Pseudomonas sp. RY-1은 MCL-PHA depolymerase의 생성을 통하여 조사된 모든 종류의 MCl-PHAs를 분해할 수 있었으나, 이 효소의 생성은 쉽게 이용될수 있는 이차기질에 의해 저해받는 것으로 나타났다. MCl-PHAs의 분해율이 단위체의 탄소수가 홀수개로 구성된 고분자에 비하여 보다 높았다. 곁가지에 분포화기를 함유한 MCl-PHAs는 불포화기를 갖지 아니하는 고분자에 비하여 분해가 빠르게 이루어졌으며, 이들의 분해는 고분자의 결정화도와 밀접한 관련이 있는 것으로 나타났다.
활성슬러지로부터 특이한 조성의 polyhydroxyalkanoates (PHAs)를 생합성하는 Pseudomonas aeruginosa P-5를 분리하였다. 이 균주는 nonanoic acid나 heptanoic acid와 같은 홀수개의 탄소수를 가지는 지방산을 단일 탄소원으로 공급해주었을 경우, 3-hydroxyvalerate (3HV)와 medium-chain-length (MCL) 3-hydroxyalkanoates 단위체로 이루어진 공중합체를 생산하였다. 공중합체 내 3HV의 함량은 valeric acid와 같은 보조기질을 공급함으로써 증가시킬 수 있었으며, 2 g/L nonanoic acid와 1 g/L valeric acid로 이루어진 혼합기질로부터 3HV의 함량이 26 mol%에 달하는 공중합체를 얻을 수 있었다. 이러한 공중합체는 결정성이 매우 낮아 점착성 고분자로서의 성질을 보였다. P. aeruginosa P-5 균주는 MCL-PHA synthase 유전자(phaC1, phaC2)를 가지고 있는 반면에 SCL-PHA synthase 유전자는 결여되어 있는 것으로 나타났다. 따라서 P. aeruginosa P-5 균주의 MCL-PHA synthase는 MCL(R)-3-hydroxyacyl-CoAs 뿐만 아니라 (R)-3-hydroxyvaleryl-CoA를 기질로 인지하는 특이한 기질특이성을 갖는 것으로 사료된다.
Kim, Tae-Kwon;Shin, Hyun-Dong;Seo, Min-Cheol;Lee, Jin-Nam;Lee, Yong-Hyun
Journal of Microbiology and Biotechnology
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제13권2호
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pp.182-190
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2003
A new phaC gene cluster encoding polyhydroxyalkanoate (PHA) synthase I PHA depolymerase, and PHA synthase II was cloned using the touchdown PCR method, from medium-chain length (mcl-) PHA-producing strain Pseudomonas putida KT2440. The molecular structure of the cloned phaCl gene was analyzed, and the phylogenic relationship was compared with other phaCl genes cloned from Pseudomonas species. The cloned phaCl gene was expressed in a recombinant E. coli to the similar level of PHA synthase in the parent strain P. putida KT2440, but no significant amount of mcl-PHA was accumulated. The isolated phaCl gene was re-introduced into the parent strain P. putida KT2440 to amplify the PHA synthase I activity, and the recombinant P. purida accumulated mcl-PHA more effectively, increasing from 26.6 to $43.5\%$. The monomer compositions of 3-hydroxylalkanoates in mcl-PHA were also modified significantly in the recombinant P. putida enforcing the cloned phaCl gene.
Park, In-Jae;Rhee, Young-Ha;Cho, Nam-Young;Shin, Kwang-Soo
Journal of Microbiology and Biotechnology
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제16권12호
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pp.1935-1939
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2006
The gene encoding the extracellular medium-chain-length poly(3-hydroxyalkanoate) (MCL-PHA) depolymerase of Pseudomonas luteola Ml3-4, $phaZ_{plu}$, was cloned and analyzed. It was found to be 849 bp, with a deduced protein of 282 amino acids, and was revealed to have a typical leader peptide at its N terminus. The amino acid sequence of $PhaZ_{plu}$ revealed relatively low identity (69 to 72%) with those of other Pseudomonas MCL-PHA depolymerases. In comparison with the amino acid sequences of all available MCL-PHA depolymerases, the depolymerase was found to consist of three domains in sequential order; signal peptide, an N-terminal substrate binding domain, and a catalytic domain, indicating that $PhaZ_{plu}$ belongs to the type IV depolymerases family. The enzyme also contained Asn as an oxyanion hole amino acid.
P. oleovorans의 유가식 배양에서 탄소원으로 octanoic acid, 질소원으로 $NH_4NO_3$를 이용한 혼합기질을 배양액의 pH 변화에 따라 공급하는 pH-stat 기질공급전략을 개발하였다. 공급기질의 탄소원/질소원 비 (C/N 비)를 변화시킴으로써 최종 균체농도, PHA 농도, PHA 함량 등을 변화시킬 수 있었으며, 최대 균체농도는 C/N 비가 10 (g octanoic acid/g $NH_4NO_3$)일 때 65 g/L, 최대 PHA 농도는 C/N 비가 20일 때 41 g/L, 최대 PHA 함량은 C/N 비가 20일 때 75%였으며 최대 PHA 생산성은 C/N 비가 10일 때 1.03 g/L/h였다.
Biosynthesis pathway of medium-chain-length (MCL) polyhydroxyalkanoates (PHA) from fatty acid ${\beta}$-oxidation pathway was constructed in recombinant Escherichia coli by introducing the Pseudomonas sp. 61-3 PHA synthase gene (phaC2) and the maoC genes from Pseudomonas putida, Sinorhizobium meliloti, and Ralstonia eutropha. The metabolic link between fatty acid ${\beta}$-oxidation pathway and PHA biosynthesis pathway was constructed by MaoC, which is homologous to P. aeruginosa (R)-specific enoyl-CoA hydratase (PhaJ1). When the E. coli W3110 strains expressing the phaC2 gene and one of the maoC genes from P. putida, Sinorhizobium meliloti, and Ralstonia eutropha were cultured in LB medium containing 2 g/L of sodium decanoate as a carbon source, MCL-PHA that mainly consists of 3-hydroxyhexanoate (3HHx), 3-hydroxyoctanoate (3HO) and 3-hydroxydecanoate (3HD), was produced. The monomer composition of PHA and PHA contents varied depending on MaoC employed for the production of PHA. The highest PHA content of 18.7 wt% was achieved in recombinant E. coli W3110 expressing the phaC2 gene and the P. putida maoC gene. These results suggest that MCL-PHA biosynthesis pathway can be constructed in recombinant E. coli strains from the b-oxidation pathway by employing MaoC able to supply (R)-3-hydroxyacyl-CoA, the substrate of PHA synthase.
Pseudomonas fluorescens KLR101 was found to be capable of producing polyhydroxyalkanoate (PHA) using various sugars and fatty acids with carbon numbers ranging from 2 to 6. The PHA granules consisted mainly of a poly(3-hydroxybutyrate) homopolymer and/or poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) copolymer. Genomic DNA of P. fluorescens was fractionated and cloned into a lambda library, in which a 5.8-kb fragment that hybridized to a heterologous phaC probe from Ralstonia eutropha was identified. In vivo expression in Klebsiella aerogenes KC2671 (pUMS), restriction mapping, Southern hybridization experiments, and sequencing data revealed that PHA biosynthesis by P. fluorescens relied upon a polypeptide encoded by a 1,683-bp non-operonal ORF, which was preceded by a possible -24/-12 promoter and highly similar to DNA sequences of a gene encoding PHA synthase in the genus Pseudomonas. In vivo expression of the putative PHA synthase gene ($phaC_{Pf}$) in a recombinant Escherichia coli strain was investigated by using glucose and decanoate as substrates. E. coli (${phaC_{Pf}}^+$, pUMS) grown in medium containing glucose accumulated PHA granules consisting mainly of 3-hydroxybutyrate, whereas only a trace amount of 3-hydroxydecanoate was detected from an E. coli fadR mutant (${phaC_{Pf}}^+$) grown in medium containing decanoate. In vitro enzymatic assessment experiments showed that 3-hydroxybutyryl-CoA was efficiently used as a substrate of purified $PhaC_{Pf}$, suggesting that the putative PHA synthase of P. fluorescens utilizes mainly short-chain-length PHA precursors as a substrate.
Poblete-Castro, Ignacio;Rodriguez, Andre Luis;Lam, Carolyn Ming Chi;Kessler, Wolfgang
Journal of Microbiology and Biotechnology
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제24권1호
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pp.59-69
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2014
One of the major challenges in metabolic engineering for enhanced synthesis of value-added chemicals is to design and develop new strains that can be translated into well-controlled fermentation processes using bioreactors. The aim of this study was to assess the influence of various fed-batch strategies in the performance of metabolically engineered Pseudomonas putida strains, ${\Delta}gcd$ and ${\Delta}gcd-pgl$, for improving production of medium-chain-length polyhydroxyalkanoates (mcl-PHAs) using glucose as the only carbon source. First we developed a fed-batch process that comprised an initial phase of biomass accumulation based on an exponential feeding carbon-limited strategy. For the mcl-PHA accumulation stage, three induction techniques were tested under nitrogen limitation. The substrate-pulse feeding was more efficient than the constant-feeding approach to promote the accumulation of the desirable product. Nonetheless, the most efficient approach for maximum PHA synthesis was the application of a dissolved-oxygen-stat feeding strategy (DO-stat), where P. putida ${\Delta}gcd$ mutant strain showed a final PHA content and specific PHA productivity of 67% and $0.83g{\cdot}l^{-1}{\cdot}h^{-1}$, respectively. To our knowledge, this mcl-PHA titer is the highest value that has been ever reported using glucose as the sole carbon and energy source. Our results also highlighted the effect of different fed-batch strategies upon the extent of realization of the intended metabolic modification of the mutant strains.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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