Isolation, identification, and characterization of a novel chitin metabolizing strain Vibrio sp. SP2

Abstract

Chitin, the second most abundant biopolymer on Earth, is a sustainable resource with potential. However, chitin itself has limited applications due to its insolubility in water and resistance to transformation. Chitin metabolizing microorganisms exist which are able to degrade chitin using a group of enzyme called chitinases. Chitinases break the 1, 4 glycosidic bonds of N-acetylglucosamine units, changing chitin to a suitable form for intracellular use. Thus it would be beneficial if we could identify and engineer a fast-growing chitin metabolizing microorganism to convert chitin into useful chemicals. In this study we isolated a bacterial strain capable of using colloidal chitin as the sole carbon source and named it Vibrio sp. SP2. Characteristics of Vibrio sp. SP2 were investigated based on the genomic data obtained by genome sequencing. Genetic tools useful for Vibrio sp. SP2 were identified by a series of experiment. Next, heterologous genes encoding proteins required for enhanced chitin metabolism and lycopene production were introduced under the control of synthetic expression cassettes. The engineered Vibrio sp. SP2 showed improved growth performance in colloidal chitin minimal medium.

키틴은 지구상에서 두번째로 풍부한 생물자원으로 산업원료로서의 잠재력이 있다. 하지만 키틴의 물에 잘 녹지 않는 성질과 열과 물리적 충격에 강한 성질 때문에 응용가능한 산업분야가 제한돼 있다. '키티나아제'라는 이름의 효소를 분비하여 키틴을 분해 및 대사할 수 있는 미생물들이 존재한다. 키티나아제는 키틴을 구성하는 N-아세틸글루코사민 단량체 간의 글리코사이드 결합을 분해함으로써 키틴을 세포 안에서 대사가 가능한 형태로 전환시킨다. 따라서 만약 키티나아제를 분비하면서 키틴 배지에서 빠르게 자라는 미생물을 분리동정하여 키틴을 다른 유용한 화학물질로 생합성할 수 있다면 유용할 것이다. 본 연구에서는 콜로이덜 키틴이 유일한 탄소원인 배지에서 생장가능한 그람음성균을 분리동정하였다. Vibrio sp. SP2라고 명명한 이 균주의 게놈 분석을 통해 유전적 특성을 규명하였다. Vibrio sp. SP2에서 다양한 항생제, 복제원점, 프로모터 등의 유전학적 도구들의 작동 여부 및 성능이 테스트되었다. 다음으로 키틴대사경로와 키틴에서 라이코펜으로 이어지는 대사경로에 포함된 단백질들 중 Vibrio sp. SP2에 결여된 4개의 단백질을 특정하고, 이들을 암호화하는 유전자를 포함한 플라스미드가 형질전환된 신균주를 개발했다. 신균주는 콜로이덜 키틴 배지에서 향상된 성장속도를 보였다.