미생물을 이용한 생산은 공간적 제약이 적으며, 외부 환경의 변화에 따른 원료 수급 등의 제약에서 비교적 자유로울 수 있습니다. 또한, 배양 조건을 조절하여 일정한 품질과 생산성을 유지할 수 있습니다. 박테리아는 세대 기간이 짧기 때문에 빠르게 수확할 수 있고, 유전자 조작이 쉽기 때문에 생산력이 높은 새로운 균주를 개발할 수 있습니다. 추출 단계에서 박테리아는 간단하게 추출할 수 있는 장점을 가지며, 미생물의 세포벽 구조도 카로티노이드 추출에 유리한 특성을 가지고 있습니다. 박테리아는 기존의 동식물이나 미세조류를 대체하여 카로티노이드 생산을 가능케 하며, 산업적으로 활용하기 위해 돌연변이 및 유전공학적 방법을 통한 균주 개량, 배지 조성, 스트레스 조절 등의 연구가 이루어지고 있습니다.
<h1>본 론</h1> <h2>박테리아에서 카로티노이드 생합성 경로</h2> <p>카로티노이드 중에서 산업적으로 많이 이용되고, 가치가 높은 물질은 astaxanthin이며, 일부 박테리아는 astax-anthin을 생합성 할 수 있는 생합성 경로를 가진다. 카로티노이드를 생합성하기 위해서는 첫 전구물질은 \( \mathrm{C}_{5} \) 의 backbone 을 가진 isopentenyl diphosphate (IPP)와 dimethy-lallyl diphosphate (DMAPP)이며, 박테리아에서는 주로 non-mevalonate pathway 를 통해 IPP와 DMAPP를 합성한다. 3개의 IPP 분자와 1개의 DMAPP 분자는 GGPP synthase (geranylgeranyl pyrophosphate synthase; CrtE)에 의해 카로티노이드 생합성의 직접적인 전구체인 \( \mathrm{C}_{20} \)의 GGPP가 합성된다. 2개의 GGPP 분자는 phytoene synthase (CrtB)에 의해 무색의 \( \mathrm{C}_{40} \) 분자인 phytoene으로 합성된다. Phytoene에서 lycopene으로 합성되는 단계에서, 식물은 phytoene desaturase (PDS), \( \zeta \)-carotene desaturase (ZDS), \( \zeta \) -carotene, cis-trans isomerase (Z-ISO), carotene cis-trans iso-merase (CRTISO) 등 다양한 효소가 관여하는 것과 다르게 박테리아에서는 phytoene dehydrogenase (CrtI) 하나의 효소에 의해 중간 단계인 \( \zeta \)-carotene을 거쳐 lycopene으로 합성된다. Lycopene은 lycopene cyclase (CrtY)에 의해 양쪽 말단에서 탄소의 고리화가 일어나 \( \beta \)-carotene으로 합성된다. \( \beta \)-carotene은 \( \beta \)-carotene hydroxylase (CrtZ)에 의해 zeaxanthin으로 합성되거나, \( \beta \)-carotene ketolase (CrtW)에 의해 canthaxanthin으로 합성되며, zeaxanthin은 (CrtW)에 의해, canthaxanthin은 CrtZ에 의해 최종적으로 astaxanthin으로 합성된다.</p> <p>현재까지 많은 종의 카로티노이드 생산 박테리아가 보고되었다(Table 1). 이런 다양한 종의 박테리아는 astax-anthin을 생합성하는 경로 이외에 서로 다른 다양한 카로티노이드 생합성 경로를 가지고 있으며(Fig. 1), 케톤기, 알콜기, 메틸기, 단당 등 서로 다른 작용기를 가지거나 backbone의 탄소수가 다른 다양한 카로티노이드를 생산할 수 있다.</p> <h2>카로티노이드 생산에서 박테리아의 중요성</h2> <p>미생물에서 카로티노이드를 생산하는 것은 여러가지 이점이 있다. 카로티노이드 생산에서 미생물을 이용한 생산의 가장 큰 장점으로는 배양기를 이용하여 균체를 생산하기 때문에 공간에 의한 제약이나 계절의 변화에 따른 원료 수급 등 외부 환경에 의한 제약에서 비교적 자유롭다. 그리고 배양 조건을 통제하여 일정한 품질과 생산성을 유지할 수 있다. 특히, 박테리아에서의 카로티노이드 생산은 미세조류와 같은 다른 미생물들과 비교하여 세대 기간이 짧기 때문에 빠르게 수확할 수 있다. 그리고 박테리아는 동물과 식물, 곰팡이, 조류 등 진핵생물과 비교하여 유전자 조작을 쉽게 수행할 수 있어서 유전자 조작을 통해 카로티노이드 생산력이 높은 새로운 균주를 빠르게 개발할 수 있다. 또한, 가공 중 추출 단계에서 박테리아는 다른 카로티노이드 공급원과 비교하여 추출 단계가 간단하다는 장점이 있다. 그람 음성 박테리아는 얇은 펩티도글리칸 층과 외막에 지질다당류(LPS) 내막을 가지고 있어 일반적으로 유기 용매가 더 잘 투과될 수 있고, 그람 양성 박테리아는 더 두꺼운 펩티도글리칸 층을 가지고 있어서 유기 용매의 침투가 그람 음성 박테리아보다는 힘들다. 하지만 두 경우 모두 더 단단한 세포벽을 가지는 미세조류나 효모, 식물이나 갑각류의 외피 등과 비교하여 간단하게 카로티노이드를 추출할 수 있다. 미생물에서 카로티노이드를 생산하는 것은 기존의 동식물을 기반으로 하는 카로티노이드 생산을 대체할 수 있으며, 많은 장점을 가지고 있다. 따라서, 박테리아에서 카로티노이드 생산은 기존의 동식물 및 미세조류를 기반 카로티노이드 공급원을 대체할 수 있는 주요 카로티노이드 생산원으로 활용할 수 있으며, 박테리아를 산업적으로 활용하기 위해 돌연변이 및 유전공학적 방법을 이용한 균주개량과 배지 조성, 배양 중 스트레스 등 카로티노이드 생산성을 높이기 위한 다양한 연구가 이루어졌다(Fig. 2).</p>