Chapter 4. Bacteria (the first microbes)

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- nitrogen fixation : - 미생물의 nitrogenase에의해 - 질소순환의연결고리 - 비공생질소고정균 :

1 1. Microbes on the Farm - 젖소, 목초, 등등등.. 1) Nitrogen Connection - nitrogen : - 아미노산을포함하는유기물의필수구성성분 - 세포건조중량의 9-15% - 미생물 : 년간 200만톤의질소화합물생산 - 동물, 식물 : 미생물의질소고정에의존 -> 미생물이없으면? - nitrogen fixation : - 미생물의 nitrogenase에의해 - 질소순환의연결고리 - 비공생질소고정균 : Azotobacter, Beijerinckia, Clostridium, Nostoc, Anabaena - 공생질소고정균 : Rhizobium, Beijerinkickia -> 콩과식물뿌리에공생 - nitrogen -> 질소고정세균 -> 암모니아-> -> 아미노산-> 콩과식물-> 젖소 -> 우유, 소괴기

2 Nitrogen Cycle - Nitrogen fixation - nitrification ( 질산화 ) - 암모니아 -> 질산염으로변환 - Nitrosomonas, Nitrobacter - denitrification ( 탈질산화 ) - 질산이온분해 -> 질소가스 - yeast, Cyanobacteria

3 질소고정관련생물공학적과제 - 질소고정유전자의 Agrobacterium 세균에서발현 - 담배, 페튜니아, 토마토식물조직에서식 - 비콩과식물과공생관계를갖는 Rhizobium 종개발-> 자체질소고정가능 - 질소고정유전자를동물에게이전하면? 2) Ruminants ( 반추동물 ) - 섭취한타수화물보다더많은단백질생산 -> 어떤비밀? - 소의제 1위 (rumen, 혹위 ) : - 일정온도, 약산성, 무산소환경 - cellulase 생산혐기성미생물서식 - cellulase 분해 -> 포도당, cellobiose 로분해 - 포도당분자이용유기산생성 : propionic acid, acetic acid, methane, CO2 - urea 이용단백질합성 - 미생물자체는또다른단백질원 - 맹장동물 : 말, 토끼, 돼지등 - 맹장내미생물 -> rumen의미생물역할 - 토끼 : 자기배설물섭취-> 되새김질대신음식물을두번소장통과시킴-> 분식증

4 반추위의생화학

5 Microbes and Rumen

3) 낙농공장에서 - 젖소가생산한우유 : 유지방, 유당, 유단백질, 무기염류 - 유당 : 미생물에의해

Lactobacillus, Streptococcus의젖산발효 - Acidophilus milk :

acidophillus 배양액첨가혹은짧은시간발효 - Kefir : Lactobacillus,

발효가스생성 - Butter 숙성 : Streptococcus, Leuconostoc -> 산생성,

6 3) 낙농공장에서 - 젖소가생산한우유 : 유지방, 유당, 유단백질, 무기염류 - 유당 : 미생물에의해 lactic acid로발효 - Sour cream : 크림의숙성으로생산 - Yogurt : Lactobacillus, Streptococcus의젖산발효 - Acidophilus milk : 살균된우유에 L. acidophillus 배양액첨가혹은짧은시간발효 - Kefir : Lactobacillus, Streptococcus, Saccharomyces kefir 등을혼합사용 - 발효중산, 알코올, 발효가스생성 - Butter 숙성 : Streptococcus, Leuconostoc -> 산생성, diacetyl 생성-> 독특한향기 - 치즈 : casein의응고와숙성 - rennin, 미생물유래응고효소사용 - 다양한숙성미생물-> 다양한치즈 - Roquefort cheese : Penicillium camemberti -> blue vein 생성

shotgun) -> Agrobacterium tumefaciens의 Ti plasmid(tumor-inducing) 이용 -> 식물세포에 Ti plasmid 방출->

7 2. Biotechnology on the Farm 1) 식물세포로 DNA 도입 - 식물세포배양기술발전 : 단일식물세포로부터성체식물생산 - 식물세포유전자를변형시킨후성장-> transgenic plant ( 형질전환식물 ) - 식물세포로 DNA 단편주입 -> microinjection ( 미세주입법 ), Biolistic (gene shotgun) -> Agrobacterium tumefaciens의 Ti plasmid(tumor-inducing) 이용 -> 식물세포에 Ti plasmid 방출-> 식물세포염색체로삽입-> crown gall 형성 -> Ti plasmid : 세균증식자극단백질유전자 ( 종양유전자 ) 함유 -> 종양유전자제거후외래유전자도입 -> 세균에도입후식물에접종

8 Ti plasmid in Agrobacterium tumefaciens

모충장내에서장벽세포파괴 -> 식물, 대다수동물에는무해 -> 포자형성초기세균-> 분말형태로건조식물체에살포 -> 빗물에유실-> 살균효과제한적

9 2) Bacterial insecticide( 세균살충제 ) - 미생물살충제의요건 : 특정해충에만작용, 빠르게작용, 환경안정성, 생분해성, 저가 초 Bacillus thuringiensis 가나방유충살해확인 -> 내생포자형성시독성단백질생산 -> 모충장내에서장벽세포파괴 -> 식물, 대다수동물에는무해 -> 포자형성초기세균-> 분말형태로건조식물체에살포 -> 빗물에유실-> 살균효과제한적 -> 식물세포에 Bt 유전자직접삽입시도 -> GMO 옥수수, GMO 목화 -> Bt 독소내성유충발현 Sporulating B. thringiensis GMO 목화

10 3) 농업생명공학연구결과들 (1) 곤충내자살유전자 (suicide gene) 도입 - 유전자활성화후-> 곤충에치명적산물생산효소발현 (2) ice-nucleating bacteria( 빙핵세균 ) : 0 o C에서식물체에얼음결정형성관여-> 서리형성 - Pseudomonas syringae - 얼음형성관여단백질유전자제거 (ice-minus bacteria)-> 얼음형성온도낮춤 - 현장살포-> 빙핵세균점차제거 ( 균총변화 )-> 식물의성장기간증가 -> 생산성향상

11 (3) 제초제저항성 - Glyphosate : 제초제주성분-> 엽록체에서필수아미노산합성효소저해 - 대장균내동일활성유전자 : glyphosate에대한높은저항성 -> 유전자클로닝후 Ti vector 이용담배, 콩에도입-> 제초제저항성 GMO 식물 미국내제초제저항성 GMO 콩의재배면적

12 (4) Pharm animal ( 약용동물 ) - 유전자변형미생물의산물을처리한동물 , BGH(bovine growth hormone) 대장균에서생산 -> 식용소, 젖소에주사 -> 뼈근육성장촉진, 우유25% 이상생산증가 -> 돼지근육의지방양감소 (5) Genetically Modified Food (GMF) - FlavrSavr 토마토 : 썩음지연유전자함유 - 토마토썩음 : polygalacturonase(pg) 에의한세포벽 pectin 분해가원인 -> 토마토내 PG 유전자확인후활성억제 (6) Veggie vaccines - 미생물백신전달자로야채와과일이용 -> 저장비용저렴, 백신필요지역에서생산, 무기한공급, 오염된주사기노출방지 -> 요리도중일부파괴의문제점 - 토마토 : 짧은생육기간, - 바나나 : 아이들용, 요리필요없음 - 해결해야할문제 : 소장효소로부터보호, 알러지반응유도?, 활성성분의충분한양

13 FlavrSavr 토마토개발

Chapter 4. Bacteria (the first microbes)

Chapter 4. Bacteria (the first microbes) 1. 미생물과유전공학 - DNA 분자 modification -> genetic engineering -> Biotechnology 1) Pharmaceutical products( 제약 ) Insulin 인체세포의 insulin 유전자확보 대장균의 plasmid vector 에삽입 (lac operon PM-signal sequence-insulin) 대장균에삽입