JP4382890B2 - Carboxyl protease, microorganism producing the same, and method for producing carboxyl protease - Google Patents

Carboxyl protease, microorganism producing the same, and method for producing carboxyl protease Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、新規なカルボキシルプロテアーゼ、それを生産する微生物および前記カルボキシルプロテアーゼの製造法に関する。
【0002】
【従来の技術】
微生物を利用した好気的発酵処理による有機性廃棄物の堆肥化、特に、微生物を利用した好気的発酵処理は、ランニングコストが低廉で、エネルギー消費量の少ない省資源的な方法であるばかりでなく、発酵処理物を堆肥として土壌に還元することができる。
しかし、微生物を利用した好気的発酵処理法は、有機物の分解反応の主体である微生物が活発に生育可能な環境条件下でのみ機能し得る。したがって、不適当な環境条件下においては、環境条件の調整が必要になる。発酵処理過程で関与する微生物の多くは、中性から弱アルカリ性に生育の至適pHを持ち、酸性環境下では、その増殖活性が低下し、pH4−5以下では、全く増殖を示さなくなる(廃棄物学会論文誌、4巻、35頁、1993年)。このため発酵処理過程で、pHの低下が生じると分解反応速度が低下し、処理過程の大幅な遅延や停止を引き起こすことが知られている(衛生工学研究論文集、20巻、175頁、1984年)。こうした酸性物質を中和するために、有機物処理装置に測定器を用いて発酵物質のpHを測定する機構や、pH値が適正範囲を外れた場合に消石灰などのアルカリ剤を投入する機構が既に提案されている(特開昭55−113688号公報、特開平1−145388号公報)。しかし、処理装置にpHを測定する機構やアルカリ剤を投入する機構を搭載すると、装置が煩雑になりコストも高くなり、特に装置が小規模であるバイオ式生ゴミ処理装置による個別分散処理に適用することは難しい。また固相反応系である発酵処理物の正確なpH測定は困難であり、アルカリ剤の供給が不足すれば効果が得られないばかりか、過剰のアルカリ剤の供給によりpHが上昇し過ぎて逆に微生物の活性低下を引き起こすなどの問題があった。
また、有機物処理装置の発酵槽内に、水素イオン濃度を中性から弱アルカリ性に保つpH調整剤および有機物を分解する微生物を固定した水分調整剤を充填することで、有機物を高速発酵させる方法が提案されている(特開平7−303871号公報)。しかしこの水分調節剤は作成に1週間以上の日数を要し、製造コストが高くなるという問題があった。
有機性廃棄物の発酵処理過程で、pHを低下させる要因は、有機酸の蓄積であるが、逆にpHを高める要因はアンモニアの発生である。良好な発酵処理が進行すると、タンパク質の分解によって生じたアンモニアは、水に溶解し水酸化アンモニウムとなりpHを上昇させる。ある程度pHが上昇すると、アンモニアがアンモニアガスとして揮散するため発酵に障害を与えるほどpHが上昇することはない。したがって酸性環境下においても十分にタンパク質を分解し、pHを上昇できるシステムの実現、特にそれに適する酵素更に好ましくは微生物の提供が求められていた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
したがって本発明の目的は、低pH域でも高性能のタンパク質分解能をもち、直接的ではないにしろアンモニアを生じせしめて、コンポストの低pH環境を改善することができる酵素、かかる酵素を菌体外に効率よく生産する微生物及び当該微生物を用いたカルボキシルプロテアーゼの製造法を提供することにある。
【0004】
【課題を解決するための手段】
かかる実情において、本発明者らの研究途上、偶然にも発酵処理物のpHが4.5付近まで低下しているにもかかわらず活発な分解反応が継続するといった特異的現象を見いだした。そこで、この発酵処理物から微生物を分離したところ、従来の微生物、例えば、Pseudomonas sp.101(Oda et al. Biochimica et Biophysica Acta、923巻、463頁、1987年。Oda et al. J. Biol. Chem.、269巻、26518頁、1994年)、またはXanthomonas sp.(Oda et al. Agric. Biol. Chem.、51巻、3073頁、1987年。Oda et al J. Biochem.、120巻、564頁、1996年)とは異なる微生物とその微生物の産する新規カルボキシルプロテアーゼを見出し本発明を完成させた。
【0005】
すなわち本発明は、ブルクホルデリア エスピー(Burkholderia sp.)MB−11と命名され、FERM P−16949として受託された微生物から生産され、配列表の配列番号1(N末端フラグメント)および配列番号2(中間部フラグメント)で表されるアミノ酸配列を含み、次の(1)〜(8)の酵素学的性質を有するカルボキシルプロテアーゼMB11を提供するものである。
(1)基質特異性
カゼインをよく加水分解し、ヘモグロビンに対しても作用する。
(2)作用pH及び最適pH
少なくともpH2〜6で作用し、最適pHは約3〜4である。pH5において最大活性値の20〜30%、pH2.5において最大活性値の10〜20%の活性を保持する。
(3)pH安定性
4℃、12時間の処理条件でpH3〜8の範囲で安定である。
(4)作用温度及び最適温度
少なくとも10〜80℃で作用し、最適温度は50〜60℃である。40℃で最適温度における活性の約55〜65%、30℃で最適温度における活性の約20〜30%、70℃で最適温度における活性の約60〜70%、80℃で最適温度における活性の約30〜40%の活性を保持する。
(5)温度安定性
pH5.8、10分間の処理条件で少なくとも約50〜60℃まで安定である。
(6)分子量
10%SDS−PAGEによる見かけの推定分子量は、約36,000である。
(7)等電点
4.2である。
(8)阻害剤
ペプスタチン、ジアゾアセチルノルロイシンメチルエステルおよび1、2-エポキシ-3-(p-ニトロフェノキシ)プロパンによっては阻害されない
た本発明は、ブルクホルデリア エスピー(Burkholderia sp.)MB−11と命名され、FERM P−16949として受託された前記のカルボキシルプロテアーゼMB11を生産する微生物を提供するものである。
さらに本発明は、前記の微生物を培地に培養し、その培養物から上記のカルボキシルプロテアーゼMB11を採取することを特徴とするカルボキシルプロテアーゼMB11の製造法を提供するものである。
【0006】
【発明の実施の形態】
本発明のカルボキシルプロテアーゼMB11は、例えばブルクホルデリア エスピー(Burkholderia sp.)MB11を培養し、その培養物から採取することにより製造される。
【0007】
ブルクホルデリア エスピー(Burkholderia sp.)MB11の分類学的性質を以下に示す。
(a)顕微鏡的観察結果
0.5〜0.8μm ×1.5〜3.0μm の桿菌であり、鞭毛を有し、運動性がある。胞子の形成は認められない。
(b)グラム染色性:−、
(c)3%KOHによる溶菌:+
(d)アミノペプチダーゼ活性:+
(e)胞子形成能:−、
(f)運動性:+、
(g)カタラーゼ活性:+、
(h)オキシダーゼ活性:−、
(i)アルコールデヒドロゲナーゼ活性:−、
(j)ウレアーゼ活性:−、
(k)ゼラチンの加水分解:−、
(l)硝酸からの亜硝酸の生成:+、
(m)脱窒:− (n.g.)
(n)糖等の利用性:
グルコース:+
クエン酸塩類の利用:+、
アラビノース:−、
イノシトール:−
Adonit:+
α‐amylamin:++
m‐hydroxybenzoat:+
2、3‐ブチレングリコール:+
ciraconat:++
トリプタミン:+
lavulinat:+
(o)41℃での生育:+
【0008】
以上の菌学的性質に関する検討に基づき、ドイツDSMZ社の同定により、本菌株は、ブルクホルデリア属の一種ブルクホルデリア セパシア 又は ブルクホルデリア ピロシニアに類似した性質を有する菌種であると判断された。しかし本菌株は、耐酸性を示し、さらにカルボキシルプロテアーゼを産出するといった、ブルクホルデリア属としては特異的な性質を有していた。そこで、本菌株をブルクホルデリア エスピー MB11と命名し、FERM P−16949として工業技術院生命工学工業技術研究所に寄託した。受託証を添付する。
【0009】
上記の菌株を用いて、本発明のカルボキシルプロテアーゼMB11を得るには、培地に菌株を接種し、常法に従って培養することで これを得ることができる。
培養に用いる培地中には、資化しうる炭素源及びタンパク質を適当量含有せしめておくことが望ましいが、タンパク質以外の窒素源を与えると、微生物は生育できるが本発明の酵素の生産は低下する。
この炭素源及び窒素源は特に制限されないが、その例としては、炭素源として例えばグルコースや有機酸(例えばクエン酸等)が挙げられるが各種のスターチが最も好適である。またタンパク質源としては、カゼイン、大豆粉、肉エキス等の有機窒素源が有効である。ただし、低分子量のペプチドやアミノ酸が豊富に存在する窒素源を供給すると、本発明の酵素の生産は著しく低下する。
また、リン酸塩、マグネシウム塩、カルシウム塩、マンガン塩、亜鉛塩、コバルト塩、ナトリウム塩、カリウム塩等の無機塩や、必要であれば、無機、有機微量栄養やビタミン類を培地中に適宜添加することができる。
このような培地として、例えば、ACS培地(スターチ1%、カゼイン0.3%、NaCl 0.2%、MgSO4・7H2O 0.005%、CaCO3 0.002%、FeSO4・7H2O 0.001%、KH2PO4 0.3%、pH4.5)は、特に好適に用いることができる。
培養温度は、30℃前後が好ましく、培養初発pHは4.5が好ましい。この条件下において通常3〜5日間で培養は完了する。
【0010】
かくして得られた培養液の中から目的の酵素であるカルボキシルプロテアーゼMB11を採取するには、一般の酵素採取の手段に準じて行えばこれを得ることができる。即ち、培養後、遠心分離、濾過等の通常の分離手段により菌体を培養液から除去して粗酵素液を得る。この粗酵素液はそのまま使用することもできるが、必要に応じて、限外濾過、沈澱法等の手段により回収し、適当な方法を用いて粉末化して用いることもできる。この粗酵素液を、更に、酵素精製の一般的手段、例えば適当な陽イオン交換樹脂、陰イオン交換樹脂、ヒドロキシアパタイト等によるクロマトグラフィー、アフィニティークロマトグラフィー、疎水クロマトグラフィー、ゲル濾過等の組合わせによって精製することもできる。なお、好適な酵素の精製方法は以下の通りである。即ち、適宜濃縮を繰り返しながら、例えばpH5.8に調節した粗酵素液を陽イオン交換クロマトグラフィに付し、さらにゲル濾過を必要に応じ繰り返すことができる。
【0011】
本発明のカルボキシルプロテアーゼMB11の酵素学的諸性質について以下に説明する。
(酵素活性測定法)
ヘモグロビン1.33%を含むMcllvaine緩衝液(Mcllvaine、J.Biol.Chem.、49巻、183頁、1921年、酸成分:0.1Mクエン酸、塩基成分:0.2M Na2HPO4)(pH3.0)375μlを37℃とし、これに125μlの酵素液を加え37℃、10分間反応させる。反応停止液(0.44Mトリクロロ酢酸)0.5mlを加え、30℃、20分間静置する。次に遠心分離(1000G 5分間)し、上清の0.5mlについて、さらに0.44M炭酸ナトリウム2.5mlを加え、1N Folin‐Ciocalteu試薬(シグマ社製)0.5mLを加え、37℃で20分間静置後、660nmの吸光度を測定する。上記反応条件下において、1分間に反応液の1mlあたり1μgのチロシンに相当する酸可溶性蛋白分解物を生成する酵素量を1単位(U)とする。
(酵素学的性質)
(1)作用及び基質特異性: タンパク質及びペプチド、例えばカゼイン、ヘモグロビン、アルブミン、肉タンパク、魚肉タンパク、大豆タンパクなどを分解する。とくにカゼインをよく加水分解し、ヘモグロビンに対して作用する。
Mcllvaine緩衝液(pH3.5)中に最終濃度1.0%となるように、一連のサンプルを加え、37℃で10分間反応を行い、活性を測定した。ヘモグロビンは、シグマ社製、Bovineを、カゼインは和光純薬工業社製、ハマルステン氏法を用いた。
(2)作用pH及び最適pH(図1): 少なくともpH2〜6で作用し、最適pHは約3〜4である。pH5において最大活性値の20〜30%、pH2.5において最大活性値の10〜20%の活性を保持する。
Mcllvaine緩衝液(pH2‐8)およびClark‐Lubs緩衝液(Clark, Lubs、J.Bact、2巻、191頁、1917年(酸成分0.2M HCl、塩基成分0.2M KCl)(pH1‐2)中に最終濃度1.0%となるようにヘモグロビンを加え、37℃で10分間反応を行い、各pHにおける活性を測定した。
(3)pH安定性(図2): 4℃、12時間の処理ではpH3〜8範囲で安定である。
Mcllvaine緩衝液(pH2‐8)およびClark‐Lubs緩衝液 (pH1‐2)中に本酵素を加え、4℃で12時間放置した。ヘモグロビンを基質として、残存活性をpH3.5、37℃の条件下で測定した。
(4)作用温度及び最適温度(図3): 少なくとも10〜80℃で作用し、最適温度は50〜60℃である。40℃ で最適温度における活性の約55〜65 %、30℃で最適温度における活性の約 20 〜30 %、70℃ で最適温度における活性の約60〜70%、80℃で最適温度における活性の約 30〜40 % の活性を保持する。
Mcllvaine緩衝液(pH3.5)中に最終濃度1.0%となるように、ヘモグロビンを加え、各温度で10分間反応を行い、活性を測定した。
(5)温度安定性(図4): pH5.8、10分間の処理条件では、少なくとも約50〜60℃まで安定である。
本酵素を20mMクエン酸緩衝液中で、各温度で10分間放置した後氷冷した。ヘモグロビンを基質として、残存活性をpH3.5、37℃の条件下で10分間反応させ測定した。
(6)分子量(図5): Parfect Protein Markers (Novagen社製 150,000、100,000、75,000、50,000、35,000、25,000、15,000)を分子量マーカーとした10%SDSポリアクリルアミドゲル電気泳動を行った結果、本酵素の分子量は、約36,000である。
(7)等電点: 等電点は4.2である。
ポリアクリルアミドゲル等電点電気泳動法により測定した。pIマーカーとして、低pIキャリブレーションキット(pI 2.5‐6.5)(ファルマシア社製)を使用した。
(8)阻害剤の影響(図6): ペプスタチン、DAN(ジアゾアセチルノルロイシンメチルエステル)、EPNP(1、2‐エポキシ‐3‐(p‐ニトロフェノキシ)プロパン)によっては阻害されない。
ブタペプシン(シグマ社製)を対照区として、カルボキシルプロテアーゼに特異的な阻害剤に対する感受性を測定した。
[ペプスタチン] Mcllvaine緩衝液(pH4.0)に本酵素を最終濃度10(μg/ml)となるように添加し、各濃度のペプスタチンを37℃で10分間作用させた。作用後、ヘモグロビンを基質として、残存活性をpH3.5、37℃の条件下で10分間酵素反応させ測定した。
[DAN] Mcllvaine緩衝液(pH5.0)に本酵素、30mMCuSO、60mM DANを添加し、37℃で0−60分間作用させた。作用時の最終濃度は、酵素:57(μg/ml)、Cu2+:2.20mM、DAN 2.65mMとした。作用後、ヘモグロビンを基質として、残存活性をpH3.5、37℃の条件下で10分間酵素反応させ測定した。
[EPNP] Mcllvaine緩衝液(pH4.0)に本酵素を57(μg/ml)となるように添加し、EPNPを10mg/ml添加し、30℃で0−76.5時間反応させた。反応後、ヘモグロビンを基質として、残存活性をpH3.5、37℃の条件下で10分間酵素反応させ測定した。
【0012】
このように、本発明のカルボキシルプロテアーゼMB11は、過去の報告に無い新規酵素である。本酵素は、前述のPseudomonas sp.101が産生する酵素と類似しているものの、その分子量、至適pH、等電点に差異を認めることができる新規な酵素である。
本発明の微生物は、タンパク質の一連の資化過程をへて、最終的に脱アミノ化反応により、アンモニアを生じることにより、これが結果として生育環境のpHを上昇させる。
本発明のカルボキシプロテアーゼMB11は、有機性廃棄物の醗酵処理工程の他に、酸性洗浄剤への配合によりタンパク質汚れの除去、あるいは酸性食料品の製造ライン洗浄剤としても有効に利用することができる。
【0013】
【実施例】
以下、実施例を挙げて更に詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
実施例1
先ず、一次スクリーニングとして、酸性培地(SPYN培地)による選択培養により耐酸性微生物の分離を行った。
[SPYN培地] (J. Gen. Appl. Microbiol. 41巻、175頁、1995年)
Soluble Starch : 1%、Pepton : 0.1%、Yeast extract : 0.01%、Nutrient broth : 0.05%、KNO3 : 0.2%、NaCl : 0.2%、MgSO4 7H20 : 0.005%、CaCl2 2H2O : 0.002%、FeSO4 7H2O : 0.001%、(pH: 4.5)
発酵処理物をSPYN液体培地に添加し、30℃で好気的培養を行い、培養1−7日後に適時SPYN寒天培地を用いて発生した菌株を分離した。得られた菌株は、SPYN寒天培地により画線培養を繰り返し純化した。
次に、プロテアーゼ活性の有無による二次スクリーニングを行った。プロテアーゼ活性を有する菌株をACS寒天培地上で培養すると、コロニーの周辺に透明帯(ハロ)が形成される。この性質を指標とし、タンパク質資化性微生物の分離を行った。
得られた分離株について、カルボキシルプロテアーゼ活性を定量したところ、該酵素活性を有していた。このようにして、本発明のブルクホルデリア エスピー MB11株を選抜した。
【0014】
実施例2
次に実施例1で得られたブルクホルデリア エスピー MB11株のカルボキシルプロテアーゼの産生、およびタンパク質の分解にともなうpHを改善する効果について検証した。ACS培地により本菌株を30℃で5日間培養し、菌体の生育、培地のpH、およびプロテアーゼ活性を測定した。
[菌体の生育測定法]菌体の生育は、ATP濃度を測定しその指標とした。ATP濃度の測定は、ATP測定用試薬キット ルシフェールLU(キッコーマン(株)社製)を使用した。
菌体の生育(図7)、培地中に分泌されたプロテアーゼ活性(図8)、および培地のpH値の経時変化(図9)を図に示した。本菌株は、その生長にともない盛んにプロテアーゼを産生していることが分かる。また菌体の生育によってプロテアーゼが産生されるとともに培地のpH値が中性付近にまで増加している。培地中のプロテアーゼ活性とpH値の関係をみると、プロテアーゼが産生されタンパク質の分解が進行すると、結果として明らかにpH値が中性側にシフトしており、本発明の目的に合致していることが示された。
【0015】
実施例3
実施例1で得られたブルクホルデリア エスピー MB−11株をACS液体培地(pH4.5)に接種し、30℃で72時間培養した。培養後、遠心により菌体を除去した上清に20mMのクエン酸を添加し、pHを5.8に調整した。本粗酵素液を、予め20mMのクエン酸緩衝液(pH5.8)で平衡化したDEAE‐Sepharose CL‐6B(ファルマシア社製、カラム径1.8cm×長さ23.5cm)に添加し、0−0.5M塩化ナトリウムの濃度勾配により溶出させた(図10)。プロテアーゼ活性の高い画分を分取し、コロジオンバック(Sartorius社製)によって濃縮した。濃縮液を、0.2M塩化ナトリウムを含有する20mMのクエン酸緩衝液(pH5.8)で平衡化したSephadex G‐75(ファルマシア社製、カラム径3.3cm×長さ71cm)に添加し、同一の緩衝液により溶出した。活性画分を分取し、コロジオンバック(Sartorius社製)によって濃縮した。濃縮液を予め同じ緩衝液で平衡化したBio‐Gel P‐100(バイオ ラッド社製、カラム径1.7cm×長さ81cm)に添加し、同一の緩衝液により溶出し活性画分を分取した(図11)。以上の操作により、電気泳動的に単一のバンドを示す酵素標品を得た(図5)。この結果、本酵素は約9倍まで精製された。精製の各段階を(図12)の精製表にまとめた。この中で注目されるのは、ACS培地を培養基として得られた粗酵素液の比活性は、147(U/mg)と極めて高い値を示しており、この培地が本酵素の生産に適した培地であるという点である。このため本培地の使用は、本酵素の精製を比較的容易に行うことを可能にした。
プロテインシークエンサー(Applied Biocystems 477A)により本酵素のアミノ酸配列を決定した結果、本酵素は次のN末端フラグメントおよび中間部フラグメントを含むタンパク質であることが分かった。また酵素学性質は図13の通りであった。
【0016】

Figure 0004382890
【0017】
Figure 0004382890
【0018】
【発明の効果】
本発明によれば、低pH域でも高性能のタンパク質分解能をもち、直接的ではないにしろアンモニアを生じせしめて、コンポストの低pH環境を改善することができる、酵素並びにかかる酵素を菌体外に効率よく生産する微生物及び当該微生物を用いたカルボキシルプロテアーゼの製造法が提供される。
【0019】
【配列表】
Figure 0004382890
Figure 0004382890

【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の酵素の作用pH 及び 最適pHを示す図である。
【図2】本発明の酵素のpH安定性を示す図である。
【図3】本発明の酵素の作用温度 及び 最適温度を示す図である。
【図4】本発明の酵素の温度安定性を示す図である。
【図5】本発明の酵素のSDS‐PAGEおよび分子量の算出を示す図である。
【図6】本発明の酵素に与える阻害剤の影響を示す図である。
【図7】本発明の微生物の生育を示す図である。
【図8】本発明の微生物の産出する酵素のプロテアーゼ活性を示す図である。
【図9】本発明の微生物の培地に与えるpH調整能を示す図である。
【図10】本発明の酵素の精製過程(DEAE‐Sepharose CL‐6Bによるイオン交換クロマトグラム)を示す図である。
【図11】本発明の酵素の精製過程(Sephadex G‐75によるゲル濾過クロマトグラム)を示す図である。
【図12】本発明の酵素の一連の精製過程をまとめた図である。
【図13】本発明の酵素の酵素学的性質(他の微生物起源のカルボキシルプロテアーゼとの比較)を示す図である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a novel carboxyl protease, a microorganism producing the same, and a method for producing the carboxyl protease.
[0002]
[Prior art]
Composting organic waste by aerobic fermentation using microorganisms, especially aerobic fermentation using microorganisms, is a resource-saving method with low running costs and low energy consumption. Instead, the fermented product can be reduced to soil as compost.
However, the aerobic fermentation treatment method using microorganisms can function only under environmental conditions in which microorganisms that are the main components of organic matter decomposition reactions can actively grow. Therefore, it is necessary to adjust the environmental conditions under inappropriate environmental conditions. Many of the microorganisms involved in the fermentation process have an optimum pH for growth from neutral to weakly alkaline, and their growth activity decreases in an acidic environment, and no growth occurs at pH 4-5 or lower (discarding) Journal of Physical Society, Vol. 4, p. 35, 1993). For this reason, it is known that when the pH is lowered in the fermentation process, the decomposition reaction rate is lowered, and the treatment process is significantly delayed or stopped (Hygiene Engineering Research Papers, 20, 175, 1984). Year). In order to neutralize these acidic substances, there is already a mechanism for measuring the pH of fermented substances using a measuring device in an organic matter treatment apparatus, and a mechanism for adding an alkaline agent such as slaked lime when the pH value is outside the appropriate range. Have been proposed (Japanese Patent Laid-Open Nos. 55-113688 and 1-145388). However, if a mechanism for measuring pH or a mechanism for introducing an alkaline agent is installed in the processing equipment, the equipment becomes complicated and expensive, and it is particularly applicable to individual dispersion processing using a bio-type garbage processing equipment with a small equipment. Difficult to do. In addition, it is difficult to accurately measure the pH of the fermented product that is a solid phase reaction system, and if the supply of alkaline agent is insufficient, the effect cannot be obtained. There were problems such as causing a decrease in the activity of microorganisms.
In addition, there is a method of fermenting organic matter at high speed by filling a fermenter of an organic matter processing apparatus with a pH regulator that maintains the hydrogen ion concentration from neutral to weakly alkaline and a moisture regulator that fixes microorganisms that decompose organic matter. It has been proposed (Japanese Patent Laid-Open No. 7-303871). However, this moisture regulator has a problem that it takes a week or more for preparation and the production cost is increased.
In the process of fermentation of organic waste, the factor that lowers the pH is the accumulation of organic acids, but the factor that raises the pH is the generation of ammonia. As a good fermentation process proceeds, ammonia produced by protein degradation dissolves in water and becomes ammonium hydroxide, raising the pH. When the pH rises to some extent, ammonia is volatilized as ammonia gas, so the pH does not rise so as to hinder fermentation. Accordingly, there has been a demand for the realization of a system capable of sufficiently degrading proteins and raising the pH even in an acidic environment, in particular, the provision of an enzyme suitable for the system, more preferably the provision of a microorganism.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
Accordingly, an object of the present invention is to provide an enzyme capable of improving the low pH environment of compost, which has high-performance protein resolution even in a low pH range, and can generate ammonia, if not directly, to improve the low pH environment of compost. It is another object of the present invention to provide a microorganism that can be efficiently produced and a method for producing a carboxyl protease using the microorganism.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
Under such circumstances, during the research by the present inventors, a specific phenomenon was discovered in which an active decomposition reaction continued by chance even though the pH of the fermented product was lowered to around 4.5. Thus, when microorganisms were separated from the fermented product, conventional microorganisms such as Pseudomonas sp. 101 (Oda et al. Biochimica et Biophysica Acta, 923, 463, 1987. Oda et al. J. Biol. Chem., 269, 26518, 1994), or Xanthomonas sp. (Oda et al. Agric. Biol. Chem., 51, 3073, 1987. Oda et al J. Biochem., 120, 564). Page, 1996) and a novel carboxyl protease produced by the microorganism was found and the present invention was completed.
[0005]
That is, the present invention is produced from a microorganism named as Burkholderia sp. MB-11 and commissioned as FERM P-16949, and SEQ ID NO: 1 (N-terminal fragment) and SEQ ID NO: 2 ( A carboxyl protease MB11 comprising the amino acid sequence represented by ( intermediate fragment) and having the following enzymatic properties (1) to (8) is provided.
(1) The substrate-specific casein is well hydrolyzed and acts on hemoglobin.
(2) Working pH and optimum pH
It operates at least at pH 2-6, and the optimum pH is about 3-4. It retains 20-30% of the maximum activity value at pH 5, and 10-20% of the maximum activity value at pH 2.5.
(3) pH stability It is stable in the pH range of 3 to 8 under the treatment conditions of 4 ° C. and 12 hours.
(4) Working temperature and optimum temperature The working temperature is at least 10 to 80 ° C, and the optimum temperature is 50 to 60 ° C. About 55-65% of activity at optimum temperature at 40 ° C, about 20-30% of activity at optimum temperature at 30 ° C, about 60-70% of activity at optimum temperature at 70 ° C, activity at optimum temperature at 80 ° C Retains about 30-40% activity.
(5) Temperature stability pH 5.8 Stable to at least about 50-60 ° C. under 10 minute processing conditions.
(6) Molecular weight The estimated molecular weight estimated by SDS-PAGE is about 36,000.
(7) The isoelectric point is 4.2.
(8) It is not inhibited by the inhibitors pepstatin, diazoacetylnorleucine methyl ester and 1,2-epoxy-3- (p-nitrophenoxy) propane .
Or the invention, Burkholderia sp (Burkholderia sp.) MB11 named, there is provided a microorganism producing the carboxyl protease MB11 which is commissioned as FERM P-16949.
Furthermore, the present invention provides a method for producing carboxyl protease MB11, which comprises culturing the microorganism in a medium and collecting the carboxyl protease MB11 from the culture.
[0006]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The carboxyl protease MB11 of the present invention is produced, for example, by culturing Burkholderia sp. MB11 and collecting it from the culture.
[0007]
The taxonomic properties of Burkholderia sp. MB11 are shown below.
(a) Microscopic observation results 0.5 to 0.8 μm × 1.5 to 3.0 μm of Bacillus having flagella and motility. Spore formation is not observed.
(b) Gram stainability: −,
(c) Lysis with 3% KOH: +
(d) Aminopeptidase activity: +
(e) Spore-forming ability: −,
(f) Motility: +,
(g) Catalase activity: +,
(h) Oxidase activity: −,
(i) alcohol dehydrogenase activity:-,
(j) Urease activity: −,
(k) Gelatin hydrolysis:-,
(l) Production of nitrous acid from nitric acid: +,
(m) Denitrification: − (ng)
(n) Usability of sugar, etc .:
Glucose: +
Use of citrates: +,
Arabinose:-,
Inositol:-
Adonit: +
α-amylamin: ++
m-hydroxybenzoat: +
2,3-butylene glycol: +
ciraconat: ++
Tryptamine: +
lavulinat: +
(o) Growth at 41 ° C: +
[0008]
Based on the above-mentioned studies on mycological properties, the strain was determined by German DSMZ to be a strain with properties similar to those of the Burkholderia genus Burkholderia cepacia or Burkholderia pylosinia. It was. However, this strain had specific properties as genus Burkholderia, such as acid resistance and production of carboxyl protease. Therefore, this strain was named Burghorderia SP MB11 and deposited with the Institute of Biotechnology, Institute of Industrial Science and Technology as FERM P-16949. Attach the certificate of trust.
[0009]
In order to obtain the carboxyl protease MB11 of the present invention using the above-mentioned strain, it can be obtained by inoculating the strain on a medium and culturing according to a conventional method.
It is desirable that the medium used for the culture contains an appropriate amount of assimilable carbon source and protein. However, when a nitrogen source other than protein is provided, microorganisms can grow but the production of the enzyme of the present invention decreases. .
Although the carbon source and nitrogen source are not particularly limited, examples of the carbon source include glucose and organic acids (for example, citric acid), but various starches are most suitable. As a protein source, organic nitrogen sources such as casein, soybean powder, and meat extract are effective. However, when a nitrogen source rich in low molecular weight peptides and amino acids is supplied, the production of the enzyme of the present invention is significantly reduced.
In addition, phosphate, magnesium salt, calcium salt, manganese salt, zinc salt, cobalt salt, sodium salt, potassium salt and other inorganic salts, and if necessary, inorganic, organic micronutrients and vitamins are appropriately added to the medium. Can be added.
Examples of such a medium include ACS medium (starch 1%, casein 0.3%, NaCl 0.2%, MgSO 4 .7H 2 O 0.005%, CaCO 3 0.002%, FeSO 4 .7H 2 O. 0.001%, KH 2 PO 4 0.3%, pH 4.5) can be used particularly preferably.
The culture temperature is preferably around 30 ° C., and the initial culture pH is preferably 4.5. Under these conditions, the culture is usually completed in 3 to 5 days.
[0010]
In order to collect carboxyl protease MB11, which is the target enzyme, from the thus obtained culture broth, it can be obtained according to a general enzyme collecting means. That is, after culturing, the cells are removed from the culture solution by a normal separation means such as centrifugation or filtration to obtain a crude enzyme solution. This crude enzyme solution can be used as it is, but if necessary, it can be recovered by means of ultrafiltration, precipitation, etc., and powdered using an appropriate method. The crude enzyme solution is further purified by a combination of general means for enzyme purification, such as chromatography using an appropriate cation exchange resin, anion exchange resin, hydroxyapatite, etc., affinity chromatography, hydrophobic chromatography, gel filtration and the like. It can also be purified. A suitable enzyme purification method is as follows. That is, while repeating the concentration appropriately, for example, the crude enzyme solution adjusted to pH 5.8 can be subjected to cation exchange chromatography, and gel filtration can be repeated as necessary.
[0011]
The enzymatic properties of the carboxyl protease MB11 of the present invention are described below.
(Enzyme activity measurement method)
Mcllvaine buffer containing 1.33% hemoglobin (Mcllvaine, J. Biol. Chem., 49, 183, 1921, acid component: 0.1 M citric acid, base component: 0.2 M Na 2 HPO 4 ) (pH 3. 0) Bring 375 μl to 37 ° C., add 125 μl of enzyme solution, and react at 37 ° C. for 10 minutes. Add 0.5 ml of the reaction stop solution (0.44 M trichloroacetic acid) and let stand at 30 ° C. for 20 minutes. Next, centrifuge (1000G for 5 minutes), add 0.5ml of 0.44M sodium carbonate to 0.5ml of the supernatant, add 0.5mL of 1N Folin-Ciocalteu reagent (Sigma), and leave at 37 ° C for 20 minutes. Thereafter, the absorbance at 660 nm is measured. Under the above reaction conditions, the amount of enzyme that produces an acid-soluble proteolytic product corresponding to 1 μg of tyrosine per 1 ml of the reaction solution per minute is defined as 1 unit (U).
(Enzymological properties)
(1) Action and substrate specificity: Decomposes proteins and peptides such as casein, hemoglobin, albumin, meat protein, fish protein, and soy protein. In particular, casein is well hydrolyzed and acts on hemoglobin.
A series of samples was added to a final concentration of 1.0% in Mcllvaine buffer (pH 3.5), and the reaction was carried out at 37 ° C. for 10 minutes to measure the activity. Hemoglobin was manufactured by Sigma, Bovine, and casein was manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Hamarsten method.
(2) Working pH and optimum pH (FIG. 1): It works at least at pH 2-6, and the optimum pH is about 3-4. It retains 20-30% of the maximum activity value at pH 5, and 10-20% of the maximum activity value at pH 2.5.
In Mcllvaine buffer (pH 2-8) and Clark-Lubs buffer (Clark, Lubs, J. Bact, Vol. 2, 191 pages, 1917 (acid component 0.2M HCl, base component 0.2M KCl) (pH 1-2) Hemoglobin was added to a final concentration of 1.0%, the reaction was carried out at 37 ° C. for 10 minutes, and the activity at each pH was measured.
(3) pH stability (FIG. 2): The treatment at 4 ° C. for 12 hours is stable in the pH range of 3-8.
The enzyme was added to Mcllvaine buffer (pH 2-8) and Clark-Lubs buffer (pH 1-2) and allowed to stand at 4 ° C. for 12 hours. The residual activity was measured under the conditions of pH 3.5 and 37 ° C. using hemoglobin as a substrate.
(4) Working temperature and optimum temperature (FIG. 3): It works at least at 10 to 80 ° C., and the optimum temperature is 50 to 60 ° C. About 55-65% of activity at optimum temperature at 40 ° C, about 20-30% of activity at optimum temperature at 30 ° C, about 60-70% of activity at optimum temperature at 70 ° C, activity at optimum temperature at 80 ° C Retains about 30-40% activity.
Hemoglobin was added to Mcllvaine buffer (pH 3.5) to a final concentration of 1.0%, and the reaction was carried out at each temperature for 10 minutes to measure the activity.
(5) Temperature stability (FIG. 4): Stable up to at least about 50-60 ° C. at a pH of 5.8 for 10 minutes.
This enzyme was allowed to stand at 20 ° C. for 10 minutes in a 20 mM citrate buffer and then cooled on ice. Using hemoglobin as a substrate, the residual activity was measured by reacting for 10 minutes under conditions of pH 3.5 and 37 ° C.
(6) Molecular weight (FIG. 5): As a result of 10% SDS polyacrylamide gel electrophoresis using Parfect Protein Markers (Novagen 150,000, 100,000, 75,000, 50,000, 35,000, 25,000, 15,000) as molecular weight markers. Has a molecular weight of about 36,000.
(7) Isoelectric point: The isoelectric point is 4.2.
The polyacrylamide gel was measured by isoelectric focusing. As a pI marker, a low pI calibration kit (pI 2.5-6.5) (Pharmacia) was used.
(8) Effect of inhibitor (FIG. 6): Not inhibited by pepstatin, DAN (diazoacetylnorleucine methyl ester), EPNP (1,2-epoxy-3- (p-nitrophenoxy) propane).
Using porcine pepsin (Sigma) as a control, sensitivity to an inhibitor specific for carboxyl protease was measured.
[Pepstatin] The enzyme was added to Mcllvaine buffer (pH 4.0) to a final concentration of 10 (μg / ml), and each concentration of pepstatin was allowed to act at 37 ° C. for 10 minutes. After the action, the residual activity was measured by enzyme reaction for 10 minutes under the conditions of pH 3.5 and 37 ° C. using hemoglobin as a substrate.
[DAN] This enzyme, 30 mM CuSO 4 , 60 mM DAN was added to Mcllvaine buffer (pH 5.0) and allowed to act at 37 ° C. for 0-60 minutes. Final concentrations at the time of action were enzyme: 57 (μg / ml), Cu 2+ : 2.20 mM, and DAN 2.65 mM. After the action, the residual activity was measured by enzyme reaction for 10 minutes under the conditions of pH 3.5 and 37 ° C. using hemoglobin as a substrate.
[EPNP] This enzyme was added to Mcllvaine buffer (pH 4.0) to 57 (μg / ml), 10 mg / ml of EPNP was added, and the mixture was reacted at 30 ° C. for 0-76.5 hours. After the reaction, the residual activity was measured by enzyme reaction for 10 minutes under conditions of pH 3.5 and 37 ° C. using hemoglobin as a substrate.
[0012]
Thus, the carboxyl protease MB11 of the present invention is a novel enzyme that has not been reported previously. Although this enzyme is similar to the enzyme produced by Pseudomonas sp. 101 described above, it is a novel enzyme that can recognize differences in its molecular weight, optimum pH, and isoelectric point.
The microorganism of the present invention goes through a series of protein assimilation processes, and finally produces ammonia by a deamination reaction, which consequently increases the pH of the growth environment.
The carboxyprotease MB11 of the present invention can be effectively used as a detergent for removing protein stains or as a detergent for the production of acidic food products by adding it to an acidic detergent, in addition to a fermentation treatment step for organic waste. .
[0013]
【Example】
Hereinafter, although an example is given and explained in detail, the present invention is not limited to these.
Example 1
First, as a primary screening, acid-resistant microorganisms were separated by selective culture using an acidic medium (SPYN medium).
[SPYN medium] (J. Gen. Appl. Microbiol. 41, 175, 1995)
Soluble Starch: 1%, Pepton: 0.1%, Yeast extract: 0.01%, Nutrient broth: 0.05%, KNO 3 : 0.2%, NaCl: 0.2%, MgSO 4 7H 2 0: 0.005%, CaCl 2 2H 2 O: 0.002 %, FeSO 4 7H 2 O: 0.001%, (pH: 4.5)
The fermented product was added to the SPYN liquid medium, and aerobic culture was performed at 30 ° C., and the generated strain was isolated using the SPYN agar medium in a timely manner after 1-7 days of culture. The obtained strain was purified by repeated streak culture using SPYN agar medium.
Next, secondary screening based on the presence or absence of protease activity was performed. When a strain having protease activity is cultured on an ACS agar medium, a zona pellucida (halo) is formed around the colony. Using this property as an index, protein-utilizing microorganisms were separated.
About the obtained isolate, when carboxyl protease activity was quantified, it had this enzyme activity. In this way, the Burkholderia SP MB11 strain of the present invention was selected.
[0014]
Example 2
Next, the production of carboxyl protease of Burkholderia sp. MB11 strain obtained in Example 1 and the effect of improving pH accompanying protein degradation were verified. This strain was cultured in an ACS medium at 30 ° C. for 5 days, and the growth of the cells, the pH of the medium, and the protease activity were measured.
[Method for Measuring Cell Growth] Cell growth was determined by measuring the ATP concentration. For the measurement of the ATP concentration, an ATP measurement reagent kit Lucifer LU (manufactured by Kikkoman Corporation) was used.
The growth of the bacterial cells (FIG. 7), the protease activity secreted into the medium (FIG. 8), and the change over time in the pH value of the medium (FIG. 9) are shown in the figure. It can be seen that this strain actively produces protease as its growth occurs. Protease is produced by the growth of the cells, and the pH value of the medium is increased to near neutrality. Looking at the relationship between protease activity in the medium and pH value, when protease is produced and protein degradation proceeds, the pH value is clearly shifted to the neutral side, which is consistent with the purpose of the present invention. It was shown that.
[0015]
Example 3
Burkholderia sp. MB-11 strain obtained in Example 1 was inoculated into ACS liquid medium (pH 4.5) and cultured at 30 ° C. for 72 hours. After culturing, 20 mM citric acid was added to the supernatant from which the cells had been removed by centrifugation, and the pH was adjusted to 5.8. This crude enzyme solution was added to DEAE-Sepharose CL-6B (Pharmacia, column diameter 1.8 cm × length 23.5 cm) previously equilibrated with 20 mM citrate buffer (pH 5.8). Elution was performed with a concentration gradient of -0.5 M sodium chloride (FIG. 10). A fraction having high protease activity was collected and concentrated by collodion bag (manufactured by Sartorius). The concentrated solution was added to Sephadex G-75 (Pharmacia, column diameter 3.3 cm × length 71 cm) equilibrated with 20 mM citrate buffer (pH 5.8) containing 0.2 M sodium chloride, Eluted with the same buffer. The active fraction was collected and concentrated by collodion bag (manufactured by Sartorius). Add the concentrated solution to Bio-Gel P-100 (Biorad, column diameter 1.7 cm x length 81 cm) equilibrated with the same buffer in advance, and elute with the same buffer to separate the active fraction. (FIG. 11). By the above operation, an enzyme preparation that electrophoretically shows a single band was obtained (FIG. 5). As a result, this enzyme was purified to about 9 times. The purification steps are summarized in the purification table (FIG. 12). Of particular note is that the specific activity of the crude enzyme solution obtained using the ACS medium as a culture medium shows an extremely high value of 147 (U / mg), and this medium is suitable for the production of this enzyme. It is a medium. For this reason, the use of this medium made it possible to purify the enzyme relatively easily.
As a result of determining the amino acid sequence of this enzyme using a protein sequencer (Applied Biocystems 477A), it was found that this enzyme is a protein containing the following N-terminal fragment and intermediate fragment. The enzymological properties were as shown in FIG.
[0016]
Figure 0004382890
[0017]
Figure 0004382890
[0018]
【The invention's effect】
According to the present invention, there is provided an enzyme capable of improving the low pH environment of compost, which has high-performance protein resolution even in a low pH range, and can generate ammonia, if not directly, to improve the low pH environment of compost. And a method for producing a carboxyl protease using the microorganism are provided.
[0019]
[Sequence Listing]
Figure 0004382890
Figure 0004382890

[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a graph showing the working pH and optimum pH of the enzyme of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing the pH stability of the enzyme of the present invention.
FIG. 3 is a graph showing the working temperature and optimum temperature of the enzyme of the present invention.
FIG. 4 is a graph showing the temperature stability of the enzyme of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing SDS-PAGE and molecular weight calculation of the enzyme of the present invention.
FIG. 6 is a graph showing the influence of an inhibitor on the enzyme of the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing the growth of the microorganism of the present invention.
FIG. 8 shows the protease activity of the enzyme produced by the microorganism of the present invention.
FIG. 9 is a diagram showing the pH adjusting ability given to the microorganism culture medium of the present invention.
FIG. 10 is a diagram showing a purification process (ion exchange chromatogram by DEAE-Sepharose CL-6B) of the enzyme of the present invention.
FIG. 11 is a diagram showing a purification process (gel filtration chromatogram by Sephadex G-75) of the enzyme of the present invention.
FIG. 12 summarizes a series of purification steps of the enzyme of the present invention.
FIG. 13 is a diagram showing enzymological properties of the enzyme of the present invention (comparison with other microorganism-derived carboxyl proteases).

Claims (3)

ブルクホルデリア エスピー(Burkholderia sp.)MB−11と命名され、FERM P−16949として受託された微生物から生産され、配列表の配列番号1(N末端フラグメント)および配列番号2(中間部フラグメント)で表されるアミノ酸配列を含む、次の(1)〜(8)の酵素学的性質を有するカルボキシルプロテアーゼMB11。
(1)基質特異性
カゼインをよく加水分解し、ヘモグロビンに対しても作用する。
(2)作用pH及び最適pH
少なくともpH2〜6で作用し、最適pHは約3〜4である。pH5において最大活性値の20〜30%、pH2.5において最大活性値の10〜20%の活性を保持する。
(3)pH安定性
4℃、12時間の処理条件でpH3〜8の範囲で安定である。
(4)作用温度及び最適温度
少なくとも10〜80℃で作用し、最適温度は50〜60℃である。40℃で最適温度における活性の約55〜65%、30℃で最適温度における活性の約20〜30%、70℃で最適温度における活性の約60〜70%、80℃で最適温度における活性の約30〜40%の活性を保持する。
(5)温度安定性
pH5.8 、10分間の処理条件で少なくとも約50〜60℃まで安定である。
(6)分子量
10 %SDS−PAGEによる見かけの推定分子量は、約36,000である。
(7)等電点
4.2である。
(8)阻害剤
ペプスタチン、ジアゾアセチルノルロイシンメチルエステルおよび1、2-エポキシ-3-(p-ニトロフェノキシ)プロパンによっては阻害されない。
Burkholderia sp. MB-11, produced from a microorganism deposited as FERM P-16949, with SEQ ID NO: 1 (N-terminal fragment) and SEQ ID NO: 2 (intermediate fragment) Carboxyl protease MB11 having the following enzymatic properties (1) to (8), comprising the amino acid sequence represented :
(1) The substrate-specific casein is well hydrolyzed and acts on hemoglobin.
(2) Working pH and optimum pH
It operates at least at pH 2-6, and the optimum pH is about 3-4. It retains 20-30% of the maximum activity value at pH 5, and 10-20% of the maximum activity value at pH 2.5.
(3) pH stability It is stable in the pH range of 3 to 8 under the treatment conditions of 4 ° C. and 12 hours.
(4) Working temperature and optimum temperature The working temperature is at least 10 to 80 ° C, and the optimum temperature is 50 to 60 ° C. About 55-65% of activity at optimum temperature at 40 ° C, about 20-30% of activity at optimum temperature at 30 ° C, about 60-70% of activity at optimum temperature at 70 ° C, activity at optimum temperature at 80 ° C Retains about 30-40% activity.
(5) Temperature stability pH 5.8, stable to at least about 50-60 ° C. under 10 minute processing conditions.
(6) Molecular weight The estimated molecular weight estimated by 10% SDS-PAGE is about 36,000.
(7) The isoelectric point is 4.2.
(8) It is not inhibited by the inhibitors pepstatin, diazoacetylnorleucine methyl ester and 1,2-epoxy-3- (p-nitrophenoxy) propane.
ブルクホルデリア エスピー(Burkholderia sp.)MB−11と命名され、FERM P−16949として受託された請求項1記載のカルボキシルプロテアーゼMB11を生産する微生物。  The microorganism producing the carboxyl protease MB11 according to claim 1, which was named Burkholderia sp. MB-11 and was commissioned as FERM P-16949. 請求項記載の微生物を培地に培養し、その培養物から請求項1に記載のカルボキシルプロテアーゼMB11を採取することを特徴とするカルボキシルプロテアーゼMB11の製造法。A method for producing carboxyl protease MB11, comprising culturing the microorganism according to claim 2 in a medium and collecting the carboxyl protease MB11 according to claim 1 from the culture.
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