KR0139591B1 - 고 전이 활성 베타-갈락토시다제를 생산하는 미생물 및 이를 이용한 고 전이 활성 베타-갈락토시다제의 제조방법 - Google Patents

고 전이 활성 베타-갈락토시다제를 생산하는 미생물 및 이를 이용한 고 전이 활성 베타-갈락토시다제의 제조방법

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KR0139591B1 KR1019940037238A KR19940037238A KR0139591B1 KR 0139591 B1 KR0139591 B1 KR 0139591B1 KR 1019940037238 A KR1019940037238 A KR 1019940037238A KR 19940037238 A KR19940037238 A KR 19940037238A KR 0139591 B1 KR0139591 B1 KR 0139591B1
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Abstract

본 발명은 고전이활성을 가지는 ß-갈락토시다제를 생산할 수 있는 새로운 변이주 및 이를 이용한 ß-갈락토시다제의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 균주는 ß-갈락토시다제를 생산하는 미생물인 바실러스 속(Bacillus sp.) A1 균주를 친주로 하여 변이처리를 통해 선별된, 고전이활성의 ß-갈락토시다제를 생산하는 바실러스 속(Bacillus sp.) MWG 4442(KFCC-10855) 균주이며, 이 균주를 발효배지에서 배양하여 ß-갈락토시다제를 축적하고 배양액으로부터 상기 효소를 회수하므로써 고전이활성을 갖고 대사물질 리프레션(Catabolite repression)이 어느 정도 해제된 ß-갈락토시다제를 생산할 수 있다.

Description

본건 발명의 내용은 1194년 12월 10일자로 한국응용미생물학회에서 개최한 제2차 한-중 생명공학 심포지움에서 발표되었던 바, 이에 특허법 제 30조의 규정에 의거하여 신규성 의제의 적용을 받고자 합니다.
[발명의 명칭]
고 전이 활성 ß-갈락토시다제를 생산하는 미생물 및 이를 이용한 고 전이 활성 ß-갈락토시다제의 제조방법
[발명의 상세한 설명]
본 발명은 고 전이 활성을 갖는 ß-갈락토시다제를 생산할 수 있는 새로운 변이주 바실러스 속(Bacillus sp.) MWG 4442 균주 및 이를 이용한 고 전이 활성을 가지는 ß-갈락토시다제의 제조방법에 관한 것이다.
ß-갈락토시다제는 유당(lactose)를 가수분해하여 포도당과 갈락토스로 분해하는 기능을 갖는 효소로, 동식물 및 미생물에 존재한다. 이 효소는 기원에 따라 가수분해활성과 도시 갈락토스의 전이활성을 갖기도 한다.
최근까지의 연구는 이 효소가 유제품(乳製品) 중의 유당을 가수분해하여 유제품의 품질을 향상시키는 용도나 유당 불내증(不耐症)을 치료하는 의약품용 등의 용도로 이용되었기에 유당의 가수분해에 초점이 맞춰졌었다. 그러나 최근 비피더스 증식인자로서의 갈락토올리고당의 기능이 알려짐에 따라 이 효소의 갈락토스 전이활성에 대한 관심이 높아지고 있다.
몇몇 효소의 갈락토스 전이활성을 이용하여 유당으로부터 갈락토 올리고당을 제조하는 방법(일본특허공고 昭 58-20266, 일본특허공고 昭 61-236790 등)이 알려져 있으나 이들 방법은 산업적으로 적용되기에는 불충분하다. 즉, 상기 방법들에서는 공지의 아프서질러스 오리재(Aspergillus oryzae)나 클립토코커스 로렌티(Cryptococcus laurentii)로부터 생산된 ß-갈락토시다제를 이용하여 갈락토스 올리고당을 제조하고 있지만, 유당으로부터 올리고당에로의 전환율이 낮아 미반응 유당이 다량으로 남는 단점이 있다.
이러한 상황하에서 본 발명자들은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하고 산업적 목적으로 이용하기 위해 전이활성이 우수한 ß-갈락토시다제를 생산하기 위하 수단을 제공하고자 오랜 연구를 수행하였고, 그 결과로서 새로운 변이주 바실러스 속(Bacillus sp.) MWG4442(KFCC-10855) 균주로 이용하여 상기 목적을 달성할 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하였다.
즉, 본 발명은 고 전이 활성을 갖는 ß-갈락토시다제를 생산할 수 있는 변이주 바실러스 속(Bacillus sp.) MWG 4442 균주를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 또한 상기 균주를 발효배지에서 배양하여 ß-갈락토시다제를 축적하고 배양액으로부터 상기 효소를 회수함을 특징으로 하는 고 전이 활성 ß-갈락토시다제의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적 및 적용은 하기 발명의 상세한 설명으로부터 당업자에게 명백하게 드러날 것이다.
이하 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
본 발명자들은 ß-갈락토시다제의 기원에 다라 그의 가수분해 활성과 갈락토스 전이활성이 다름에 착아하여 전이활성이 높은 균주를 선별하고자 노력하였다.
토양으로부터 분리한 여러 균주의 효소활성을 측정하여 전환율과 전이율이 우수한 균주를 분리하고 부분 동정하여 바실러스 속(Bacillus sp.) A1이라 명명하였다.
이 균주의 특성은 표1에 나타나있다. 이 균주가 생산하는 ß-갈락토시다제는 세포의 효소로서 회수가 용이하고 40% 유당을 기질로 하여 유당 단위 g당 2unit의 ß-갈락토시다제를 가하여 효소반응한 결과 전환율 70%에 전이율 90%로 갈라토 올리고당 생산에 매우 우수한 성질을 보유하였다.
여기서 전환율(%)은 [(초기 유당 농도-잔존 유당 농도)/ 초기 유당농도]×100으로, 전이율(%)은 [(잔존 포도당 농도-잔존 갈락토스 농도)/ 잔존 포도당 농도]×100으로 정의하였다.
또한 효소의 활성은 ONPG(O-나이트로페닐-ß-갈락토사이드)를 기질로 하여 1분당 1u mole의 O-나이트로페놀을 유리시키는데 필요한 효소량을 1unit로 정의하였다.
한편, 상기한 전환율(%)과 전이율(%)은 각각 균주 또는 효소의 가수분해활성과 전이활성을 나타내는 척도로 볼 수 있다.
일반적으로, 효소 반응에 있어서 유당과 단당으로부터의 전이율과 전환율과의 관계는, 전환율이 낮으면 전이율이 비교적 높고, 전환율이 높으면 전이율이 비교적 낮은 경향을 보임에도 불구하고, 후술하는 본 발명에 따른 변이주에 의해 생산되는 효소는 전환율도 높으면서 동시에 전이율도 높은 특성을 나타낸다.
상기에서와 같이 하여 선별된 균주의 효소활성은 1.8U/배양액-ml으로 비교적 높은 편이었으나 이 효소가 유당에 의해 유도되는 유도효소이고 대사물질 리프레션(catabolite repression)을 받아 산업적 용도로 이요하기에는 다소 문제가 있었다.
그래서 본 발명자들은 효소활성을 증대시키기 위해 돌연변이를 일으키고 선택 마커(selection marker)로 2-데옥시글루코스(2-deoxyglucose), X-Gal(5-브로모-4-클로로-3-인돌릴-베타-갈락토피라노스), 2-니트로페닐-β-푸코사이드(2-nitorophenyl-β-fucoside), 페닐-β-갈락토사이드(phenyl-β-galactoside) 등을 사용하여 대수물질 리프레션(catabolite repression)이 부분적으로 해제되고 유당에 의하여 유도되는 성질이 완화된 변이주를 선발하였다.
친주로부터 변이주를 얻는 방법은 특별히 한정되지 않고 통상의 방법에 따라 실시할 수 있으며, 본 발명에서는 다음과 같이 하여 제조하였다.
친주인 바실러스 속(Bacillus sp.) A1 균주를 포도당 0.2%, 갈락토스 0.5%, 유당 0.2%, 제2인산칼륨 0.1%, 제1인산칼륨 0.1%, 유안 0.5%, 황상마그네슘 0.01%, 염화나트륨 0.001% 및 효모추출물 1%를 함유하는 배지 1(pH 7.0, 121℃ × 15분 살균)에서 40시간 동안 배양하였다. 이어 배양액을 원심분리하여 상등액과 균체를 분리하여 상등액은 버린 뒤, 멸균한 생리식염수에 현탁시킨후 변이유발 물질인 NTG(N-메틸-N'-니트로-N-니트로소구아니딘)를 최종농도가 100ug/ml되게 처리하고 상온에서 30분 반응시켰다. 원심분리 및 세척에 의하여 균체와 변이제를 분리시킨 후 2-데옥시글루코스와 X-Gal(5-브로모-4-클롤로-3-인돌릴-베타-갈락토피라노스)이 첨가된 최소배지(포도당 1%, 제2인산칼륨 0.1%, 제1인산칼륨 0.1%, 유안 0.5%, 황상마그네슘 0.01%, 염화나트륨 0.00%, 황산철 0.0005%, 아스파라진산 0.2% 및 한천 1.5%를 포함, pH 7.0, 121℃×15분 살균)에 균체를 도말하고 30℃에서 하루 배양하였다. 생육이 우수한 1,000여개의 푸른색의 콜로니로부터 효소활성이 우수한 1차 변이주를 선발하였다. 플라스크 배양시 효소활성은 친주가 1.8U/배양액-ml임에 비해 6U/배양액-ml이었다.
좀더 효소활성을 증가시키기 위해 상기 1차 변이주를 상기 방법에 의해 재처리하여 2-nitrophenyl-β-fucoside이 포함된 최소배지에서 500여개의 변이주를 선별하였으며 이중 효소활성이 가장 높은 것을 2차 변이주로 선별하였으며 효소활성은 16U/배양액-ml이었다.
2차 변이주를 같은 방법에 의해 재처리하여 페닐-β-갈락토사이드가 포함된 최소배지에서 최종적으로 가장 우수한 균주를 선발하고 MWG4442로 명명하였따.
최종적으로 선별한 MWG 4442 균주의 특성은 표1에 나타나있다. 이 균주가 생산하는 ß-갈락토시다제는 친주와 같이 세포의 효소로서 40% 유당을 기질로 하여 유당 단위 g당 2unit의 ß-갈락토시다제를 가하여 효소반응한 결과 전환율은 70%, 전이율 91%로 친주과 거의 비슷한 특성을 보여 주였다.
효소의 활성은 30.2U/배양액-ml로 친주의 1.8U/배양액-ml에 비해 15배 이상 증가하였고 대사물질 리프레션이 어느 정도 해제되고 유당에 의하여 유도되는 성질이 완회된 효소특성을 보여주었다.
한편, 갈락토시다제를 생산하는 바실러스 속 균주로는 바실러스 서큘란스(Bacillus circulans) LOB 377 (ATCC 31382)가 미국특허 제4,327,230호에 기재되어 있으나, 본 발명의 변이주는 상기 문헌에 기재된 균주와은 상이한 균주이며, 또 효소 활성의 측면에 있어서도 효소활성 측정 조건이 상이하기는 하지만 거의 3배 이상 가깝게 높은 활성을 나타낸다.
본 발명에 따른 변이주 바실러스 속(Bacillus sp.) MWG 4442는 1994년 12월 17일자로 한국종균협회(KFCC)에 기탁되어 KFCC-10855의 수탁번호를 부여받았다.
본 발명의 변이주의 배양에 사용될 수 있는 탄소원은 유당이나 유당을 함유한 탄소원을 선택할 수 있으며, 질소원으로는 유기, 무기 질소원 예를 들면, 효모추출물, 옥수수 첨지액, 펩톤, 폴리펩톤, 카제인 분해물, 콩가루, 소이톤, 질산나트륨 및 질산암모늄 등을 사용할 수 있다.
또한, 미네랄 및 미기염류로는 황산마그네슘, 염화나트륨, 인산 제1칼륨 및 인산 제2칼륨 등을 사용할 수 있다.
본 변이주의 배양온도는 28∼40℃의 범위가 적당하며 배양에 최적인 pH는 중성부근이다.
ß-갈락토시다제의 활성은 ONPG(O-나이트로페닐-β-갈락토사이드)법을 이용하여 측정하였다. 10mM ONPG 기질용액 0.5ml, 100mM인 산염완충액(pH 6.0) 1.9ml에 조효소액 0.1ml을 가하여 50℃에서 10분간 반응시킨후 1M Na2CO3 용액 2ml를 첨가하여 효소반응을 정지시킨 다음 420nm에서 흡광도를 측정하였다. 효소활성의 단위는 위 조건에서 1분당 1u mole의 O-나이트페놀을 유리시키는데 필요한 효소량을 1unit로 정의하였다.
전환율 및 전이율은 효소반응 산물을 Sugar-Pak 칼럼과 Econosphere-NH2 칼럼을 사용하여 HPLC로 분석하여 계산하였다.
이하 실시예에 의해 본 발명을 보다 상세히 설명하지만 본 발명이 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예를 비록한 명세서 전반에 걸쳐 사용된 %는 다른 언급이 없는 한 중량%이다.
[실시예1]
친주인 바실러스 속(Bacillus sp.) A1 균주를 포도당 0.2%, 갈락토스 0.5%, 유당 0.2%, 제2인산칼륨 0.1%, 제1인산칼륨 0.1%, 유안 0.5%, 황산마그네슘 0.01%, 염화나트륨 0.001% 및 효모추출물 1%를 함유하는 배지1(표2) (pH 7.0, 121℃ × 15분 살균)에서, 37℃, 40시간 동안 진탕배양(250rpm)하였다.
원심분리하여 상등액과 균체를 분리하고 상등액은 버린 뒤 멸균한 생리식염수에 현탁시킨후 NTG(N-메틸-N'-니트로-N-니트로소구아니딘)를 최종농도가 100ug/ml되게 처리하고 상온에서 30분 반응시켰다. 원심분리하여 회수한 균체를 2회 식염수로 세척한 뒤, 이를 희석하여 0.02% 2-데옥시글루코스와 X-Gal(5-브로모-4-클로로-3-인돌릴-베타-갈락토피라노스)이 첨가된 배지2(포도당 1%, 제2인산칼륨 0.1%, 제1인산칼륨 0.1%, 유안 0.5%, 황산마그네슘 0.01%, 염화나트륨 0.00%, 황산철 0.0005%, 아스파라진산 0.2% 및 한천 1.5%를 포함, pH 7.0, 121℃ × 15분 살균)에 도말하고 30℃에서 하루동안 배양하였다.
평판배양 기간동안 생성된 콜로니중에서 생육이 우수한 푸른색 콜로니를 분리한 다음, 이르라 ß-갈락토시다제 생산성을 확인하기 위해 효소생산용 기본배지인 배지 1을 100ml 함유하는 500ml의 진탕 플라스크에 1백금이씩 접종한 후 30℃에서 하루동안 배양하여 생산성이 가장 우수한 균주를 변이주로 선별하였다.
배지1에서 같은 조건으로 배양했을 때 친주인 A1과 1차 변이주의 배양액의 효소활성은 각각 1,2U/배양액-ml과 4.8U/배양액-ml이었다.
이 1차 변이주를 위와 같은 방법으로 돌연변이시킨 후 0.3%의 유당과 0.03%의 2-nitrophenyl-β-fucoside이 포함된 한천 배지3에 도말하고 30℃에서 하루동안 배양하였다. 선발된 콜로니들을 효소생산용 기본배지인 배지1에서 배양하여 활성을 확인하였으며 이중 효소활성이 가장 높은 것은 2차 변이주로 선발하였는데 1.25U/배양액-ml의 활성을 보여주었다.
2차 반이주를 다시 같은 방법으로 돌연변이 처리하여 페닐-β-갈락토시다가 포함된 한천 배지4에 도말하고 30℃에서 하루동안 배양하였다. 선발된 콜로니들을 효소생산용 기본배지인 배지1에서 배양하여 활성을 확인하여 최종적으로 가장 우수한 균주를 선발하고 MWG 4442로 명명하였다.
배지1에서 배양했을 때 MWG 4442의 효소활성은 24U/배양액-ml이었다.
[실시예2]
배지1에서의 갈락토스 농도를 1.5%로 높이고 효모추출물 대신 카제인가수분해물 1%를 사용한 것외에는 실시예1과 동일한 배지조건(배지5)에서 MWG 4442(KFCC-10855) 균주를 배양한 결과 배양액의 효소활성은 30.2U/배양액-ml이었다.
[실시예3]
변이주 MWG 4442(KFCC-10855)와 친주인 A1을 이용하여 실시예2와 동일하게 배양하여 조효소액을 얻은 후 그 활성을 비교하여 그 결과를 표3에 나타내었다.
상기 표3의 경우에서 알 수 있듯이, 본 발명의 변이주 MWG 4442(KFCC-10855)는 친주에 비해 15배 이상 높은 ß-갈락토시다제 생성능을 나타낸다.
[비교예1]
미국특허 제 4,237,230호에 기재된 바실러스 서큘란스 LOB 377(ATCC 31382)를 이용하여 효소활성을 측정하였다. 상기 문헌에 기재된 것과 동일한 방법으로 배양한 후, 0.25% ONPG를 기질용액으로 하고 40℃에서 15분의 조건하에 반응시켰다. 420nm에서의 흡광도를 측정하여 효소활성을 계산하였다. 그 결과, 효소 활성은 13unit/ml-배양액이었다.
[실시예4]
변이주와 친주의 ß-갈락토시다제의 전환율과 전이율을 40% 유당을 기질로 하여 측정하였다. 유당 단위 g당 2unit의 ß-갈락토시다제를 가하여 전이율과 전환율을 측정한 결과를 표4에 나타내었다.
-표4(원고 14페이지)-
상기 표4의 결과에서 알 수 있듯이, 친주와 변이주의 ß-갈락토시다제과 전이율은 별 차이가 없다.
[실시예5]
변이주와 친주의 효소합성 조절 양상을 살펴보기 위하여, 배지6에 포도당, 포도당과 갈락토스, 유당이 1%씩 첨가된 첨가구에서 친주와 변이주 MWG 4442(KFCC-10855)를 40시간 배양하여 효소의 비활성을 비교하고, 그 결과를 표5에 표시하였다. 효소의 비활성은 효소의 활성(U/배양액-ml)을 610nm에서의 흡광도(A610)로 나눈 값으로 하였다.
-표4(원고 15페이지)-
표4의 결과로부터 본 발명의 변이주 MWG 4442(KFCC-10855)는 대사물질 리프레션(catabolite repression)이 어느 정도 해제되고 유당에 의해서 유도되는 성질이 어느 정도 완화된 효소 특성을 보여줌을 알 수 있다.

Claims (2)

  1. 고 전이 활성 ß-갈락토시다제를 생산할 수 있는 변이주 바실러스 속(Bacillus sp.) MWG 4442(KFCC-10855).
  2. 제1항에 기재된 변이주 바실러스 속(Bacillus sp.) MWG 4442(KFCC-10855)를 발효배지에서 배양하여 고 전이 활성 ß-갈락토시다제를 축적시키고, 배양액으로부터 상기 ß-갈락토시다제를 회수함을 특징으로 하는 발효법에 의한 활성 ß-갈락토시다제의 제조방법.
KR1019940037238A 1994-12-27 1994-12-27 고 전이 활성 베타-갈락토시다제를 생산하는 미생물 및 이를 이용한 고 전이 활성 베타-갈락토시다제의 제조방법 KR0139591B1 (ko)

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