KR100330688B1 - Gene Coding for Heat-resistant Alanine Racemase of Aquifex pyrophilus, Heat-resistant Alanine Racemase Expressed therefrom, and Method for Preparing the Same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 초고온 미생물 중 진정세균인 아퀴펙스 파이로필러스(Aquifex pyrophilus)로부터 단리한 강한 내열성을 갖는 알라닌 라세메이즈 효소의 유전자, 이로부터 발현되는 아미노산 서열을 갖는 알라닌 라세메이즈, 상기 유전자를 함유하는 발현 벡터로 형질전환된 대장균에서 상기 알라닌 라세메이즈를 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention is a gene of alanine racease enzyme having a strong heat resistance isolated from Aquifex pyrophilus, a sedative bacterium of ultra-high temperature microorganisms, alanine racease having an amino acid sequence expressed therefrom, containing the gene It relates to a method for producing the alanine racemes in E. coli transformed with an expression vector.
본 발명에서 단리된 아퀴펙스 파이로필러스의 알라닌 라세메이즈의 유전자를 포함하는 발현 벡터로 형질전환된 대장균에서 생산된 알라닌 라세메이즈는 기존의 중온성 세균에서 단리된 효소보다 고온, pH 및 유기 용매 등의 조건 하에서도 높은 안정성을 갖기 때문에 의약품 생산 및 식품 소재의 생산 등과 같이 산업적으로 유용하게 사용될 수 있다.Alanine racease produced in E. coli transformed with an expression vector comprising the gene of alanine racease of Aquipex pyrophyllus isolated in the present invention is a higher temperature, pH and organic solvent than enzymes isolated from conventional mesophilic bacteria. Since it has high stability even under such conditions, it can be usefully used industrially, such as production of pharmaceuticals and production of food materials.
Description
본 발명은 초고온 미생물인 아퀴펙스 파이로필러스로부터 유래된 강한 내열성을 갖는 알라닌 라세메이즈 효소의 유전자, 이로부터 발현되는 아미노산 서열을 갖는 알라닌 라세메이즈 및 상기 유전자를 함유하는 발현 벡터로 형질전환된 숙주 세포에서 상기 알라닌 라세메이즈를 제조하는 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 서열 1에 나타낸 염기 서열을 갖는 유전자 및 이로부터 발현된 아미노산 서열을 갖는 내열성 알라닌 라세메이즈에 관한 것이다.The present invention relates to a gene of alanine racease enzyme having a strong heat resistance derived from aquipex pyrophyllus which is a very high temperature microorganism, an alanine racease having an amino acid sequence expressed therefrom and a host transformed with an expression vector containing the gene. It relates to a method of preparing said alanine racease in a cell. More specifically, the present invention relates to a heat resistant alanine racease having a gene having the nucleotide sequence shown in SEQ ID NO: 1 and an amino acid sequence expressed therefrom.
알라닌 라세메이즈 효소는 D-알라닌을 L-알라닌으로, 또는 L-알라닌을 D-알라닌으로 전환하는 효소로서 이 과정에서 생산되는 D-알라닌은 미생물의 세포막 형성에 이용된다.Alanine racease enzyme is an enzyme that converts D-alanine to L-alanine, or L-alanine to D-alanine. D-alanine produced in this process is used to form cell membranes of microorganisms.
D-아미노산은 항생제 생산을 위한 전구체를 구성하여 항생제 합성 원료로 사용되고 있으며 감미료, 조미료, 식품첨가물 등 식품 산업에도 그 이용도가 증가하고 있다. 이러한 D-아미노산은 현재까지 유기합성법으로 주로 생산되고 있으나 최근에는 아미노산 라세메이즈 등의 효소를 이용한 D-아미노산 생산 방법이 모색되고 있다. 특히 아미노산 라세메이즈를 이용한 D-아미노산의 생산 공정에서 알라닌 라세메이즈는 핵심적인 효소 중의 하나이며 보다 효율적인 D-아미노산의 생산 방법의 개발을 위하여 안정성이 높은 효소의 개발이 요구된다. 중온성 세균인 바실러스서브틸리스 (Bacillus subtilis) (Ferrari, E., Henner, D. J., and Yang, M. Y. (1985) Isolation of an alanine recemase gene from Bacillus subtilis and its use for plasmid maintainance on B. subtilis. Biotechnology Vol. 3, pp1003-1007) 또는 고온 미생물인 바실러스 스테아로써모필러스 (Bacillus stearothermophilus) (Inagaki, K., Tanizawa, K., Bade, B., Walsh, c. T., Tanaka, h., and Soda, K. (1986) Thermostable alanine recemase from Bacillus stearothermophilus: Molecular cloning of the gene, enzyme purification, and characterization. Biochemistry Vol 25, pp3268-3274)에서 알라닌 라세메이즈에 대한 연구가 진행되고 있으나 초고온성 세균에서의 알라닌 라세메이즈에 관한 연구는 전무한 상태이다.D-amino acids form precursors for the production of antibiotics and are used as raw materials for antibiotic synthesis, and their use in the food industry such as sweeteners, seasonings and food additives is increasing. Such D-amino acids have been mainly produced by organic synthesis until now, but recently, a method for producing D-amino acids using enzymes such as amino acid racemes has been sought. In particular, alanine racease is one of the key enzymes in the production process of D-amino acid using amino acid racemease, and development of highly stable enzyme is required to develop a more efficient method for producing D-amino acid. Bacillus subtilis (Ferrari, E., Henner, DJ, and Yang, MY (1985) Isolation of an alanine recemase gene from Bacillus subtilis and its use for plasmid maintainance on B. subtilis.Biotechnology 3, pp 1003-1007) or Bacillus stearothermophilus (Inagaki, K., Tanizawa, K., Bade, B., Walsh, c. T., Tanaka, h., And Soda, K. (1986) Thermostable alanine recemase from Bacillus stearothermophilus: Molecular cloning of the gene, enzyme purification, and characterization.Biochemistry Vol 25, pp3268-3274) There is no research on alanine racemes.
지금까지의 효소공학에 이용되는 생물자원은 주로 상온 및 고온에서 성장하는 생물체에서 기원하는 효소들이다. 이러한 효소들은 고온, 산성, 염기성 또는 고염도 같은 환경에서의 안정성 및 활성도가 제한된다. 그러나 최근 물의 비등점인 100℃ 근처 또는 그 이상에서도 성장할 수 있는 초고온 미생물들이 보고되었으며 이러한 미생물에서 단리된 효소들 역시 고온에서도 변성되지 않고 활성을 유지하는 것으로 알려졌다. 따라서 이들 초고온 미생물에서 D-아미노산의 생산에 이용될 수 있는 효소를 개발하는 필요성이 대두되고 있다.Biological resources used in enzymatic engineering up to now are enzymes originating from living organisms growing at room temperature and high temperature. These enzymes have limited stability and activity in environments such as high temperature, acidic, basic or high salinity. However, recently, very high temperature microorganisms that can grow near or above the boiling point of water of 100 ° C. have been reported, and enzymes isolated from these microorganisms are known to remain active even at high temperatures. Therefore, there is a need to develop enzymes that can be used to produce D-amino acids in these ultra-high temperature microorganisms.
따라서, 본 발명의 목적은 초고온 세균으로부터 알라닌 라세메이즈의 유전자를 단리하고, 이를 숙주 세포에서 발현시켜 고온, pH 및 유기 용매 등의 조건 하에서도 높은 안정성을 갖는 알라닌 라세메이즈를 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to isolate alanine racease genes from ultra-high temperature bacteria and express them in host cells to provide alanine raceases having high stability even under conditions such as high temperature, pH, and organic solvents.
도 1은 알라닌 라세메이즈 유전자 및 이 유전자 주위의 DNA 염기서열 및 이에 의해 코딩되는 아미노산 서열.1 shows an alanine racease gene and a DNA sequence around the gene and an amino acid sequence encoded thereby.
도 2는 아퀴펙스 파이로필러스로부터 클로닝된 알라닌 라세메이즈 유전자를 발현하는 플라스미드인 pAR1의 구성도.Figure 2 is a block diagram of pAR1 which is a plasmid expressing the alanine racease gene cloned from Aquipex pyrophyllus.
도 3은 열처리에 의해 정제된 알라닌 라세메이즈의 변성 폴리아크릴아미드 겔에서 전기영동 결과를 보여주는 사진.Figure 3 is a photograph showing the results of electrophoresis on the modified polyacrylamide gel of alanine racemate purified by heat treatment.
도 4는 대장균에서 발현되고 정제된 아퀴펙스 파이로필러스의 알라닌 라세메이즈 효소의 D-알라닌을 L-알라닌으로 전환하는 반응성을 각 pH에서 측정한 결과를 나타낸 그래프.Figure 4 is a graph showing the results of measuring the reactivity to convert the D-alanine of the alanine racease enzyme of Aquipex pyrophyllus expressed and purified in E. coli to L-alanine at each pH.
도 5는 대장균에서 발현되고 정제된 아퀴펙스 파이로필러스의 알라닌 라세메이즈 효소의 D-알라닌을 L-알라닌으로 전환하는 반응성을 37, 60, 85, 90, 95, 100℃에서 측정한 결과를 나타낸 그래프.5 shows the results of measuring the reactivity of converting D-alanine of alanine racease enzyme of Aquipex pyrophyllus expressed and purified in Escherichia coli into L-alanine at 37, 60, 85, 90, 95, and 100 ° C. Graph shown.
도 6은 초고온 미생물인 아퀴펙스 파이로필러스에서 단리된 알라닌 라세메이즈 효소의 내열성을 측정한 결과를 나타낸 그래프.Figure 6 is a graph showing the results of measuring the heat resistance of the alanine racease enzyme isolated from the ultra-high temperature Aquipex pyrophyllus.
본 발명자들은 상기 목적을 달성하고자 심도있게 연구한 결과, 초고온 세균인 아퀴펙스 파이로필러스로부터 단리된 알라닌 라세메이즈가 매우 높은 온도에서도 안정한 상태를 유지하면서 활성을 갖는다는 사실을 발견하여 본 발명을 완성하게 되었다.The present inventors have conducted in-depth studies to achieve the above object. As a result, the inventors have found that alanine racemes isolated from the very high temperature bacterium Aquipex pyrophyllus have activity while maintaining a stable state even at a very high temperature. It was completed.
즉, 본 발명은 D-아미노산의 생산에 이용될 수 있는 알라닌 라세메이즈의 유전자를 초고온 미생물인 아퀴펙스 파이로필러스에서 클로닝하고 그 유전자의 구조를 규명한 후 유전자 재조합 방법으로 상기 클로닝된 유전자를 대장균에서 발현시켜 상기 효소를 대량 생산하는 방법에 관한 것이다.That is, the present invention cloned the alanine racease gene that can be used for the production of D-amino acid in the high temperature microorganism Aquipex pyrophyllus and characterized the structure of the gene and then cloned the cloned gene by genetic recombination method It relates to a method for mass production of the enzyme by expression in E. coli.
본 발명은 내열성 알라닌 라세메이즈를 갖는 초고온 세균인 아퀴펙스 파이로필러스로부터 단리된 내열성 알라닌 라세메이즈의 유전자를 제공한다. 보다 구체적으로, 본 발명은 서열 1의 염기 서열을 갖는, 80℃ 이상의 고온에서도 안정하고 반응성이 강한 내열성 알라닌 라세메이즈를 코딩하는 유전자를 제공한다.The present invention provides a gene of heat resistant alanine racease isolated from Aquipex pyrophyllus which is an ultra high temperature bacterium having heat resistant alanine racease. More specifically, the present invention provides a gene encoding the heat resistant alanine racease that is stable and has high reactivity even at a high temperature of 80 ° C. or more, having the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1.
또다른 면에서, 본 발명은 상기 내열성 알라닌 라세메이즈의 유전자로부터 발현된, 서열 2의 아미노산 서열을 갖는 내열성 알라닌 라세메이즈를 제공한다.In another aspect, the present invention provides a heat resistant alanine racease having the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 expressed from the gene of the heat resistant alanine racease.
또한, 본 발명은 상기 유전자를 포함하는 발현 벡터 및 상기 발현 벡터로 형질전환된 숙주 세포를 포함한다. 상기 숙주 세포로는 대장균이 특히 바람직하다.In addition, the present invention includes an expression vector comprising the gene and a host cell transformed with the expression vector. E. coli is particularly preferred as the host cell.
또한, 본 발명은 상기 형질전환된 숙주 세포를 배양하고, 배양된 대장균을 파쇄한 후 대장균으로부터 발현된 내열성 알라닌 라세메이즈를 회수하는 것을 포함하는, 내열성 알라닌 라세메이즈의 제조 방법을 제공한다.The present invention also provides a method for producing heat-resistant alanine racease, comprising culturing the transformed host cell, crushing the cultured E. coli, and recovering the heat-resistant alanine racease expressed from E. coli.
본 발명에서 의해 제조된 아퀴펙스 파이로필러스에서 유래된 알라닌 라세메이즈는 기존의 중온성 세균에서의 효소보다 열과 pH에 안정하여 의약품 생산과 식품 소재의 생산에 사용할 수 있는 잇점을 갖고 있다.Alanine racemese derived from Aquipex pyrophyllus produced by the present invention has the advantage that it is more stable to heat and pH than the enzyme in the mesophilic bacteria existing in the production of pharmaceuticals and food materials.
아퀴펙스 파이로필러스의 알라닌 라세메이즈 유전자는 김상숙 등의 방법 (Kim, S. S., Choi, I.-G., Kim, S.-H., and Yu, Y. G. (1999) Molecular cloning, expression, and characterization of a thermostable glutamate recemase from a hyperthermophilic bacterium, Aquifex pyrophilus. Extremophiles Vol. 3 pp175-183)으로 제조된 아퀴펙스 파이로필러스 균주의 게놈 DNA 라이브러리로부터 단리한다. 알라닌 라세메이즈 효소를 단리하기 위하여 최인걸 등에 의해 보고된 바와 같이 (Choi, I.-G., Kim, S. S., Ryu, J.-R., Han, Y. S., Bang, W.-G., Kim, S.-H., Yu, Y. G. (1997) Random sequence analysis of genomic DNA of a hyperthermophile: Aquifex pyrophilus. Extremophiles Vol. 1, pp125-134), 아퀴펙스 파이로필러스의 유전자 절편 중 대장균과 고초균의 알라닌 라세메이즈와 유사성이 높은 염기 서열을 pUC19 벡터에 함유하는 클론인 AQpU219를 프로브로 사용한다. 이 플라스미드 DNA에서 pUC19 벡터 내의 아퀴펙스 파이로필러스 DNA를 M13 전방향(forward) 프라이머와 M13 역방향(reverse) 프라이머를 이용하여 중합효소 연쇄반응으로 증폭한다. 증폭된 DNA 단편을 프로브로 이용하여 아퀴펙스 파이로필러스의 게놈 라이브러리에서 혼성화를 수행하여 1개의 양성 신호를 보이는 클론을 검색 및 분리한다. 분리된 클론에서 알라닌 라세메이즈 유전자에 해당하는 부위의염기 서열은 사슬종결 방식으로 결정할 수 있다.The alanine racease gene of Aquipex pyrophyllus is expressed by Kim, S., Choi, I.-G., Kim, S.-H., and Yu, YG (1999) Molecular cloning, expression, and characterization of a thermostable glutamate recemase from a hyperthermophilic bacterium, Aquifex pyrophilus.Extremophiles Vol. 3 pp175-183). As reported by Choi, et al. (Choi, I.-G., Kim, SS, Ryu, J.-R., Han, YS, Bang, W.-G., Kim, for the isolation of alanine racease enzyme). S.-H., Yu, YG (1997) Random sequence analysis of genomic DNA of a hyperthermophile: Aquifex pyrophilus.Extremophiles Vol. 1, pp125-134), Alanine of Escherichia coli and Bacillus subtilis in Aquipex pyrophilus AQpU219, a clone containing a nucleotide sequence highly similar to racease in the pUC19 vector, is used as a probe. In this plasmid DNA, aquipex pyrophyllus DNA in the pUC19 vector is amplified by polymerase chain reaction using M13 forward primer and M13 reverse primer. Using the amplified DNA fragments as probes, hybridization is performed in the genome library of Aquipex pyrophyllus to search for and isolate clones showing one positive signal. The base sequence of the site corresponding to the alanine racease gene in the isolated clone can be determined by chain termination.
본 발명에 따라 클로닝된 알라닌 라세메이즈 유전자의 염기 서열과 이로부터 코딩되는 아미노산의 서열은 도 1에 도시한 바와 같다. 결정된 염기서열은 1468개의 염기로 이루어지고, 이중 1023개의 염기가 341개의 아미노산으로 이루어진 단백질을 코딩하는 것으로 확인되었다.The base sequence of the alanine racease gene cloned according to the present invention and the sequence of amino acids encoded therefrom are as shown in FIG. 1. The determined base sequence consists of 1468 bases, of which 1023 bases have been identified that encode a protein consisting of 341 amino acids.
결정된 염기서열을 이미 알려진 다른 종의 알라닌 라세메이즈와 비교 분석한 결과, 본 발명에서 단리한 아퀴펙스 파이로필러스 알라닌 라세메이즈 유전자에 의해 코딩되는 아미노산 서열은 대장균과는 29.3%, 고온 고초균 (Bacillus stearothermophilus)과는 38.4%, 락토바실러스 (Lactobacillus)와는 33.4% 동일성을 갖는다. 특히, 알라닌 라세메이즈 효소 활성에 기여하는 33번째 아미노산인 라이신 부위의 아미노산 서열은 매우 유사성이 높음을 확인할 수 있었다.As a result of comparing and analyzing the determined nucleotide sequence with alanine racease of another known species, the amino acid sequence encoded by the Aquipex pyrophyllus alanine racease gene isolated in the present invention was 29.3% compared with E. coli, and Bacillus stearothermophilus), 38.4% and Lactobacillus (Lactobacillus) and 33.4% identity. In particular, the amino acid sequence of the lysine site, the 33rd amino acid contributing to the alanine racease enzyme activity was confirmed that the high similarity.
상기와 같이 단리된 아퀴펙스 파이로필러스의 알라닌 라세메이즈를 대량 발현시키기 위해서, 이 단백질의 유전자를 대장균 발현 벡터인 pET28a에 클로닝한다. 먼저 알라닌 라세메이즈 유전자의 5' 말단 영역과 3' 말단 영역에 NdeI과 XhoI 제한 효소의 인식 부위가 첨가된 프라이머를 준비한다.In order to mass express alanine racemes of Aquipex pyrophyllus isolated as described above, the gene of this protein is cloned into pET28a, an E. coli expression vector. First, primers are prepared by adding recognition sites of NdeI and XhoI restriction enzymes to the 5 'and 3' terminal regions of the alanine racease gene.
이 두 프라이머를 이용하여 아퀴펙스 파이로필러스의 게놈 DNA로부터 알라닌라세메이즈 유전자를 중합효소 연쇄반응으로 증폭하고, 증폭된 DNA를 제한효소 NdeI과 XhoI로 절단한 후 pET28a 벡터의 NdeI과 XhoI 부위에 결합하여 알라닌 라세메이즈 발현 벡터인 pAR을 제조한다.Using these two primers, the alanine racease gene is amplified from the genomic DNA of Aquipex pyrophyllus by polymerase chain reaction, and the amplified DNA is cleaved with restriction enzymes NdeI and XhoI and then applied to the NdeI and XhoI sites of the pET28a vector. In combination, pAR, an alanine racease expression vector, is prepared.
제조된 벡터에 존재하는 알라닌 라세메이즈 유전자의 정확한 염기 서열을 확인한 후 이 벡터를 사용하여 숙주 세포, 예를 들면 대장균 BL21(DE3)을 형질전환시킨다. pAR1로 형질 전환된 재조합 숙주 세포는 성장에 적합한 조건 하에, 예를 들어 37℃에서 50㎍/㎖의 카나마이신(kanamycin)을 포함하는 LB에서 배양하고, OD600가 0.6이 되면 1mM의 이소프로필 β-D-티오갈락토시드 (IPTG)를 사용하여 단백질의 발현을 유도한 후 원심 분리법으로 균체를 회수한다.After confirming the exact nucleotide sequence of the alanine racease gene present in the prepared vector, the vector is used to transform host cells, such as Escherichia coli BL21 (DE3). Recombinant host cells transformed with pAR1 were cultured in LB containing 50 μg / ml of kanamycin at 37 ° C. under conditions suitable for growth, and 1 mM of isopropyl β- when OD 600 reached 0.6. Cells are harvested by centrifugation after inducing the expression of proteins using D-thiogalactoside (IPTG).
이어서, 원심분리법에 의해 회수된 균체를 희석 용액에 현탁시킨 후 세포를 파쇄하여 생성되는 세포 추출물을 원심분리하여 파쇄되지 않은 균체를 제거한다. 상층액을 열처리하고, 원심분리하여 침전물로 회수된 변성된 단백질을 제거한 후 상층액을 크로마토그래피하여 발현 생산물을 정제한다.Subsequently, the cells recovered by the centrifugation method are suspended in a dilution solution, and then the cell extracts generated by crushing the cells are centrifuged to remove the unbroken cells. The supernatant is heat treated, centrifuged to remove the denatured protein recovered as a precipitate, and the supernatant is chromatographed to purify the expression product.
발현된 아퀴펙스 파이로필러스의 알라닌 라세메이즈는 도 3에 도시한 바와 같이 15% 변성 폴리아크릴 아마이드 겔에서 확인한 결과 약 38 kDa의 크기를 갖는 것으로 확인되었으며 전체 단백질의 5% 이하의 발현도를 갖는 것을 확인하였다.The alanine racemes of the expressed Aquipex pyrophyllus were found to have a size of about 38 kDa as shown in FIG. 3 on a 15% modified polyacrylamide gel and had an expression level of 5% or less of the total protein. It was confirmed.
이와 같이 정제된 단백질의 L-아미노산에 대한 D-아미노산 전환 활성을 조사한 결과 L-알라닌을 D-알라닌으로 전환하는 활성이 가장 높았고, L-세린을 D-세린으로 전환하는 활성을 약간 보이지만, 나머지 아미노산들에 대한 전환 활성을 매우미미한 것으로 확인되었다. 이 결과는 클로닝한 유전자가 아퀴펙스 파이로필러스의 알라닌 라세메이즈 유전자임을 입증하는 것이다.As a result of investigating the D-amino acid conversion activity of the purified protein to L-amino acid, the highest conversion activity of L-alanine to D-alanine, and showed a slight activity of converting L-serine to D-serine, It was found that the conversion activity for amino acids is very small. This result demonstrates that the cloned gene is an alanine racease gene of Aquipex pyrophyllus.
발현된 알라닌 라세메이즈 효소 활성의 최적 pH 조건은 상이한 완충액을 사용하여 다양한 pH에서의 효소 활성을 측정함으로써 조사할 수 있고, 도 4에 도시한 바와 같이 pH 9.5에서 가장 활성이 높다는 사실을 알 수있다.The optimal pH conditions of the expressed alanine racease enzyme activity can be investigated by measuring the enzyme activity at various pHs using different buffers, and it can be seen that the highest activity is at pH 9.5 as shown in FIG. .
최적의 효소 반응 온도는 37, 60, 85, 90, 95, 100℃에서 효소의 활성을 측정하여 결정할 수 있고, 도 5에 도시한 바와 같이 85 내지 90℃에서 가장 높은 활성을 보여 아퀴펙스 파이로필러스 알라닌 라세메이즈의 효소 활성을 위한 최적의 조건은 완충액 pH 9.5, 반응 온도 85-90℃로 밝혀졌다.Optimum enzyme reaction temperature can be determined by measuring the activity of the enzyme at 37, 60, 85, 90, 95, 100 ℃, as shown in Figure 5 showing the highest activity at 85 to 90 ℃ Aquipex Pyro Optimal conditions for the enzymatic activity of P. alanine racemese were found to be buffer pH 9.5, reaction temperature 85-90 ° C.
초고온 미생물에서 단리된 단백질에서 나타나는 높은 내열성은 발현된 알라닌 라세메이즈를 95℃에서 수시간 동안 방치하여 변성된 단백질을 제거한 후 남은 효소의 활성을 측정함으로써 조사할 수 있다. 도 6에 도시한 바와 같이, 아퀴펙스 파이로필러스의 알라닌 라세메이즈 효소는 95℃에서는 60분 방치하였을 때 활성의 변화가 거의 없으며 4시간 방치하였을 경우에는 약 50%의 활성을 유지하는 것을 알 수 있다.The high heat resistance seen in proteins isolated from very high temperature microorganisms can be investigated by measuring the expression of alanine racemes expressed at 95 ° C. for several hours to remove denatured proteins and measuring the activity of the remaining enzyme. As shown in FIG. 6, alanine racease enzyme of Aquipex pyrophyllus shows little change in activity when left at 95 ° C. for 60 minutes and maintains about 50% of activity when left for 4 hours. Can be.
이러한 특성을 통하여 아퀴펙스 파이로필러스로부터 단리된 알라닌 라세메이즈가 높은 내열성을 갖고, 대장균에서 발현되었을 경우에도 본래의 초고온 세균에서의 효소 활성을 그대로 유지한다는 것을 알 수 있다.These characteristics indicate that alanine racemes isolated from Aquipex pyrophyllus have high heat resistance and retain their enzymatic activity in the original ultra high temperature bacteria even when expressed in E. coli.
이하 본 발명을 하기 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples, but the present invention is not limited thereto.
<실시예 1><Example 1>
알라닌 라세메이즈 유전자의 클로닝Cloning of Alanine Racease Gene
아퀴펙스 파이로필러스의 알라닌 라세메이즈 유전자는 상기한 바와 같은 김상숙 등의 방법으로 제조된 아퀴펙스 파이로필러스 균주의 게놈 라이브러리로부터 단리하였다. 알라닌 라세메이즈 효소를 단리하기 위하여 상기 최인걸 등에 의해 보고된 바와 같이 아퀴펙스 파이로필러스의 유전자 절편 중 대장균과 고초균의 알라닌 라세메이즈와 유사성이 높은 염기 서열을 pUC19 벡터에 함유하는 클론인 AQpU219를 프로브로 사용하였다.The alanine racease gene of Aquipex pyrophyllus was isolated from a genomic library of Aquipex pyrophyllus strains prepared by the method of Kim Sang-suk as described above. In order to isolate the alanine racease enzyme, a probe containing AQpU219, a clone containing a nucleotide sequence highly similar to alanine racease of Escherichia coli and Bacillus subtilis, was isolated from the gene fragment of Aquipex pyrophyllus as reported by Choi In-Geul et al. Used as.
이 플라스미드 DNA에서 pUC19 벡터 내의 아퀴펙스 파이로필러스 DNA를 M13 전방향(forward) 프라이머와 M13 역방향(reverse) 프라이머를 이용하여 96℃ 1분, 55℃ 30초, 72℃ 1분의 순서로 30회 반복하는 중합효소 연쇄반응으로 증폭하였다. 증폭된 DNA 단편을 프로브로 이용하여 아퀴펙스 파이로필러스의 게놈 라이브러리에서 플라크 혼성화 (plaque hybridization)과 서던 혼성화(Southern hybridization)를 수행하여 1개의 양성 신호를 보이는 클론을 검색 및 분리하였다.In this plasmid DNA, Aquipex pyrophyllus DNA in the pUC19 vector was subjected to 30 ° C of 96 ° C for 1 minute, 55 ° C for 30 seconds, and 72 ° C for 1 minute using M13 forward primer and M13 reverse primer. It was amplified by the polymerase chain reaction repeated several times. Using the amplified DNA fragments as probes, plaque hybridization and southern hybridization were performed in the genome library of Aquipex pyrophyllus to search for and isolate clones showing one positive signal.
분리된 클론에서 알라닌 라세메이즈 유전자에 해당하는 부위의 염기 서열을 사슬종결 방식으로 결정하였다. 클로닝된 알라닌 라세메이즈 유전자의 염기 서열과 이로부터 코딩되는 아미노산의 서열은 도 1에 도시하였다. 결정된 염기서열은 1468개의 염기로 구성되어 있으며 이중 1023개의 염기가 341개의 아미노산으로 이루어진 단백질을 코딩하는 것으로 확인되었다.The base sequence of the site corresponding to the alanine racease gene in the isolated clone was determined by chain termination. The base sequence of the cloned alanine racease gene and the sequence of amino acids encoded therefrom are shown in FIG. 1. The determined base sequence consists of 1468 bases, of which 1023 bases have been identified that encode a protein consisting of 341 amino acids.
결정된 염기서열을 이미 알려진 다른 종의 알라닌 라세메이즈와 비교 분석한결과, 아미노산 서열은 대장균과는 29.3%, 고온 고초균 (Bacillus stearothermophilus)과는 38.4%, 락토바실러스 (Lactobacillus)와는 33.4% 일치하였다. 특히, 알라닌 라세메이즈 효소 활성에 기여하는 33번째 아미노산인 라이신 부위의 아미노산 서열은 매우 유사성이 높음을 확인할 수 있었다.As a result of comparing the determined nucleotide sequence with alanine racease of another known species, the amino acid sequence was 29.3% with E. coli, 38.4% with Bacillus stearothermophilus, and 33.4% with Lactobacillus. In particular, the amino acid sequence of the lysine site, the 33rd amino acid contributing to the alanine racease enzyme activity was confirmed that the high similarity.
<실시예 2><Example 2>
알라닌 라세메이즈 단백질의 발현벡터 구축 및 발현Expression Vector Construction and Expression of Alanine Racease Protein
아퀴펙스 파이로필러스의 알라닌 라세메이즈 유전자로부터 활성이 있는 단백질을 생산하기 위하여 이 단백질의 유전자를 대장균 발현 벡터인 pET28a에 클로닝하였다. 먼저 알라닌 라세메이즈 유전자의 5' 말단 영역과 3' 말단 영역에 NdeI과 XhoI 제한 효소의 인식 부위가 첨가된 프라이머를 준비하였다.The gene of this protein was cloned into pET28a, an E. coli expression vector, to produce an active protein from the alanine racease gene of Aquipex pyrophyllus. First, primers in which the recognition sites of NdeI and XhoI restriction enzyme were added to the 5 'and 3' terminal regions of the alanine racease gene were prepared.
이 두 프라이머를 이용하여 아퀴펙스 파이로필러스의 게놈 DNA로부터 알라닌 라세메이즈 유전자를 중합효소 연쇄반응으로 증폭하였다. 이렇게 얻어진 DNA를 제한효소 NdeI과 XhoI로 절단한 후 pET28a 벡터의 NdeI과 XhoI 부위에 결합하여 알라닌 라세메이즈 발현 벡터인 pAR을 제조하였다. 제조된 벡터에 존재하는 알라닌 라세메이즈 유전자의 정확한 염기 서열을 확인한 후 이 벡터를 사용하여 숙주 대장균 BL21(DE3)을 형질전환시켰다. pAR1로 형질 전환된 재조합 BL21(DE3)는 37℃에서50㎍/㎖의 카나마이신(kanamycin)을 포함하는 LB에서 배양하고, OD600가 0.6이 되면 1mM의 이소프로필 β-D-티오갈락토시드 (IPTG)를 사용하여 단백질의 발현을 유도한 후 3시간 후에 원심 분리법으로 균체를 회수하였다.Using these two primers, alanine racease gene was amplified by polymerase chain reaction from genomic DNA of Aquipex pyrophyllus. The DNA thus obtained was digested with restriction enzymes NdeI and XhoI, and then bound to the NdeI and XhoI sites of the pET28a vector to prepare pAR, an alanine racease expression vector. After confirming the exact nucleotide sequence of the alanine racease gene present in the prepared vector, the vector was used to transform the host E. coli BL21 (DE3). Recombinant BL21 (DE3) transformed with pAR1 was cultured in LB containing 50 μg / ml kanamycin at 37 ° C., and when OD 600 reached 0.6, 1 mM isopropyl β-D-thiogalactoside ( Cells were harvested by centrifugation 3 hours after inducing protein expression using IPTG).
도 3은 열처리에 의해 정제된 알라닌 라세메이즈를 변성 폴리아크릴아미드 겔에서 전기영동한 결과를 나타낸 것으로서, 1번 열은 단백질의 크기를 나타내는 마커이고, 2번 열은 알라닌 라세메이즈 유전자가 발현되기 전의 대장균 단백질 시료이며, 3번 열은 알라닌 라세메이즈 유전자의 발현후의 대장균의 단백질 시료이며, 4번 열은 열처리 후의 단백질 시료이며 5번 열은 양이온 교환수지로 단리된 알라닌 라세메이즈 효소이다. 알라닌 라세메이즈 단백질의 위치는 화살표로 표시되어 있다.Figure 3 shows the results of electrophoresis of alanine raceme purified by heat treatment on a modified polyacrylamide gel, column 1 is a marker indicating the size of the protein, column 2 before the expression of the alanine racease gene E. coli protein sample, column 3 is E. coli protein sample after the expression of the alanine racease gene, column 4 is a protein sample after heat treatment, column 5 is an alanine racease enzyme isolated by cation exchange resin. The position of the alanine racease protein is indicated by the arrow.
도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 발현된 아퀴펙스 파이로필러스의 알라닌 라세메이즈는 15% 변성 폴리아크릴 아마이드 겔에서 확인한 결과 약 38 kDa의 크기를 갖는 것으로 확인되었으며 전체 단백질의 5% 이하의 발현도를 갖는 것을 확인하였다.As shown in FIG. 3, the alanine racease of the expressed Aquipex pyrophyllus was found to have a size of about 38 kDa, as determined by a 15% modified polyacrylamide gel, and the expression level of 5% or less of the total protein. It was confirmed to have.
<실시예 3><Example 3>
대장균에서 생성된 알라닌 라세메이즈 효소의 정제Purification of Alanine Racease Enzyme Produced in Escherichia Coli
대장균에서 발현된 아퀴펙스 파이로필러스로부터 유래된 알라닌 라세메이즈를 아래와 같은 방법으로 분리하였다. 실시예 2에서와 같이 알라닌 라세메이즈가 발현된 대장균을 원심 분리법에 의해 회수한 후 균체를 희석용액 (50Mm Tris-HCl완충액, pH7.8 및 50mM NaCl)에 현탁시킨 후 프렌치 압착기(French press)로 압력을 가하여 세포를 파쇄하였다. 이때 얻어진 세포 추출물을 16000 rpm에서 20분간 원심분리하여 파쇄되지 않은 균체를 제거하였다. 상층액을 84℃에서 1 시간동안 열처리하여 16000 rpm에서 20분간 원심 분리하여 침전물로 회수된 변성된 대장균의 단백질을 제거한 후 상층액을 Ni-NTA 아가로스 (Quiagen, Germany)를 이용하여 정제하였다.Alanine racemes derived from Aquipex pyrophyllus expressed in E. coli were isolated by the following method. As shown in Example 2, E. coli expressing alanine racemes was recovered by centrifugation, and the cells were suspended in dilute solution (50 mM Tris-HCl buffer, pH7.8 and 50 mM NaCl), followed by a French press. Pressure was applied to disrupt the cells. The cell extracts were centrifuged at 16000 rpm for 20 minutes to remove unbroken cells. The supernatant was heat-treated at 84 ° C. for 1 hour, centrifuged at 16000 rpm for 20 minutes to remove denatured E. coli protein recovered as a precipitate, and the supernatant was purified using Ni-NTA agarose (Quiagen, Germany).
대장균에서 발현된 알라닌 라세메이즈 효소는 높은 열 안정성을 보이는 본래의 특성을 그대로 유지하는 반면 열처리시 대부분의 대장균 단백질들이 제거되어 열처리 과정을 통하여 발현된 알라닌 라세메이즈는 약 55% 정도로 정제되었고 양이온 교환 크로마토그래피로 정제하였을 경우 약 80% 정도로 정제되었다. 열처리 및 Ni-NTA 아가로스 이후의 알라닌 라세메이즈의 정제 수준은 도 3에 도시하였다.The alanine racease enzyme expressed in E. coli retains its original properties showing high thermal stability, while most of the E. coli proteins are removed during the heat treatment, and the alanine racease expressed through the heat treatment is purified to about 55%. When purified by chromatography it was purified to about 80%. Purification levels of alanine racemes after heat treatment and Ni-NTA agarose are shown in FIG. 3.
<실시예 4><Example 4>
아퀴펙스 파이로필러스의 알라닌 라세메이즈의 효소 활성 및 특성 측정Determination of Enzyme Activity and Characterization of Alanine Racease of Aquipex Pyrophyllus
정제된 알라닌 라세메이즈를 이용하여 L-알라닌을 포함하며 글리신이 제외된 19종의 L-아미노산에 대한 라세메이즈 효소 활성을 아미노산의 CD (Circular dichroism) 신호를 204 nm에서 측정하여 결정하였다. 그 결과, L-알라닌에 대한 라세메이즈 활성이 가장 높으며 L-세린에 대한 라세메이즈 활성이 존재함을 확인하였으며 그 이외의 아미노산에서는 활성을 거의 볼 수 없었다. 이 결과로부터 아퀴펙스 파이로필러스에서 단리한 유전자로부터 대장균에서 발현된 단백질은 알라닌 라세메이즈 효소임을 확인하였다.Purified alanine racemes were used to determine the racease enzyme activity of 19 L-amino acids including L-alanine and excluding glycine by measuring the circular dichroism (CD) signal of the amino acid at 204 nm. As a result, it was confirmed that the racease activity for L-alanine was the highest and that there was racemease activity for L-serine, and the activity was hardly observed in other amino acids. From this result, it was confirmed that the protein expressed in E. coli from the gene isolated from Aquipex pyrophyllus is an alanine racease enzyme.
알라닌 라세메이즈 효소 활성의 최적 pH 조건을 조사하기 위해 pH 6-6.5 (50 mM, Na-PO4), pH 7-9.5 (50 mM, Tris-HCl), Ph 10-11 (50 mM, 3-[시클로헥실아미노]-1-프로판술폰산; CAPS)의 pH에서 효소의 활성을 측정한 결과 도 4에 도시한 바와 같이 pH 9.5에서 가장 활성이 높았다.PH 6-6.5 (50 mM, Na-PO 4 ), pH 7-9.5 (50 mM, Tris-HCl), Ph 10-11 (50 mM, 3- to investigate the optimal pH conditions for alanine racease enzyme activity As a result of measuring enzyme activity at the pH of [cyclohexylamino] -1-propanesulfonic acid; CAPS), the highest activity was shown at pH 9.5 as shown in FIG.
최적의 효소 반응 온도를 조사하기 위하여 37, 60, 85, 90, 95, 100℃에서 효소의 활성을 측정한 결과, 도 5에 도시한 바와 같이 85 내지 90℃에서 가장 높은 활성을 보였다. 따라서 아퀴펙스 파이로필러스 알라닌 라세메이즈 효소 활성을 위한 최적의 조건은 완충액 pH 9.5, 반응 온도 85-90℃로 밝혀졌다.In order to investigate the optimum enzyme reaction temperature, enzyme activity was measured at 37, 60, 85, 90, 95, and 100 ° C., as shown in FIG. 5, showing the highest activity at 85 to 90 ° C. FIG. Thus, the optimum conditions for Aquipex pyrophyllus alanine racease enzyme activity were found to be buffer pH 9.5, reaction temperature 85-90 ° C.
이후의 알라닌 라세메이즈의 활성 측정은 Badet 등의 방법 (Badet, B., Roise, D., and Walsh, C. T. (1984) Inactivation of the dadB Salmodella typhimurium alanine recemase by D and L isomer of α-substitute alanine: Kinetics, stoichiometry, active site peptide sequencing, and reaction mechanism. Biochemistry Vol 23, pp5188-5194)에 따랐으며 위에서 확인된 최적의 조건에 따라 수행하였다.Subsequent determination of alanine raceme activity was performed by Badet et al. (Badet, B., Roise, D., and Walsh, CT (1984) Inactivation of the dadB Salmodella typhimurium alanine recemase by D and L isomer of α-substitute alanine: Kinetics, stoichiometry, active site peptide sequencing, and reaction mechanism.Biochemistry Vol 23, pp5188-5194), were performed according to the optimum conditions identified above.
알라닌 라세메이즈 효소의 활성 측정은 10mM D-알라닌을 포함하는 100㎕의 반응 완충액 (50mM Tris-HCl, pH 9.5, 5μM 피리독살 5'-포스페이트, 2mM 디티오트레톨)에 10㎍의 정제된 단백질을 첨가한 후 85℃에서 1시간 동안 반응시켰다. 0.3배의 7% 과염소산을 가하여 반응을 중지시킨 후 0.2배의 1N NaOH를 가하여 중화시켰다. 반응이 끝난 시료에 25 단위의 L-알라닌 탈수소효소(L-alaninedehydrogenase)와 0.5M Tris-HCl, pH 9.5, 5mM NAD+가 포함된 0.1배의 용액을 첨가하였다. 생산된 L-알라닌의 양은 L-알라닌이 피루베이트로 전환되면서 생성되는 NADH의 양을 340nm에서 측정하여 계산하였다.Determination of the activity of alanine racease enzyme was carried out using 10 μg of purified protein in 100 μl of reaction buffer containing 10 mM D-alanine (50 mM Tris-HCl, pH 9.5, 5 μM pyridoxal 5′-phosphate, 2 mM dithiotretol). After the addition, the reaction was carried out at 85 ° C. for 1 hour. 0.3 times of 7% perchloric acid was added to stop the reaction, followed by neutralization by addition of 0.2 times of 1N NaOH. A 0.1-fold solution containing 25 units of L-alanine dehydrogenase, 0.5M Tris-HCl, pH 9.5, and 5 mM NAD + was added to the finished sample. The amount of L-alanine produced was calculated by measuring the amount of NADH produced as L-alanine is converted to pyruvate at 340 nm.
단리된 알라닌 라세메이즈 효소의 내열성을 조사하기 위해 95℃에서 수시간 동안 방치하여 변성된 단백질을 제거한 후 남은 효소의 활성을 측정하였다. 도 6에서와 같이 아퀴펙스 파이로필러스의 알라닌 라세메이즈 효소는 95℃에서는 60분 방치하였을 때 활성의 변화가 거의 없으며 4시간 방치하였을 경우에도 약 50%의 활성을 유지하는 것을 볼 수 있었다. 이러한 특성을 통하여, 80℃에서 60분 방치하였을 때 약 50%의 활성을 갖는 대장균과 고초균 등에서 단리된 단백질보다 본 발명의 알라닌 라세메이즈 효소가 높은 내열성을 갖고 있음을 알 수 있고, 대장균에서 발현시켰을 경우에도 본래의 초고온 세균에서 예측되는 안정성을 유지하는 것을 확인하였다.In order to examine the heat resistance of the isolated alanine racease enzyme, the enzyme was left at 95 ° C. for several hours to remove the denatured protein, and the activity of the remaining enzyme was measured. As shown in FIG. 6, alanine racease enzyme of Aquipex pyrophyllus showed almost no change in activity when left at 95 ° C. for 60 minutes, and maintained at about 50% even when left for 4 hours. These characteristics indicate that the alanine racease enzyme of the present invention has higher heat resistance than the protein isolated from E. coli and Bacillus subtilis having about 50% of activity when left at 80 ° C. for 60 minutes. Even if it was confirmed to maintain the stability expected in the original ultra high temperature bacteria.
상기한 바와 같이, 본 발명에서 단리된 알라닌 라세메이즈의 유전자를 포함하는 발현 벡터로 형질전환된 대장균에서 생산된 아퀴펙스 파이로필러스의 알라닌 라세메이즈는 기존의 중온성 세균에서 단리된 효소보다 고온 및 높은 pH 등의 조건 하에서도 높은 안정성을 갖기 때문에 의약품 생산 및 식품 소재의 생산 등과 같이 산업적으로 유용하게 사용될 수 있다.As described above, alanine racease of Aquipex pyrophyllus produced in Escherichia coli transformed with an expression vector comprising the gene of alanine racease isolated in the present invention is higher than the enzyme isolated from the existing mesophilic bacteria. And because it has high stability even under conditions such as high pH, it can be usefully used industrially, such as the production of pharmaceuticals and the production of food materials.
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