KR100349932B1 - α-glucosidase from extreme thermophile, Thermus caldophilus GK24 and its production - Google Patents

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Abstract

본 발명은 호열성 세균인 서머스 칼도필러스 지케이24 균주로부터 분리된 신규한 내열성 효소인 알파-글루코시다제, 상기 효소를 암호화하는 유전자, 상기 유전자를 포함하는 발현벡터, 상기 벡터에 의해 형질전환된 재조합 균주 및 상기 재조합 균주를 배양하는 것을 포함하는 알파-글루코시다제의 제조 방법, 상기 방법에 의해 제조된 알파-글루코시다제를 이용한 전분당 가수분해 및 당전이반응에 의한 복합당의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 의한 재조합 알파-글루코시다제는 활성 최적 온도 90℃, 최적 pH 6.5이고 이소말토올리고당 또는 설탕의 가수분해 및 당전이 반응을 촉매하여 전분 산업, 식품 및 생물의약 산업상 매우 유용하다.The present invention is a novel heat-resistant enzyme alpha-glucosidase isolated from the thermophilic bacterium Thermos Caldophilus ZK24 strain, a gene encoding the enzyme, an expression vector comprising the gene, transformed by the vector To a method for producing alpha-glucosidase comprising culturing the recombinant strain and the recombinant strain, and a method for producing a complex sugar by starch sugar hydrolysis and sugar transfer reaction using the alpha-glucosidase prepared by the above method. It is about. Recombinant alpha-glucosidase according to the present invention has an activity optimum temperature of 90 ° C., optimum pH 6.5 and catalyzes the hydrolysis and sugar transfer reaction of isomaltooligosaccharide or sugar and is very useful in the starch industry, food and biopharmaceutical industry.

Description

호열성 서머스 균주로부터 분리된 신규한 내열성 알파-글루코시다제 및 그 제조방법{α-glucosidase from extreme thermophile, Thermus caldophilus GK24 and its production}Novel thermostable alpha-glucosidase isolated from thermophilic thermos strain and its preparation method {α-glucosidase from extreme thermophile, Thermus caldophilus GK24 and its production}

본 발명은 호열성 균주인 서머스 유래의 신규한 알파-글루코시다제 및 그의 제조 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 호열성 서머스 칼도필러스 지케이24(Thermus caldophilusGK24)로부터 분리된 최적 pH 6.5, 최적 온도 90℃의 내열성 알파-글루코시다제, 상기 효소를 암호화하는 유전자, 상기 유전자를 포함하는 발현벡터, 상기 발현벡터로 형질전환된 재조합 균주, 상기 재조합 균주를 배양하는 것을 포함하는 상기 효소의 제조 방법, 상기 방법에 의해 제조된 알파-글루코시다제를 이용한 전분당 가수분해 및 당전이반응에 의한 복합당의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a novel alpha-glucosidase from Thermos, a thermophilic strain, and a method for preparing the same. More specifically, the present invention provides an optimal pH 6.5 isolated from the thermophilic Thermos caldophilus GK24, a heat resistant alpha-glucosidase at an optimal temperature of 90 ° C., the gene encoding the enzyme, the gene Expression vector comprising a, recombinant strain transformed with the expression vector, a method for producing the enzyme comprising culturing the recombinant strain, starch sugar hydrolysis and sugar using alpha-glucosidase prepared by the method It relates to a method for producing a complex sugar by a transfer reaction.

효소에 의한 전분의 가수분해 반응은 잘 알려져 있다. 전분의 가수분해 공정에 있어서, 젤화 온도보다 높은 온도에서 수용상에 녹여진 전분은 액화되고 95℃ 부근의 온도에서 DE 값 5 내지 25 정도로 세균 유래 알파-아밀라제에 의해 가수분해된다. 상기 액화된 전분산물은 곰팡이 유래 글루코아밀라제(glucoamylase) 또는 세균 유래 풀루라나제(pullulanase) 및 이소아밀라제(isoamylase)에 의해 가수분해된다. 상기 공정은 다양한 산물 품질 및 수율을 얻기 위하여 전분산업에서 폭넓게 이용되고 있는 실정이다. 상기 액화 공정에 사용되는 효소인 바실러스 균주 유래 알파-아밀라제(α-amylase)의 대부분은 공정동안 열에 적절히 안정하여야 하고 효소의 재공급이 필요하다. 또한 최종산물로 주산물 이외에 부산물인 다른 당들이 만들어지기도 한다. 따라서, 포도당 생산수율 및 품질향상을 위한 연구가 현재 수행되고 있다.Enzymatic hydrolysis of starch is well known. In the hydrolysis process of starch, starch dissolved in the aqueous phase at a temperature higher than the gelling temperature is liquefied and hydrolyzed by bacterial-derived alpha-amylase at a DE value of 5 to 25 at a temperature near 95 ° C. The liquefied starch is hydrolyzed by fungal-derived glucoamylase or bacterial-derived pullulanase and isoamylase. The process is widely used in the starch industry to obtain a variety of product quality and yield. Most of the Bacillus strain-derived alpha-amylase enzymes used in the liquefaction process must be adequately stable to heat during the process and require refeeding of the enzyme. In addition to the main product as a final product, other sugars are produced. Therefore, research for improving the yield and quality of glucose is currently being conducted.

전분은 포도당이 두가지 결합(알파-1,4 및 알파-1,6 결합) 형식으로 연결된 고분자 물질이다. 대부분의 세균 유래 알파-아밀라제는 말단 부분에서 알파-1,6 가수분해능을 갖기도 하지만 주로 알파-1,4 결합에 작용한다. 알파-글루코시다제는 알파-아밀라제의 가수분해 산물인 짧은 길이 올리고당의 가수분해를 촉매하는 것으로 알려져 있으며, 이 효소는 알파-1,4 결합을 특이적으로 가수분해하는 알파-글루코시다제와 주로 알파-1,6 결합을 가수분해하는 올리고-1,6-글루코시다제인 두군으로 구분되어진다.Starch is a polymeric substance in which glucose is linked in two bonds: alpha-1,4 and alpha-1,6. Most bacterial-derived alpha-amylases have alpha-1,6 hydrolysability at the terminal, but mainly act on alpha-1,4 binding. Alpha-glucosidase is known to catalyze the hydrolysis of short-length oligosaccharides, a hydrolysis product of alpha-amylase, which is mainly associated with alpha-glucosidase, which specifically hydrolyzes alpha-1,4 bonds. And oligo-1,6-glucosidase, which hydrolyzes alpha-1,6 bonds.

알파-글루코시다제는 기질인 올리고당 또는 다당류의 비환원 말단으로부터 알파-포도당을 절단하는 전형적인 말단형 전분가수분해 효소이다. 기질 특이성 및 포도당 전이활성이 다양한 많은 효소들이 미생물, 식물, 및 동물에서 보고되었다 (Vihinen, M. and Mantsala, P.:Crit. Rev. Biochem. Mol. Biol., 24, 329- 418(1989)). 대부분의 알파-글루코시다제(α-D-Glucoside glucohydrolase, EC 3.2.1.20)는 맥아당 분해 경향을 보이지만(Kelly, C. T. et al.:Process Biochem.18, 6-12(1983)), 다른 그룹, 예컨대 덱스트린 6-알파-디-글루코하이드롤라제(Oligo-1,6- glucosidase EC 3.2.1.10)는 이소말토스의 알파-1,6-포도당 결합에만 특이적으로 작용한다(Suzuki, Y. et al.:Biochim. Biophys. Acta.704, 476- 483(1982)). 기질 특이성이 가장 넓은 것으로 보고된 바실러스 종 SAM1606의 알파-글루코시다제는 니게로스, 맥아당 및 이소말토스 등의 알파-1,3, 알파-1,4 그리고 알파-1,6 결합, 특히 1-O-아릴 알파-글루코시드 뿐만 아니라 알파, 알파-트레할로스의 알파-1,알파-1-글루코시드 결합까지도 가수분해 한다(Nakao,M. etal.:Appl. Microbiol. Biotechnol., 41, 337-343(1994)). 기질 특이성 및 글루코실 전이반응의 차이는 효소와 기질과의 결합 및 효소 활성부위의 구조 차이에 기인한다.Alpha-glucosidase is a typical terminal starch hydrolase that cleaves alpha-glucose from the non-reducing end of a substrate oligosaccharide or polysaccharide. Many enzymes with varying substrate specificity and glucose transfer activity have been reported in microorganisms, plants, and animals (Vihinen, M. and Mantsala, P .: Crit. Rev. Biochem. Mol. Biol. , 24, 329-418 (1989) ). Most alpha-glucosidase (α-D-Glucoside glucohydrolase, EC 3.2.1.20) tends to degrade maltose (Kelly, CT et al .: Process Biochem. 18, 6-12 (1983)), but other groups, For example, dextrin 6-alpha-di-glucohydrolase (Oligo-1,6-glucosidase EC 3.2.1.10) specifically acts only on alpha-1,6-glucose binding of isomaltose (Suzuki, Y. et. al .: Biochim. Biophys. Acta. 704, 476-483 (1982). Alpha-glucosidase of Bacillus sp. SAM1606, which is reported to have the broadest substrate specificity, binds alpha-1,3, alpha-1,4 and alpha-1,6 such as nigerose, maltose and isomaltose, in particular 1- Not only O-aryl alpha-glucoside but also alpha-1, alpha-1-glucoside linkages of alpha, alpha-trehalose (Nakao, M. etal .: Appl. Microbiol. Biotechnol ., 41, 337-343 (1994)). The difference in substrate specificity and glucosyl transfer reaction is due to the difference in the structure of the enzyme active site and the binding of the enzyme to the substrate.

본 발명자들은 전분대사에 관한 연구 수행중 고호열성 미생물 균주인 서머스 칼도필러스 지케이24의 세포 추출물에서 이소말토스를 포도당으로 효과적으로 가수분해하는 알파-글루코시다제 활성을 발견하였다. 상기 호열성 균주와 같은 고호열성 미생물이 생산하는 내열성 효소들은 기초 및 응용 연구에 있어서 관심의 대상이며, 이들의 산업적 적용 전망은 매우 고무적이다. 전분의 생물전환 산업에 있어서 이러한 수많은 효소들에 의한 공정이 개발되고, 또한 새로운 적용 가능성을 탐색하기 위한 많은 연구가 현재 활발히 진행되고 있다. 신규한 상기 내열성 알파-글루코시다제는 설탕, 니게로스 및 튜라노스에 대한 효과적인 가수분해능을 가지고 있다는 점에서 이소말토올리고당에 대해 유사한 활성을 나타내는 올리고-1,6-글루코시다제와는 구별된다. 보고된 대부분의 내열성 알파-글루코시다제중에서 본 발명에 의한 효소의 효소활성 최적 pH는 전분산업의 액화공정에 있어 알파-아밀로라이시스(α-amylolysis)를 촉진할만큼 높다.The present inventors found an alpha-glucosidase activity that effectively hydrolyzes isomaltose to glucose in cell extracts of the thermophilic microbial strain Summers Caldophilus ZK24 during the study of starch metabolism. Heat-resistant enzymes produced by highly thermophilic microorganisms such as the thermophilic strains are of interest in basic and applied studies, and their industrial application prospects are encouraging. In the starch bioconversion industry, processes with many of these enzymes have been developed and many studies are currently underway to explore new applications. The novel heat resistant alpha-glucosidase is distinguished from oligo-1,6-glucosidase, which exhibits similar activity against isomaltooligosaccharides in that it has an effective hydrolytic capacity against sugars, nigerose and turanose. Among the most heat-resistant alpha-glucosidases reported, the optimum pH of the enzyme activity of the enzyme according to the present invention is high enough to promote alpha-amylolysis in the liquefaction process of the starch industry.

본 발명에서 정제된 서머스 칼도필러스 지케이24 유래 알파-글루코시다제의 N-말단 펩타이드 서열을 에드만 분해방법을 통하여 결정한 결과 Ser-Trp-X- Gln- Arg-Ala-Val-Ile-Tyr-Gln-Val이었고, 이 서열은 군 I 알파-글루코시다제(세균, 효모 및 곤충)의 서열과 유사하였다.As a result of determining the N-terminal peptide sequence of the purified Summers Caldophilus ZK24-derived alpha-glucosidase by Edman decomposition, Ser-Trp-X-Gln-Arg-Ala-Val-Ile-Tyr -Gln-Val, which was similar to the sequence of group I alpha-glucosidase (bacteria, yeast and insects).

본 발명의 서머스 칼도필러스 지케이24의 알파-글루코시다제는 독특한 기질 특이성을 보인다. 상기 효소는 이소말토올리고당 및 파노스에 대한 작용 형태로 볼 때 분명히 올리고-1,6-글루코시다제지만, 설탕에 대한 효소 활성에 있어서는 다른 세균의 올리고-1,6-글루코시다제와는 달리 이소말타제-수크라제인 것처럼 보인다. 올리고-1,6-글루코시다제가 설탕에 작용할 수 있다는 어떠한 보고도 없었다. 더욱이 상기 효소는 효과적으로 튜라노스와 니게로스를 포도당으로 가수분해시킨 다. 그러나 트레할로스, 맥아당, 풀루란 및 전분은 가수분해시키지 못한다.The alpha-glucosidase of Summers Caldophilus ZK24 of the present invention exhibits unique substrate specificity. The enzyme is clearly oligo-1,6-glucosidase in terms of its action on isomaltooligosaccharides and panos, but unlike other oligo-1,6-glucosidase enzymes in sugar activity, It appears to be isomaltase-sukrase. There have been no reports that oligo-1,6-glucosidase can act on sugar. Moreover, the enzyme effectively hydrolyzes turranos and nigerose to glucose. Trehalose, maltose, pullulan and starch, however, do not hydrolyze.

본 발명자들은 호열성 미생물인 서머스 칼도필러스 지케이24 균주(Kwon S.T. et al.:Mole. Cells, 7, 264-271(1997); Park, J. et al.:Eur. J. Biochem., 214, 135-140(1993); Taguchi, H. et al.:J. Biochem., 93, 7-13(1983))를 배양한 후 그 세포를 회수하여 파쇄하고 세포내 효소 단백질을 추출한 후 컬럼 크로마토그래피에 의해 신규의 내열성 알파-글루코시다제를 분리, 정제하였다. 상기 효소는 80배 정제되어 단백질 밀리그램(mg)당 999.5 유니트(unit)의 특이활성을 가지며, 수득률은 0.83%이었다. 또한 상기 효소의 분자량은 SDS-폴리아크릴아마이드 젤 상에서 60kDa로 추산되었다. 알파-글루코시다제의 효소활성은 효소 추출물과 효소의 각 크로마토그래피 분획들에 의한 파라-니트로페닐-알파-디-글루코피라노사이드 및 이소말토스를 가수분해하는 작용에 의해 확인되었으며, 또한 SDS-폴리아크릴아마이드 젤 상에서 4-메칠움벨리페릴-알파-디-글루코사이드에 의한 변성 단백질의 활성화 염색에 의해 정확히 확인되었다. 효소는 pH 6.5 및 90℃에서 최적 활성을 나타내며, 정제된 단백질은 pH 6.0 내지 8.5에서 안정하였다. 또한 정제된 효소를 최고 90℃에서 1시간 동안 가열한 후에도 50% 이상의 효소활성을 보였다. 서머스 칼도필러스 지케이24의 알파-글루코시다제는 Ca2+및 Ni2+이온들에 의해 약간 활성화되는 반면, Hg2+이온에 의해서는 활성이 심하게 저해받는다.The inventors of the present invention have shown that the thermophilic microorganism Somers Caldophilus ZK24 strain (Kwon ST et al .: Mole. Cells , 7, 264-271 (1997); Park, J. et al .: Eur. J. Biochem. , 214, 135-140 (1993); Taguchi, H. et al .: J. Biochem. , 93, 7-13 (1983)), the cells were recovered and disrupted, and the intracellular enzyme protein was extracted. The new heat resistant alpha-glucosidase was isolated and purified by chromatography. The enzyme was purified 80-fold and had a specific activity of 999.5 units per milligram (mg) of protein, yielding 0.83%. The molecular weight of the enzyme was also estimated at 60 kDa on SDS-polyacrylamide gels. The enzymatic activity of alpha-glucosidase was confirmed by the action of hydrolysis of para-nitrophenyl-alpha-di-glucopyranoside and isomaltose by enzyme extracts and respective chromatographic fractions of enzymes. -Accurately confirmed by activating staining of the denatured protein with 4-methylumbeliferyl-alpha-di-glucoside on polyacrylamide gels. The enzyme showed optimal activity at pH 6.5 and 90 ° C., and the purified protein was stable at pH 6.0-8.5. In addition, even after heating the purified enzyme for up to 90 hours at 90 ℃ showed more than 50% enzymatic activity. The alpha-glucosidase of Summers Caldophilus ZK24 is slightly activated by Ca 2+ and Ni 2+ ions, while the activity is severely inhibited by Hg 2+ ions.

서머스 칼도필러스 지케이24의 알파-글루코시다제 유전자를 중합효소 연쇄 반응(polymerase chain reaction) 및 서던 하이브리다이제이션(Southern hybridi- zation) 방법을 이용하여 총염색체 DNA로부터 클로닝하였다. 서머스 칼도필러스 지케이24 유래 알파-글루코시다제 유전자 염기서열은 528개의 아미노산을 암호화하며, 68.4%의 G+C 비율을 갖는데 코돈의 세 번째 위치에서 G 또는 C가 나타나는 경향(93.6%)이 강하다. 예상되는 아미노산 서열은 바실러스의 알파-글루코시다제 및 올리고-1,6-글루코시다제, 효모 및 곤충의 서열들과 높은 상동성을 나타내었다. 이러한 상동성은 서머스 칼도필러스 지케이24 유래 알파-글루코시다제가 알파-아밀라제 군에 속함을 나타낸다. 촉매활성 및 기질결합 부위는 이미 많은 알파-아밀라제 군 단백질에서 결정된 상응하는 잔기인 Asp198, Glu265, Asp327, His101 및 His326일 것으로 추정된다.The alpha-glucosidase gene of Somers Caldophilus ZK24 was cloned from total chromosomal DNA using polymerase chain reaction and Southern hybridization methods. The Alpha-glucosidase gene sequence from Somers Caldophilus ZK24 encodes 528 amino acids and has a G + C ratio of 68.4%, with a tendency for G or C to appear at the third position of the codon (93.6%). strong. Expected amino acid sequences showed high homology with sequences of alpha-glucosidase and oligo-1,6-glucosidase, yeast and insects of Bacillus. This homology indicates that Summers Caldophilus ZK24 derived alpha-glucosidase belongs to the alpha-amylase group. The catalytic activity and substrate binding sites are presumed to be Asp198, Glu265, Asp327, His101 and His326, corresponding residues already determined in many alpha-amylase family proteins.

서머스 칼도필러스 지케이24 유래 알파-글루코시다제 유전자는 운반체의 연결부위에 잘 맞도록 조작된 pET22b(+) 발현 운반체에 옮겨졌다. 운반체는 강력한 박테리오파지 T7 전사와 번역체계를 갖추고 있다. 플라스미드 pTcAGlu는 대장균 BL21(DE3)에서 재조합 알파-글루코시다제를 대량 생산하는데 사용되었다. IPTG (isopropyl β-D-thiogalactopyranoside)를 이용하여 재조합 알파-글루코시다제의 발현을 유도하였으며, 상기 효소는 세포추출물을 85℃에서 30분간 열처리함으로써 간단히 정제하였다. 재조합 알파-글루코시다제는 서머스 칼도필러스 지케이24로부터 정제된 알파-글루코시다제와 촉매 특성, 기질 특이성 및 전기영동상의 이동성 등에서 유사하였다. 가수분해 특성에 덧붙여, 상기 효소는 이소말토스 또는 설탕 그 자체가 주게분자와 받게분자로 또는 다른 기질을 받게분자로 하는 조합에 의해 당전이 반응 산물을 형성한다는 결과를 보여주었다.Somers Caldophilus ZK24 derived alpha-glucosidase gene was transferred to a pET22b (+) expression carrier engineered to fit the junction of the carrier. The carrier has a powerful bacteriophage T7 transcription and translation system. Plasmid pTcAGlu was used to mass produce recombinant alpha-glucosidase in Escherichia coli BL21 (DE3). IPTG (isopropyl β-D-thiogalactopyranoside) was used to induce the expression of recombinant alpha-glucosidase, and the enzyme was simply purified by heat-treating the cell extract at 85 ° C for 30 minutes. Recombinant alpha-glucosidase was similar to alpha-glucosidase purified from Summers Caldophilus ZK24 in terms of catalyst properties, substrate specificity and electrophoretic mobility. In addition to the hydrolytic properties, the enzymes have shown that isomaltose or sugars themselves form sugar-transfer reaction products by a combination of primary molecules and acceptor molecules or other substrate acceptor molecules.

따라서, 본 발명의 목적은 호열성 균주인 서머스 칼도필러스 지케이24 유래 내열성 알파-글루코시다제를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 상기 내열성 알파-글루코시다제의 유전자를 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 상기 유전자가 포함된 재조합 벡터를 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 상기 재조합 벡터로 형질전환된 재조합 균주를 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 상기 형질전환된 세포주를 배양하는 것을 포함하는 재조합 알파-글루코시다제의 제조 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 상기 방법에 의해 제조된 알파-글루코시다제를 이용한 전분당 가수분해 및 당전이반응에 의한 복합당의 제조방법을 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a thermostable alpha-glucosidase derived from Thermos caldophilus ZK24, which is a thermophilic strain. Another object of the present invention is to provide a gene of the heat resistant alpha-glucosidase. Still another object of the present invention is to provide a recombinant vector containing the gene. Still another object of the present invention is to provide a recombinant strain transformed with the recombinant vector. Still another object of the present invention is to provide a method for preparing a recombinant alpha-glucosidase comprising culturing the transformed cell line. Still another object of the present invention is to provide a method for preparing complex sugars by starch sugar hydrolysis and sugar transfer reaction using alpha-glucosidase prepared by the above method.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명자들은 서머스 칼도필러스 지케이24 균주를 배양하여 배양액으로부터 알파-글루코시다제를 분리 정제한 후 상기 효소의 분자량, 활성 최적 온도 및 최적 pH, 금속이온 첨가에 따른 활성 변화, 기질인 당의 종류, 상기 효소의 아미노산 서열을 결정하였다.In order to achieve the above object, the present inventors cultivated the isolates of alpha-glucosidase from the culture by cultivating the S. caldophilus ZK24 strain, and according to the molecular weight, the optimum temperature and the optimum pH of the enzyme, the addition of metal ions The activity change, the type of sugar as a substrate, and the amino acid sequence of the enzyme were determined.

상기 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명자들은 서머스 칼도필러스 지케이24 균주의 총염색체 DNA를 적절한 제한효소로 처리한 후 N-말단 암호화 서열을 가진 표지 DNA 프로브(probe)를 사용한 서던 하이브리다이제이션을 통하여 알파-글루코시다제 유전자를 포함하는 DNA 조각을 회수하여 플라스미드 DNA와 연결시키고, 대장균에 형질전환시킨 후 콜로니 하이브리다이제이션(colony hybridization)을 통하여 알파-글루코시다제 유전자를 포함한 형질전환체만을 선별하고, 상기 재조합 플라스미드를 분리하여 알파-글루코시다제 유전자의 염기서열을결정하였다.In order to achieve the above another object, the present inventors have performed Southern hybridization using a labeled DNA probe having an N-terminal coding sequence after treating total chromosomal DNA of the Somers Caldophilus ZK24 strain with an appropriate restriction enzyme. DNA fragments containing alpha-glucosidase genes are recovered and linked to plasmid DNA, transformed into Escherichia coli, and only transformants containing alpha-glucosidase genes are selected through colony hybridization. The recombinant plasmid was isolated to determine the base sequence of the alpha-glucosidase gene.

상기 또 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명자들은 상기 알파-글루코시다제 유전자를 적절한 발현벡터에 연결시켜 재조합 발현벡터를 제작한 후, 상기 발현벡터로 형질전환된 재조합 균주를 제조하고, 상기 재조합 균주를 배양하여 알파-글루코시다제를 생산하고, 상기 효소를 분리 정제함으로써 알파-글루코시다제의 대량 제조 방법을 확립하였다.In order to achieve the above another object, the present inventors produce a recombinant expression vector by linking the alpha-glucosidase gene to an appropriate expression vector, and then prepare a recombinant strain transformed with the expression vector, A method for mass production of alpha-glucosidase was established by culturing to produce alpha-glucosidase and separating and purifying the enzyme.

이하, 본 발명의 구성 및 작용효과를 상세히 설명한다.Hereinafter, the configuration and effect of the present invention will be described in detail.

도 1은 서머스 칼도필러스 지케이24(Thermus caldophilusGK24) 균주 유래 알파-글루코시다제의 SDS-폴리아크릴아마이드 젤 전기영동 결과를 나타내는 것이고,Figure 1 shows the results of SDS-polyacrylamide gel electrophoresis of alpha-glucosidase derived from Thermus caldophilus GK24 strain,

도 2는 서머스 칼도필러스 지케이24 균주 유래 내열성 알파-글루코시다제의 효소활성에 대한 온도의 영향을 나타내는 그래프이고,2 is a graph showing the effect of temperature on the enzymatic activity of the thermostable alpha-glucosidase derived from the Somers Caldophilus ZK24 strain,

도 3은 서머스 칼도필러스 지케이24 균주 유래 내열성 알파-글루코시다제의 효소활성에 대한 pH의 영향을 나타내는 그래프이고,3 is a graph showing the effect of pH on the enzymatic activity of the thermostable alpha-glucosidase derived from the Summer Caldophilus ZK24 strain,

도 4는 서머스 칼도필러스 지케이24 균주 유래 내열성 알파-글루코시다제의 효소활성 분석 결과를 나타낸 것이고,Figure 4 shows the results of the enzyme activity analysis of thermostable alpha-glucosidase derived from the Somers Caldophilus ZK24 strain,

도 5는 서머스 칼도필러스 지케이24 균주 유래 알파-글루코시다제의 프로브에 의한 총염색체 DNA에 대한 서던 하이브리다이제이션 결과를 나타낸 것이고,Figure 5 shows the results of Southern hybridization of total chromosomal DNA by probes of alpha-glucosidase derived from the Summer Caldophilus ZK24 strain,

도 6은 알파-글루코시다제 유전자의 제한효소지도와 클로닝된 DNA 절편의 위치를 나타낸 것이고,6 shows the restriction map of the alpha-glucosidase gene and the position of the cloned DNA fragment,

도 7은 서머스 칼도필러스 지케이24 균주 유래 내열성 알파-글루코시다제의 아미노산 서열 및 이를 암호화하는 염기서열을 나타낸 것이고,Figure 7 shows the amino acid sequence of the thermostable alpha-glucosidase derived from Somers Caldophilus ZK24 strain and the base sequence encoding the same,

도 8은 알파-글루코시다제들간의 아미노산 서열 비교결과를 나타낸 것이고,8 shows the results of comparing amino acid sequences between alpha-glucosidases,

도 9는 서머스 칼도필러스 지케이24 균주 유래 내열성 알파-글루코시다제 유전자를 포함하는, 재조합 발현벡터의 제작과정을 도시한 것이고,FIG. 9 illustrates the construction of a recombinant expression vector comprising a thermostable alpha-glucosidase gene derived from the Somers Caldophilus ZK24 strain,

도 10은 서머스 칼도필러스 지케이24 균주 유래 재조합 내열성 알파-글루코시다제의 발현을 확인한 결과이며,10 is a result confirming the expression of the recombinant heat-resistant alpha-glucosidase derived from the Somers Caldophilus ZK24 strain,

도 11은 서머스 칼도필러스 지케이24 균주 유래 재조합 내열성 알파-글루코시다제의 이소말토스 기질을 사용한 당전이 반응의 결과 분석도이고,11 is a result analysis result of the sugar transfer reaction using the isomaltose substrate of the thermostable alpha-glucosidase derived from the Somers Caldophilus ZK24 strain,

도 12는 서머스 칼도필러스 지케이24 균주 유래 재조합 내열성 알파-글루코시다제의 설탕 기질을 사용한 당전이 반응의 결과 분석도이다.12 is a result analysis result of the sugar transfer reaction using the sugar substrate of the recombinant heat-resistant alpha-glucosidase derived from the Somers Caldophilus ZK24 strain.

본 발명자들은 하기 상세히 설명된 바와 같이, 호열성 균주인Thermus caldophilusGK24로부터 새로운 내열성 알파-글루코시다제를 분리하였다. 본 발명의 범위는 알파-글루코시다제 및 그 아미노산 서열을 포함하며, 또한 상기 아미노산 서열중의 어떤 아미노산 잔기가 기능적으로 동등한 다른 아미노산으로 치환된 형태의 기능적으로 동등한 단백질 분자 및 동일한 또는 유사한 활성을 나타내는 단백질 절편 또는 유도체까지도 포함한다. 본 발명의 범위는 또한 상기 알파-글루코시다제를 암호화하는 염기서열을 포함한다. 당해 분야에 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 염기서열이 알파-글루코시다제 아미노산서열로부터 유추된 유전암호의 중첩에 의한 염기서열도 포함한다는 것을 알고 있을 것이다.We have isolated a new heat resistant alpha-glucosidase from the thermophilic strain Thermus caldophilus GK24, as described in detail below. The scope of the present invention includes alpha-glucosidase and its amino acid sequence, and also exhibits the same or similar activity and functionally equivalent protein molecules in the form in which any amino acid residue in the amino acid sequence is substituted with another amino acid which is functionally equivalent. Even protein fragments or derivatives. The scope of the present invention also includes the base sequence encoding the alpha-glucosidase. One of ordinary skill in the art will recognize that the base sequence of the present invention also includes a base sequence by overlapping the genetic code inferred from the alpha-glucosidase amino acid sequence.

본 발명은 서머스 칼도필러스 지케이24 균주를 배양한 배양액을 원심분리하고 회수하여 냉동보관하는 단계; 상기 균주 배양액내 배양세포를 파쇄 및 원심분리하여 수득한 조효소액에 황산암모늄((NH4)2SO4)을 첨가하고 재원심분리한 후 투석하여 효소액을 제조하는 단계; 상기 제조하여 수득한 효소액을 에프피엘씨 (FPLC) 시스템을 사용한 일련의 칼럼 크로마토그래피(column chromatography)를 통해 효소 단백질을 분리 정제하는 단계; 상기 정제된 알파-글루코시다제의 분자량을 SDS-폴리아크릴아마이드 전기영동으로 결정하는 단계; 상기 정제된 알파-글루코시다제를 이소말토스와 반응시켜 활성 최적 온도를 측정하는 단계; 상기 정제된 알파-글루코시다제를 이소말토스 및 각종 금속 이온와 반응시켜 각 금속 이온이 효소활성에 미치는 영향을 조사하는 단계; 상기 정제된 알파-글루코시다제를 각종 당과 반응시켜 반응성이 있는 당을 조사하는 단계; 펩티드 서열분석기를 이용하여 알파-글루코시다제의 N-말단 서열을 결정하는 단계; 상기 결정된 아미노산 서열에 기초하여 DNA 프로브를 합성하는 단계; 상기 균주의 총염색체 DNA를 제조하는 단계; 상기 총염색체 DNA를 제한효소 처리하고 서던 하이브리다이제이션을 실시하여 알파-글루코시다제 유전자를 포함하는 DNA 절편을 회수한 후, 상기 DNA 절편을 플라스미드 DNA와 연결시켜 상기 유전자의 염기서열을 결정하는 단계; 상기 결정된 유전자 염기서열을 플라스미드 벡터에 결합시킨 후 상기 재조합 벡터로 대장균을 형질전환시켜 재조합 대장균을 제조하는 단계; 상기 재조합 대장균을 배양하여 재조합 알파-글루코시다제를 제조하는 단계; 및 상기 제조된 재조합 알파-글루코시다제 효소액을 이소말토스 및 설탕과 반응시켜 생산되는 산물을 분석하는 것을 포함하는 단계들로 구성된다.The present invention comprises the steps of centrifugation and recovery of the culture medium cultured Somers Caldophilus ZK24 strain for cryopreservation; Preparing an enzyme solution by adding ammonium sulfate ((NH 4 ) 2 SO 4 ) to the crude enzyme solution obtained by crushing and centrifuging the cultured cells in the strain culture medium, re-centrifuging, and dialysis; Separating and purifying the enzyme protein from the enzyme solution obtained through a series of column chromatography using an FPLC system; Determining the molecular weight of the purified alpha-glucosidase by SDS-polyacrylamide electrophoresis; Reacting the purified alpha-glucosidase with isomaltose to determine an optimal activity temperature; Reacting the purified alpha-glucosidase with isomaltose and various metal ions to investigate the effect of each metal ion on enzymatic activity; Reacting the purified alpha-glucosidase with various sugars to investigate a reactive sugar; Determining an N-terminal sequence of alpha-glucosidase using a peptide sequencer; Synthesizing a DNA probe based on the determined amino acid sequence; Preparing total chromosomal DNA of the strain; Reducing the total chromosome DNA by restriction enzyme treatment and performing Southern hybridization to recover a DNA fragment containing an alpha-glucosidase gene, and then linking the DNA fragment with plasmid DNA to determine the base sequence of the gene. ; Binding the determined gene sequence to a plasmid vector and transforming E. coli with the recombinant vector to prepare recombinant E. coli; Culturing the recombinant E. coli to prepare a recombinant alpha-glucosidase; And analyzing the product produced by reacting the prepared recombinant alpha-glucosidase enzyme solution with isomaltose and sugar.

상기의 유전자 조작 등과 관련된 실험방법은 문헌(Sambrook, J. et al.:Molecular Cloning. A laboratory Manual. 2nd ed., Cold Spring Harbor Laboratory. Cold Spring Harbor. New York., 1989; Ausubel, F. et al.:Short Protocols in Molecular Biology. 3rd. John & Wiley Sons, Inc., 1995)에 기술된 공지 방법을 따랐다.Experimental methods related to such genetic manipulations can be found in Sambrook, J. et al .: Molecular Cloning. A laboratory Manual . 2nd ed., Cold Spring Harbor Laboratory. Cold Spring Harbor.New York., 1989; Ausubel, F. et. al .: Short Protocols in Molecular Biology . 3rd.John & Wiley Sons, Inc., 1995).

이하, 본 발명의 구체적인 방법을 실시예를 들어 상세히 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 구체적으로 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위는 이들 실시예에만 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the specific method of the present invention will be described in detail with reference to Examples. However, the following examples are only for illustrating the present invention in detail, and the scope of the present invention is not limited only to these examples.

실시예 1 : 서머스 칼도필러스 지케이24 균주의 배양, 알파-글루코시다제의 정제 및 상기 효소의 특성 조사Example 1 Cultivation of Somers Caldophilus ZK24 Strain, Purification of Alpha-Glucosidase and Characterization of the Enzyme

실험예 1 : 서머스 칼도필러스 지케이24 균주의 배양Experimental Example 1: Cultivation of Somers Caldophilus ZK24 Strain

서머스 칼도필러스 지케이24 균주의 배양은 이미 공지된 방법(Taguchi, H. et al.:J. Biochem., Tokyo, 91, 1343-1348(1982); Park, J. H. et al.:Eur. J. Biochem., 214, 135-140(1993))을 사용하여 0.8% 폴리펩톤, 0.4% 효모추출액 (yeast extract) 및 기본염류가 포함된 배지(pH 7.2) 조건으로 75℃에서 24시간 배양한 후, 배양액을 4℃에서 9,500Xg로 30분간 원심분리하여, 세포를 회수하였다.Cultivation of the Somers Caldophilus ZK24 strain was previously known (Taguchi, H. et al .: J. Biochem. , Tokyo, 91, 1343-1348 (1982); Park, JH et al .: Eur. J. Biochem ., 214, 135-140 (1993)), and cultured at 75 ° C for 24 hours in a medium containing 0.8% polypeptone, 0.4% yeast extract and basic salt (pH 7.2). , The culture was centrifuged at 9,500Xg for 30 minutes at 4 ℃, cells were recovered.

실험예 2 : 효소액의 제조Experimental Example 2 Preparation of Enzyme Liquid

상기 실험예 1에서 배양, 회수한 서머스 칼도필러스 지케이24 균주 배양세포50g을 pH 7.0의 40 mM 인산화칼륨 완충용액(완충용액 A)에 현탁시키고, 초음파 세포파쇄기로 세포를 파쇄하였다. 상기 파쇄된 세포용액을 4℃에서 12,500Xg로 1시간 원심분리하여 미파쇄 세포 및 불용성 세포파쇄물을 제거하고 조효소액(100 ml)을 수득하였다. 상기 조효소액에 무게 대 부피비로 50%(w/v)되는 황산암모늄을 4℃에서 서서히 첨가하면서 잘 교반하여 주었다. 상기 효소액을 12,500Xg로 30분간 원심분리하여 침전물만을 모아 상기 침전물을 완충용액 A에 녹이고 동일 완충용액에서 투석하였다. 상기 투석된 효소액을 다시 원심분리하여 불용성 물질을 제거한 다음 알파-글루코시다제 효소의 정제에 사용하였다.50 g of the S. caldophilus ZK24 strain cultured cells cultured and recovered in Experimental Example 1 were suspended in 40 mM potassium phosphate buffer solution (buffer A) at pH 7.0, and the cells were disrupted by an ultrasonic cell crusher. The crushed cell solution was centrifuged at 12,500 × g for 1 hour at 4 ° C. to remove unbroken cells and insoluble cell debris and to obtain a crude enzyme solution (100 ml). 50% (w / v) ammonium sulfate in a weight-to-volume ratio was slowly added to the crude enzyme solution while stirring at 4 ° C. The enzyme solution was centrifuged at 12,500 × g for 30 minutes to collect only precipitates, and the precipitates were dissolved in Buffer A and dialyzed in the same buffer. The dialysis enzyme solution was centrifuged again to remove insoluble material and then used for purification of the alpha-glucosidase enzyme.

실험예 3 : 알파-글루코시다제 효소의 활성 측정Experimental Example 3: Determination of activity of alpha-glucosidase enzyme

알파-글루코시다제 효소 활성은 효소에 의해 피엔피지(p-nitrophenyl-α-D- glucopyranoside)로부터 유리되는 파라-나이트로페놀의 양으로써 측정하였다. pH 6.8의 40 mM 인산 완충용액, 10mM 피엔피지 및 효소를 포함한 0.5 ml의 반응물을 75℃에서 10분간 반응시켰으며(Suzuki, Y. et al.:Biochim. Biophys. Acta., 445, 386-397(1976)), 상기 반응액을 비등중인 수조에서 10분간 가열함으로써 반응을 중지시켰다. 상기 반응액중 생성된 파라-나이트로페놀의 양은 405 nm에서 흡광도 측정으로 산정하였으며, 효소 활성의 1 단위(unit)는 상기 조건하에서 분당 1 μmole의 파라-나이트로페놀 생성을 촉매할 수 있는 효소의 양으로 정의하였다.Alpha-glucosidase enzyme activity was measured as the amount of para-nitrophenol liberated from p-nitrophenyl-α-D-glucopyranoside by the enzyme. 0.5 ml of the reaction, including 40 mM phosphate buffer, pH 6.8, 10 mM pienji and enzyme were reacted at 75 ° C. for 10 minutes (Suzuki, Y. et al .: Biochim. Biophys. Acta. , 445, 386-397 (1976), the reaction was stopped by heating the reaction solution in a boiling water bath for 10 minutes. The amount of para-nitrophenol produced in the reaction solution was calculated by absorbance measurement at 405 nm, and one unit of enzyme activity was an enzyme capable of catalyzing the production of 1 μmole of para-nitrophenol per minute under the above conditions. It is defined as the amount of.

실험예 4 : 알파-글루코시다제의 정제Experimental Example 4 Purification of Alpha-Glucosidase

상기 실험예 3에서 분리된 알파-글루코시다제를 에프피엘씨(FPLC) 시스템을 사용한 일련의 컬럼 크로마토그래피를 수행하여 효소 단백질을 정제하였다. 즉, 얻어진 효소액을 완충용액 A로 미리 평형화시킨 양이온 교환수지 컬럼(DEAE-Sephacel column, 2.5 X 30 cm)에 통과시키고 동일 완충용액으로 충분히 세척한 다음 염화나트륨 농도기울기(0.1 M ∼ 0.3 M NaCl)로 단백질을 분획하였다. 상기 분획된 각각의 효소 분획들중 효소활성이 있는 분획만을 모으고, 상기 모아진 효소액(15 ml)을 농축하고 1 M 황산암모늄을 포함한 완충용액 A로 완충용액 교체를 마친 후 동일 완충용액으로 평형화된 소수성 수지 컬럼(Phenyl-Sepharose column)에 통과시키고 세척하였다. 분리된 각각의 효소 분획들중 효소활성이 있는 분획(6 ml)만을 모아 완충용액 A로 완충용액 교체를 하고 완충용액 A로 평형화된 강양이온 교환수지(MonoQ HR5/5 column, 5 X 50 mm)에서 상기 효소 분획을 가하고 같은 완충용액으로 충분히 세척한 다음 염화나트륨 농도기울기(0.1 M ∼ 0.35 M NaCl)로 단백질을 분획하였다. 또한 분리되어 효소 활성이 확인된 분획(2 ml)만을 모아 150 mM 염화칼륨을 포함한 완충용액 A로 완충용액 교체를 한 후 동일 완충용액으로 평형화된 젤 여과 수지 컬럼(Sephacryl S-300 column)에 통과시켜 효소 단백질을 분획하여 매우 순수하게 정제된 알파-글루코시다제를 수득하였다(표 1).The alpha-glucosidase isolated in Experimental Example 3 was subjected to a series of column chromatography using an FPLC system to purify the enzyme protein. That is, the obtained enzyme solution was passed through a cation exchange resin column (DEAE-Sephacel column, 2.5 X 30 cm) previously equilibrated with buffer solution A, washed sufficiently with the same buffer solution, and then with a sodium chloride concentration gradient (0.1 M to 0.3 M NaCl). Protein was fractionated. Only the fractions having enzymatic activity in each of the fractionated enzyme fractions were collected, the concentrated enzyme solution (15 ml) was concentrated and the hydrophobic equilibrated with the same buffer after buffer replacement with buffer A containing 1 M ammonium sulfate. Passed through a Phenyl-Sepharose column and washed. Of the separated enzyme fractions, only enzyme-enriched fractions (6 ml) were collected, buffer exchanged with buffer A, and a strong cation exchange resin equilibrated with buffer A (MonoQ HR5 / 5 column, 5 X 50 mm). The enzyme fraction was added to and washed with the same buffer sufficiently, and the protein was fractionated with a sodium chloride concentration gradient (0.1 M to 0.35 M NaCl). In addition, only the fraction (2 ml) separated from the enzyme activity was collected, the buffer solution was replaced with buffer A containing 150 mM potassium chloride, and then passed through a gel filter resin column (Sephacryl S-300 column) equilibrated with the same buffer solution. Enzyme proteins were fractionated to yield highly pure purified alpha-glucosidase (Table 1).

서머스 칼도필러스 지케이24 유래 알파-글루코시다제 정제 과정Alpha-glucosidase Purification Process from Somers Caldophilus ZK24 정제단계Purification stage 전체 단백질(mg)Total protein (mg) 전체 활성(Unit)Total Unit 비활성도(Unit/mg)Inactivity (Unit / mg) 수율(%)yield(%) 정제 배율Tablet magnification 조단백질(crude protein)Crude protein 18751875 2398023980 12.812.8 100100 1One 50% 황산암모늄ppt50% ammonium sulfate ppt 750750 2186521865 29.129.1 91.291.2 2.32.3 DEAE-SephacelDEAE-Sephacel 510510 2023420234 39.739.7 84.484.4 3.13.1 Phenyl SepharosePhenyl sepharose 35.535.5 70247024 197.9197.9 29.329.3 15.515.5 MonoQMonoQ 1.81.8 860860 477.8477.8 3.63.6 37.337.3 Sephacryl S-300Sephacryl S-300 0.20.2 199.9199.9 999.5999.5 0.830.83 78.0978.09

이상과 같이 수행하여 분리 정제한 알파-글루코시다제 효소의 정제도는 도 1에 도시한 바와 같이 아크릴아마이드 젤 전기영동상에서 단일 조성의 순수 효소 단백질로 확인되었다.Purification degree of alpha-glucosidase enzyme separated and purified as described above was confirmed as a pure enzyme protein of a single composition on acrylamide gel electrophoresis as shown in FIG.

실시예 2 : 서머스 칼도필러스 지케이24 유래 알파-글루코시다제 효소의 특성 조사Example 2 Characterization of Alpha-glucosidase Enzyme from Somers Caldophilus ZK24

실험예 1 : 전기영동법에 의한 분자량 분석Experimental Example 1 Analysis of Molecular Weight by Electrophoresis

상기 정제된 효소의 분자량을 공지의 방법(Lammli,U.K.:Nature, 227, 680-685(1970))과 같은 변성 조건인 10% SDS-폴리아크릴아마이드 전기영동(SDS-PAGE, SDS-Polyacrylamide Gel Electrophoresis)을 이용하여 분석하였다. 분자량 크기 마커(Pharmacia LKB)를 표준 단백질로 사용하여 측정한 알파-글루코시다제의 분자량은 60 kDa였다.The molecular weight of the purified enzyme was determined by 10% SDS-polyacrylamide electrophoresis (SDS-PAGE, SDS-Polyacrylamide Gel Electrophoresis) under the same conditions as known methods (Lammli, UK: Nature , 227, 680-685 (1970)). ). The molecular weight of alpha-glucosidase measured using a molecular weight size marker (Pharmacia LKB) as the standard protein was 60 kDa.

알파-글루코시다제 활성화 염색은 SDS를 포함한 10% 폴리아크릴아마이드 젤에서 변형된 비벨의 방법(Bibel, M. et al.:FEMS Microbiol. Lett., 158, 9-15(1998))에 의해 수행하였다. 더 자세히 설명하면 효소 단백질을 전기영동하고 2% 트리톤 X-100으로 젤을 세척함으로써 효소를 활성화시키고, 젤을 3 mM 4-메틸움벨리페릴-알파-디-글루코사이드가 포함된 40 mM 인산화칼륨 완충용액상에서 65℃로 15내지 20분간 반응시켰다. 알파-글루코시다제 활성은 자외선(366 nm) 조사하에서 형광으로 확인하였다.Alpha-glucosidase activation staining is performed by the method of Vibel modified (Bibel, M. et al .: FEMS Microbiol. Lett. , 158, 9-15 (1998)) on 10% polyacrylamide gels containing SDS . It was. More specifically, the enzyme was activated by electrophoresis of the enzyme protein and washing the gel with 2% Triton X-100, and the gel was buffered with 40 mM potassium phosphate buffer containing 3 mM 4-methylumbelliferyl-alpha-di-glucoside. The solution was reacted at 65 ° C. for 15 to 20 minutes. Alpha-glucosidase activity was confirmed by fluorescence under ultraviolet (366 nm) irradiation.

실험예 2 : 알파-글루코시다제의 최적 반응 온도 및 열안정성Experimental Example 2: Optimal reaction temperature and thermal stability of alpha-glucosidase

주어진 반응온도에 따른 효소의 반응성을 상기 실시예 1의 실험예 3에서와 같은 방법으로 측정하였다. 알파-글루코시다제의 반응 최적온도는 도2에 나타낸 바와 같이 90℃이며 95℃이하에서 열안정성을 보여주었다.The reactivity of the enzyme according to the given reaction temperature was measured in the same manner as in Experimental Example 3 of Example 1. The optimum temperature for the reaction of alpha-glucosidase was 90 ° C. and showed thermal stability below 95 ° C. as shown in FIG. 2.

실험예 3 : 알파-글루코시다제의 최적 반응 pH 및 pH 안정성Experimental Example 3 Optimum Reaction pH and pH Stability of Alpha-Glucosidase

주어진 반응 pH에 따른 알파-글루코시다제의 반응성을 상기 실시예 1의 실험예 3에서와 같은 방법으로 측정하였다. 도 3에 도시한 바와 같이, 효소의 반응 최적 pH는 6.5이며, pH 6.0 ∼ 8.5에서 pH 안정성을 보여주었다.The reactivity of alpha-glucosidase according to the given reaction pH was measured in the same manner as in Experiment 3 of Example 1. As shown in FIG. 3, the optimum pH of the enzyme was 6.5 and showed pH stability at pH 6.0-8.5.

실험예 4 : 알파-글루코시다제 활성에 대한 각종 금속이온 효과Experimental Example 4: Effect of various metal ions on alpha-glucosidase activity

금속이온의 첨가에 따른 알파-글루코시다제의 반응성을 상기 실시예 1의 실험예 3에서와 같은 방법으로 측정하였다. 하기 표2에 나타낸 바와 같이, 각종 금속이온을 1 mM 농도로 각각 첨가할 경우 칼슘과 니켈 이온은 효소 활성을 약간 상승시켰으나 수은 이온은 강하게 저해하는 효과를 나타내었다. 다른 금속 이온들의 경우 특이한 효소 활성의 변화는 없었다.The reactivity of alpha-glucosidase with the addition of metal ions was measured in the same manner as in Experiment 3 of Example 1. As shown in Table 2 below, calcium and nickel ions slightly increased the enzyme activity when the various metal ions were added at a concentration of 1 mM, but the mercury ions were strongly inhibited. For other metal ions there was no specific change in enzyme activity.

서머스 칼도필러스 지케이24 유래 알파-글루코시다제 활성에 대한 금속이온 효과Effect of Metal Ions on the Activities of Somers Caldophilus ZK24 Derived Alpha-Glucosidase 금속 이온Metal ions 농도 [mM]Concentration [mM] 상대적 활성도Relative activity 무(None)None -- 100.0100.0 염화알류미늄(AlCl3)Aluminum Chloride (AlCl 3 ) 1.01.0 99.799.7 염화칼슘(CaCl2)Calcium chloride (CaCl 2 ) 1.01.0 104.8104.8 염화코발트(CoCl2)Cobalt Chloride (CoCl 2 ) 1.01.0 99.199.1 염화구리(CuCl2)Copper chloride (CuCl 2 ) 1.01.0 99.499.4 염화철(FeCl3)Ferric Chloride (FeCl 3 ) 1.01.0 95.395.3 염화수은(HgCl2)Mercury chloride (HgCl 2 ) 1.01.0 3.03.0 염화마그네슘(MgCl2)Magnesium Chloride (MgCl 2 ) 1.01.0 96.496.4 염화망간(MnCl2)Manganese Chloride (MnCl 2 ) 1.01.0 98.398.3 염화니켈(NiCl2)Nickel Chloride (NiCl 2 ) 1.01.0 105.1105.1 염화아연(ZnCl2)Zinc Chloride (ZnCl 2 ) 1.01.0 95.295.2 이디티에이(EDTA)EDTA 1.01.0 99.799.7

실시예 5 : 기질 특이성 및 당전이 반응Example 5 Substrate Specificity and Sugar Transfer Reaction

기질 특이성의 측정은 10 mM 올리고당 기질들을 포함한 40 mM 인산화칼륨 완충용액(pH 7.0)에서 정제된 알파-글루코시다제를 사용하여 75℃에서 1시간 반응시킴으로써 수행하였다. 전이반응의 측정은 40 mM 인산화칼륨 완충용액(pH 7.0)에 이소말토스(isomaltose)만 또는 받게분자와의 혼합물로서 75℃에서 72시간 반응시킴으로써 수행하였다. 반응을 중지시키기 위하여 반응 혼합물을 10분간 끓이고 원심분리하였다. 기질의 가수분해 및 당전이반응의 당산물은 다이오넥스사의 HPAEC-PAD(Dionex high performance anion-exchange chromatography with pulsedamperometric detector)와 카보팩 피에이-1 컬럼(Dionex CarboPac PA-1, 0.4 X 25 cm)을 사용하여 유속 1 ml/min로 60 mM 수산화 나트륨 및 0 내지 300 mM 아세트산 나트륨 농도 기울기로 분석하였다.Substrate specificity was determined by reaction at 75 ° C. for 1 hour using alpha-glucosidase purified in 40 mM potassium phosphate buffer (pH 7.0) containing 10 mM oligosaccharide substrates. Measurement of the transfer reaction was performed by reacting 40 mM potassium phosphate buffer (pH 7.0) at 75 ° C. for 72 hours as isomaltose only or as a mixture with acceptor molecules. The reaction mixture was boiled for 10 minutes and centrifuged to stop the reaction. The sugar products of the hydrolysis and sugar transfer reaction of the substrate were Dionex high performance anion-exchange chromatography with pulsedamperometric detector and HPAEC-PAD column (Dionex CarboPac PA-1, 0.4 X 25 cm) The concentration of 60 mM sodium hydroxide and 0 to 300 mM sodium acetate concentration was analyzed using a flow rate of 1 ml / min.

기질 특이성은 다양한 기질에 대한 상대적 분해 정도에 따라 하기 표3에 나타내었다.Substrate specificity is shown in Table 3 below, depending on the relative degree of degradation for various substrates.

서머스 칼도필러스 지케이24 유래 알파-글루코시다제의 기질 특이성Substrate Specificity of Somers Caldophilus ZK24 Derived Alpha-Glucosidase 기질temperament 글리코시드 결합Glycoside Bonds 상대적 포도당 수율(%)Relative Glucose Yield (%) 이소말토스(isomaltose)Isomaltose 포도당-α-1,6-포도당Glucose-α-1,6-glucose 100.0100.0 이소말토트리오스(isomaltotriose)Isomaltotriose 포도당-α-1,6-포도당-α-1,6-포도당Glucose-α-1,6-glucose-α-1,6-glucose 77.077.0 이소말토테트라오스(isomaltotetraose)Isomaltotetraose 포도당-[α-1,6]3-포도당Glucose- [α-1,6] 3 -glucose 50.550.5 파노스(panose)Panose 포도당-α-1,6-포도당-α-1,4-포도당Glucose-α-1,6-glucose-α-1,4-glucose 55.055.0 젠티바이오스(gentibiose)Gentibiose 포도당-β-1,6-포도당Glucose-β-1,6-glucose 0.00.0 류크로스(leucrose)Leucrose 포도당-α-1,5-과당Glucose-α-1,5-fructose 0.00.0 말토스(maltose)Maltose 포도당-α-1,4-포도당Glucose-α-1,4-glucose 0.00.0 락토스(lactose)Lactose 갈락토스-β-1,4-포도당Galactose-β-1,4-glucose 0.00.0 셀로바이오스(cellobiose)Cellobiose 포도당-β-1,4-포도당Glucose-β-1,4-glucose 0.00.0 니게로스(nigerose)Nigerose 포도당-α-1,3-포도당Glucose-α-1,3-glucose 86.086.0 튜라노스(turanose)Turanose 포도당-α-1,3-과당Glucose-α-1,3-fructose 54.854.8 라미나리바이오스(laminaribiose)Laminaribiose 포도당-β-1,3-포도당Glucose-β-1,3-glucose 0.00.0 수크로스(sucrose)Sucrose 포도당-α-1,2-과당Glucose-α-1,2-fructose 65.065.0 트레할로스(trehalose)Trehalose 포도당-α-1,1-포도당Glucose-α-1,1-glucose 0.00.0 풀루란(pullulanPullulan 0.00.0 녹말(starch)Starch 0.00.0

알파-글루코시다제에 의해 이소말토스, 파노스, 이소말토트리오스 및 이소말토테트라오스로부터 포도당이 생성되나, 전분과 풀루란으로부터는 포도당이 생성되지 않았다. 또한, 설탕, 니게로스 및 튜라노스로부터도 포도당이 생성되었다. 이소말토스의 경우 포도당 생성율이 가장 높았다(도 4). 본 발명의 효소인 알파-글루코시다제의 기질 특이성을 더욱 상세히 설명하면, 상기 효소는 이소말토스, 이소말토올리고당 및 파노스 등의 알파-1,6 결합을 가장 잘 가수분해하며, 니게로스의 포도당간의 알파-1,3 결합 및 설탕, 튜라노스 등에 존재하는 포도당과 과당간의 알파-1,2, 알파-1,3 결합은 많은 양 가수분해 하나, 맥아당, 트레할로스, 셀로바이오스,젠티바이오스 및 라미나리바이오스 등의 알파-1,4, 알파-1,1, 베타-1,4, 베타-1,6, 베타-1,3 결합 및 파노스의 알파-1,4 결합은 가수분해하지 못하였다.Alpha-glucosidase produced glucose from isomaltose, panos, isomaltotriose and isomaltotetraose, but no glucose was produced from starch and pullulan. In addition, glucose was also produced from sugar, nigerose and turanose. In the case of isomaltose, the glucose production rate was the highest (FIG. 4). In more detail, the substrate specificity of the enzyme alpha-glucosidase of the present invention is best hydrolyzed to alpha-1,6 bonds such as isomaltose, isomaltoligosaccharide and panose, Alpha-1,3 linkage between glucose and alpha-1,2, alpha-1,3 linkage between glucose and fructose present in sugar, turanose, etc., are a large amount of hydrolysis, maltose, trehalose, cellobiose, gentibio and la Alpha-1,4, alpha-1,1, beta-1,4, beta-1,6, beta-1,3 bonds such as Minaribiose and alpha-1,4 bonds of Panos were not hydrolyzed. .

실험예 6 : N-말단 아미노산 서열 결정Experimental Example 6: N-terminal amino acid sequence determination

정제된 효소를 전기영동으로 폴리아크릴아마이드 젤 상에서 전개하고 젤상의 효소 단백질을 PVDF(polyvinylidine difluoride) 막(BioLad lab)에 일렉트로블로터로 옮긴 후 PVDF 막 상의 효소 단백질 밴드만을 에드만 분해방법에 의해 아미노산 서열분석기 (Applied Biosystems model 476A Protein/peptide sequencer)로 분석하여 N-말단 서열을 결정하였다. 하기 표4에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 알파-글루코시다제의 N-말단 아미노산 서열은 SWXQRAVIYQV이며, 분자량 범위가 50-66 kDa인 군 I 알파-글루코시다제의 그것과 유사하였다.The purified enzyme was electrophoresed on a polyacrylamide gel, the enzyme protein on the gel was transferred to a polyvinylidine difluoride (PVDF) membrane by electroblotter, and only the enzyme protein band on the PVDF membrane was subjected to Edman degradation. N-terminal sequences were determined by analysis with an Applied Biosystems model 476A Protein / peptide sequencer. As shown in Table 4 below, the N-terminal amino acid sequence of the alpha-glucosidase of the present invention was SWXQRAVIYQV, similar to that of group I alpha-glucosidase with a molecular weight range of 50-66 kDa.

서머스 칼도필러스 지케이24 유래 알파-글루코시다제 및 군 I 알파-글루코시다제와의 N-말단 아미노산 서열 비교Comparison of N-terminal Amino Acid Sequences with Somers Caldophilus ZK24 Derived Alpha-Glucosidase and Group I Alpha-Glucosidase 생물체organism N-말단 아미노산 서열N-terminal amino acid sequence 서머스 칼도필러스 GK24(Thermus caldophilusGK24) Somer's caldophilus GK24 22 SWXQRAVIYQVSWXQRAVIYQV 1212 바실러스 균주 SAM1606(Bacillus spSAM1606)Bacillus strain SAM1606 ( Bacillus sp SAM1606) 22 STALTQTSNSQQSPIRRAWWKEAVVYQISTALTQTSNSQQSPIRRAWWKEAVVYQI 2929 바실러스 종 KP1006(Bacillus spKP1006) Bacillus sp. KP1006 1One MERVWWKEAVVYQIMERVWWKEAVVYQI 1414 바실러스 세레우스(Bacillus cereus) Bacillus cereus 1One MEKQWWKESVVYQIMEKQWWKESVVYQI 1414 사카로마이세스 세레비지애(Saccharomyces cerevisiae) Saccharomyces cerevisiae 1One MTISDHPETEPKWWEKEATIYQIMTISDHPETEPKWWEKEATIYQI 2222 모기(Mosquito,Ades aegypti)Mosquito ( Ades aegypti ) 1One MKIFVPLLSFLLAGLTTGLDWWEHGNFYQVMKIFVPLLSFLLAGLTTGLDWWEHGNFYQV 3131 꿀벌(Worker-Bee,Apis melliferaL)Worker-Bee, Apis mellifera L 1One MKAVIVFCLMALSIVDAAWKPLPENLKEDLIVYYQVMKAVIVFCLMALSIVDAAWKPLPENLKEDLIVYYQV 3535

실시예 3 : 서머스 칼도필러스 지케이24 균주 유래 알파-글루코시다제 효소 유전자의 클로닝Example 3 Cloning of Alpha-glucosidase Enzyme Gene from Somers Caldophilus ZK24 Strain

실험예 1 : 중합효소 연쇄반응(PCR)에 의한 DNA 브로브 합성Experimental Example 1 Synthesis of DNA Brows by Polymerase Chain Reaction (PCR)

PCR에 의한 프로브 DNA를 합성하기 위해 상기 실시예 2의 실험예 7에서 결정한 아미노산 서열을 기초로 DNA 합성기를 이용하여 23개 염기로 구성된 (23mer), 하기 염기서열을 갖는 프라이머 1을 합성하였다.In order to synthesize probe DNA by PCR, primer 1 having the following nucleotide sequence (23mer) consisting of 23 bases was synthesized using a DNA synthesizer based on the amino acid sequence determined in Experimental Example 7 of Example 2.

프라이머 1:Primer 1:

5'-CAGCG(G/C)GC(G/C)T(G/A/T/C)AT(A/T/C)TACCAGGT(G/A/T/C)-3'5'-CAGCG (G / C) GC (G / C) T (G / A / T / C) AT (A / T / C) TACCAGGT (G / A / T / C) -3 '

이미 보고된 알파-글루코시다제들의 아미노산 서열을 비교하여 내부의 잘 보존된 서열을 선정하여 반대편 올리고뉴클레오티드인, 하기 염기서열을 갖는 프라이머 2를 합성하였다.The amino acid sequences of the previously reported alpha-glucosidases were compared to select the well-conserved sequences therein to synthesize primer 2 having the following nucleotide sequence, the opposite oligonucleotide.

프라이머 2:Primer 2:

5'-(G/A/T/C)TCCCA(A/G)TT(G/A/T/C)AG(A/G)TC(G/A/T/C)GG(C/T)TG-3'5 '-(G / A / T / C) TCCCA (A / G) TT (G / A / T / C) AG (A / G) TC (G / A / T / C) GG (C / T) TG-3 '

상기 프라이머 1 및 2를 사용하여 중합효소 연쇄반응을 수행하여 0.5 kb 크기의 DNA 프로브를 합성하였다. 상기 프로브의 서열은 수종의 알파-글루코시다제와 유사성을 지니며, 상기 프로브를 사용하여 서던 하이브리다이제이션을 수행함으로써 서머스 칼도필러스 지케이24 균주 유래 알파-글루코시다제 유전자의 확인 및 클로닝을 수행하였다.Polymerase chain reaction was performed using the primers 1 and 2 to synthesize a 0.5 kb DNA probe. The sequence of the probe has similarities with several alpha-glucosidase, and the identification and cloning of the alpha-glucosidase gene derived from the Summers Caldophilus ZK24 strain by performing Southern hybridization using the probe. Was performed.

실험예 2 : 서머스 칼도필러스 지케이24 균주의 총염색체 DNA 제조Experimental Example 2 Preparation of Total Chromosome DNA of Somers Caldophilus ZK24 Strain

상기 실시예 1의 실험예 1에서와 같이 배양시킨 서머스 칼도필러스 지케이24 균주의 세포를 용균 완충용액(0.1 M NaCl, 10 mM EDTA, 20 mM Tris, pH 7.5)에 현탁시키고, 0.5 mg/ml가 되도록 라이소자임(lysozyme)을 가하여 37℃에서 30분간 반응시킨 후, 1%가 되도록 SDS를 가하고 50μg/ml되도록 RNase를 가하여 37℃에서 1시간 반응시키고, 다시 0.2 mg/ml이 되도록 단백질 가수분해 효소-케이(Protenase K)를 가하여 37℃에서 3시간 반응시킨 다음 동량의 석탄산을 가하여 12시간 동안 처리하였다. 원심분리하여 수용액층만을 회수하고, 두배의 주정을 가하여 DNA를 석출시켜 이를 회수하였다. 상기 염색체 DNA를 순수 주정으로 세번 세척하고 TE완충용액에 녹여 총염색체 DNA로 사용하였다.The cells of the S. caldophyllus ZK24 strain cultured as in Experiment 1 of Example 1 were suspended in lysis buffer (0.1 M NaCl, 10 mM EDTA, 20 mM Tris, pH 7.5), and 0.5 mg / After adding lysozyme to ml and reacting at 37 ° C. for 30 minutes, SDS was added to 1% and RNase was added to 50 μg / ml for 1 hour at 37 ° C., followed by proteolysis to 0.2 mg / ml. Enzyme-K (Protenase K) was added and reacted at 37 ° C. for 3 hours, and then the same amount of phenol was added for 12 hours. Only the aqueous layer was recovered by centrifugation, and double alcohol was added to precipitate DNA to recover. The chromosomal DNA was washed three times with pure spirits and dissolved in a TE buffer solution to be used as total chromosomal DNA.

실험예 3 : 알파-글루코시다제 유전자의 탐색 및 재조합체 제조Experimental Example 3: Search for alpha-glucosidase gene and recombinant production

상기 총염색체 DNA에 상기 실험예 1에서 합성한 프로브를 사용하여 서던 하이브리다이제이션을 수행함으로써 제한효소에 의해 절단된, 알파-글루코시다제 유전자를 포함하는 DNA 절편을 선별하였다. 즉, 일반적인 공지 방법과 베링거 만하임사(Boehringer Mannheim GmbH, Biochemica, 독일)의 디그 표지 및 확인 키트(DIG Labelling and Detection Kit) 사용자 메뉴얼에 기술된 바대로 서머스 칼도필러스 지케이24 균주의 총염색체 DNA를 재조합 플라스미드로 제작하기에 적합한 여러 종의 제한효소로 처리하고 아가로스 젤에서의 전개, 서던 블럿팅, 상기의 프로브를 사용한 서던 하이브리다이제이션 방법을 사용하여 도 5에서 나타낸 바와 같이 알파-글루코시다제 유전자를 포함하는, 제한효소BamHI 처리에 의한 크기 3.3 kb(pAGON4) 및HindIII 처리에 의한 크기 3.1 kb(pAGON41)인 DNA 절편을 분리, 정제하여 플라스미드 pUC 18에 결합시키고, 상기 작제한 재조합 플라스미드를 대장균에 형질전환시켜 재조합체를 만든 후 그 염기서열을 결정하였다.DNA fragments containing the alpha-glucosidase gene cut by restriction enzymes were selected by performing Southern hybridization on the total chromosomal DNA using the probe synthesized in Experimental Example 1. That is, the total chromosomal DNA of the Somers Caldophilus ZK24 strain as described in the general known methods and in the user manual of the Dig Labeling and Detection Kit of Boehringer Mannheim GmbH, Biochemica, Germany. Alpha-glucosidase as shown in FIG. 5 using various restriction enzymes suitable for the production of recombinant plasmids and running on agarose gel, Southern blotting, Southern hybridization method using the probe DNA fragments having a size of 3.3 kb (pAGON4) by restriction enzyme BamH I treatment and 3.1 kb (pAGON41) by Hind III treatment were isolated and purified by binding to the plasmid pUC 18, and the recombinant The plasmid was transformed into Escherichia coli to make a recombinant, and the nucleotide sequence thereof was determined.

실험예 4 : 서머스 칼도필러스 지케이24 균주 유래 알파-글루코시다제 유전자의 염기서열 결정Experimental Example 4: Determination of the base sequence of the alpha-glucosidase gene derived from the Somers Caldophilus ZK24 strain

상기 실험예 3에서 구성된 재조합체로부터 플라스미드 pAGON4, pAGON41를 공지 방법으로 분리하고 클로닝되어 있는 알파-글루코시다제 유전자를 포함한 DNA 절편을 제한효소BamHI,SacI,HindIII 등으로 더 작게 절단하고 분리, 정제한 후 플라스미드 pUC 18에 서브클로닝하하여 플라스미드 pAGON-06BH, pAGON-08SH, pAGON-19SS 및 pAGON-25HB를 작제하였다(도 6). 상기의 플라스미드 pAGON4, pAGON41, pAGON-06BH, pAGON-08SH, pAGON-19SS 및 pAGON-25HB를 사용하여 알파-글루코시다제 유전자의 염기서열을 결정하였다. 염기서열 결정은 생명공학연구소 유전체사업단의 자동화 염기서열 결정기(AB1373A automatic DNA sequencer)를 사용하였다.Plasmids pAGON4 and pAGON41 were isolated from the recombinant constructed in Experimental Example 3 by a known method, and DNA fragments containing the cloned alpha-glucosidase gene were further cut and separated by restriction enzymes Bam HI, Sac I, Hind III, etc. After purification, plasmid pAGON-06BH, pAGON-08SH, pAGON-19SS and pAGON-25HB were constructed by subcloning into plasmid pUC 18 (FIG. 6). The base sequence of the alpha-glucosidase gene was determined using the plasmids pAGON4, pAGON41, pAGON-06BH, pAGON-08SH, pAGON-19SS and pAGON-25HB. The sequencing was performed using the AB1373A automatic DNA sequencer of the Biotechnology Research Institute Genome Project.

도 7에 실험결과 결정한 서머스 칼도필러스 지케이24 균주 유래 알파-글루코시다제 유전자의 염기서열을 나타내었다. 이와 같이 결정된 아미노산과 DNA 염기서열에 의하면 서머스 칼도필러스 지케이24 균주 유래 알파-글루코시다제는 529개의 아미노산으로 구성되고 계산상의 효소 단백질 분자량은 61 kDa이며, 상기 효소의 유전자는 1,590개의 염기로 구성되고 G+C의 구성비가 68.7%를 이루고 있다.Figure 7 shows the nucleotide sequence of the alpha-glucosidase gene derived from the S. caldophilus ZK24 strain determined as a result of the experiment. According to the amino acid and DNA sequences thus determined, the alpha-glucosidase derived from the S. caldophilus ZK24 strain was composed of 529 amino acids, and the molecular weight of the enzyme was 61 kDa, and the gene of the enzyme was 1,590 bases. It is composed of 68.7% of G + C.

도 8에 나타낸 바와 같이, 다른 종으로부터 분리된 알파-글루코시다제와 아미노산 서열을 비교해본 결과 바실러스 코아굴란스(Bacillus coagulans)의 올리고-1,6-글루코시다제와 36.3%, 바실러스 균주 SAM1606(Bacillus sp. SAM1606)의 알파-글루코시다제와 35.9%, 바실러스 서모글루코시다시우스 KP1006(Bacillus thermoglucodasius KP1006)의 올리고-1,6-글루코시다제와 34.8%, 서모노스포라 커바타(Themonospora curvata)의 알파-글루코시다제와 35.9%, 꿀벌(Adult Worker Bee,Apis melliferaL)의 알파-글루코시다제와 36.1%의 상동성을 보여주었다 (Watanabe, K. et al.: Appl. Environ. Microbiol., 62(6), 2066-2073(1996); Nakao, M. et al.:Eur. J. Biochem., 220(2), 293-300(1994); Janda, L. et al.:J. Appl. Microbiol., 83, 470-476(1997); Watanabe, K. et al.:Eur. J. Biochem., 192(3), 609-620(1990); Watanabe, K. et al.,J. Biol. Chem., 266, 24287-24294(1991); James, A. A. et al.:Gene, 75, 73-83(1989); Ohashi, K. et al.:Biochim. Biophys. Res. Commun., 221, 380-385(1996)). 서머스 칼도필러스 지케이24 균주 유래 알파-글루코시다제는 상기와 같이 아미노산 서열에 있어서 상동성을 보여주며, 도 8에 도시한 바와 같이, 여섯군데의 보존구역(R1 ∼ R6)을 가지고 있음에 따라 알파-아밀레이즈 군에 속함을 알 수 있으며 그 중에서도 알파-아밀레이즈 군 I에 속하는 효소임을 알 수 있다.As shown in FIG. 8, when comparing the amino acid sequence with alpha-glucosidase isolated from other species, oligo-1,6-glucosidase of Bacillus coagulans and 36.3%, Bacillus strain SAM1606 ( . Bacillus sp SAM1606) alpha-glucosidase and 35.9%, Bacillus Thermo-glucosidase siwooseu KP1006 (raising of Bacillus thermoglucodasiu s KP1006) -1,6- glucosidase and 34.8%, Thermo North Fora larger Bata (Themonospora curvata) Homology with alpha-glucosidase of 35.9% and beta (Adult Worker Bee, Apis mellifera L) with 36.1% (Watanabe, K. et al .: Appl. Environ.Microbiol. , 62 (6), 2066-2073 (1996); Nakao, M. et al .: Eur. J. Biochem ., 220 (2), 293-300 (1994); Janda, L. et al .: J. Appl. Microbiol. , 83, 470-476 (1997); Watanabe, K. et al .: Eur. J. Biochem. , 192 (3), 609-620 (1990); Watanabe, K. et al., J . Biol Chem, 266, 24287-24294 ( 1991);.. James, AA et al .: Gene , 75, 73-83 (1989); Ohashi, K. et al .: Biochim. Biophys.Res. Commun., 221, 380-385 (1996)). Alpha-glucosidase derived from the S. caldophyllus ZK24 strain shows homology in the amino acid sequence as described above, and as shown in FIG. 8, it has six preservation zones (R1 to R6). Therefore, it can be seen that it belongs to the alpha-amylase group, and among them, it can be seen that the enzyme belongs to the alpha-amylase group I.

본 발명의 알파-글루코시다제는 다양한 유래의 알파-글루코시다제와 높은 서열상의 유사성에도 불구하고 기질 특이성에 있어 커다란 차이를 보여준다. 이소말토올리고당 및 파노스에 대한 효소 고유의 작용에 의해 서머스 칼도필러스 지케이24 균주 유래 알파-글루코시다제는 올리고-1,6-글루코시다제이며, 기질로서 설탕 및 알파-1,3-포도당 결합에 대한 본 효소의 작용에 의해 본 발명의 효소는 수크라제-이소말타제이다. 또한 바실러스 종 SAM1606의 알파-글루코시다제와는 달리 맥아당 및 트레할로스를 분해하지 못한다. 상기의 내용에 있어서 본 발명에서의 서머스 칼도필러스 균주 유래 알파-글루코시다제는 신규한 효소이다.The alpha-glucosidase of the present invention shows a great difference in substrate specificity despite high sequence similarity with the alpha-glucosidase of various origins. By enzyme-specific action on isomaltooligosaccharides and panos, alpha-glucosidase derived from the S. caldophilus ZK24 strain is oligo-1,6-glucosidase, and sugar and alpha-1,3- as substrates. By the action of this enzyme on glucose binding, the enzyme of the present invention is sucrase-isomaltase. In addition, unlike alpha-glucosidase of Bacillus sp. SAM1606, it does not degrade maltose and trehalose. In the above, the alpha-glucosidase derived from the Summers Caldophilus strain in the present invention is a novel enzyme.

실시예 4 : 알파-글루코시다제 유전자의 발현벡터 제작, 재조합 알파-글루코시다제의 발현 및 트레할로스 합성Example 4 Expression Vector Construction of Alpha-Glucosidase Gene, Expression of Recombinant Alpha-glucosidase and Trehalose Synthesis

실험예 1 : 알파-글루코시다제 유전자의 발현벡터 제작Experimental Example 1 Preparation of Expression Vector of Alpha-Glucosidase Gene

도 9에 도시한 바와 같이, 알파-글루코시다제 유전자의 발현벡터를 제작하였다. 알파-글루코시다제 유전자의 코딩영역(OFR, open reading frame)에 해당되는 DNA를 중합효소 연쇄반응으로 증폭 및 회수하고, 단백질 발현용 플라스미드 벡터인 pET22b(+)에 결합 및 발현용 숙주 대장균에 형질전환시켜 알파-글루코시다제 발현 재조합체를 제조하였다. 더 상세히 설명하면, 알파-글루코시다제 N-말단 유전자를 기초로 하여 새로이 제한효소NdeI 절단부위와 전사개시 코돈 ATG를 포함하는 PCR 프라이머 5'-GAACATATGAGCTGGTGGCAAAGGGCG-3' 및 C-말단을 포함하고 새로이 제한효소HindIII 절단부위를 포함하는 PCR 프라이머 5'-GCAAAGCTTCTAGTCTAGCCGCACCGC-3'를 사용하여 중합효소 연쇄반응을 수행함으로써 1.6 kb에 해당하는 알파-글루코시다제 유전자 DNA를 증폭, 분리하였다. 상기 증폭된 알파-글루코시다제 유전자 DNA를 제한효소NdeI,HindIII로 처리하고 분리, 정제한 후 동일한 효소로 처리한 단백질 발현용 플라스미드 벡터 pET22b(+)에 결합시켰다. 서로 결합되어 구성된 알파-글루코시다제 발현 플라스미드 pTcAGlu를 발현 대장균(E.coliBL21(DE3))에 형질전환시켜 알파-글루코시다제 발현 재조합체를 제조하였다.As shown in FIG. 9, an expression vector of an alpha-glucosidase gene was constructed. DNA amplifying and recovering the DNA corresponding to the alpha-glucosidase gene (OFR, open reading frame) by polymerase chain reaction, binding to pET22b (+), a protein expression plasmid vector, and transfecting into host E. coli The conversion produced alpha-glucosidase expressing recombinants. More specifically, on the basis of the alpha-glucosidase N-terminal gene, a new PCR primer 5'-GAACATATGAGCTGGTGGCAAAGGGCG-3 'and a new C-terminus comprising a restriction enzyme Nde I cleavage site and a transcription initiation codon ATG are newly introduced. The polymerase chain reaction using PCR primer 5'-GCAAAGCTTCTAGTCTAGCCGCACCGC-3 'containing restriction enzyme Hind III cleavage site was performed to amplify and isolate the alpha-glucosidase gene DNA corresponding to 1.6 kb. The amplified alpha-glucosidase gene DNA was treated with restriction enzymes Nde I, Hind III, isolated and purified and then bound to the plasmid vector pET22b (+) for protein expression treated with the same enzyme. The alpha-glucosidase expression plasmid pTcAGlu constructed by binding to each other was transformed into expression E. coli ( E. coli BL21 (DE3)) to prepare an alpha-glucosidase expression recombinant.

상기 플라스미드 pTcAGlu를 함유한 대장균 BL21(DE3)[pTcAGlu]은 생명공학연구소 부설 유전자은행에 기탁번호 KCTC 8943P(기탁일 : 1999년 6월 1일)로서 기탁되어 있다.E. coli BL21 (DE3) [pTcAGlu] containing the plasmid pTcAGlu has been deposited with the gene bank affiliated with the Biotechnology Research Institute as accession number KCTC 8943P (deposit date: June 1, 1999).

실험예 2 : 재조합 알파-글루코시다제의 발현 및 정제Experimental Example 2 Expression and Purification of Recombinant Alpha-Glucosidase

클로닝된 알파-글루코시다제의 유전자를 발현시키기 위해, 대장균 BL21(DE3)[pTcAGlu]를 50μg/ml의 앰피실린이 첨가된 LB 액체배지에 접종하여 대량 배양하였다. 37℃에서 약 3시간 배양한 후, 최종농도로 1 mM IPTG를 첨가하고 약 12시간 계속 배양하여 유전자의 발현을 유도하였다(도 10). 이 때 발현율은 총 세포 단백질의 10%에 달할 정도로 높았다. 상기와 같이 배양한 균체를 원심분리하여 회수한 다음, 20 mM 인산화칼륨 완충용액(pH 7.0)에 현탁시키고 초음파 세포파쇄기로 세포를 파쇄시켰다. 파쇄된 상기 세포 용액을 4℃에서 12,500Xg로 30분간 원심분리하여 미파쇄 세포 및 불용성 세포 파쇄물을 제거한 효소액을 만들었다. 상기 얻어진 수용성 상층 효소액만을 85℃에서 30분간 열처리하고 원심분리하여 대장균 유래 변성 단백질을 제거하였다. 이상과 같이 발현 정제된 알파-글루코시다제의 특성은 SDS-폴리아크릴아마이드 젤 전기영동 상에서 이동도, 활성 최적온도, pH 및 기질(이소말토올리고당, 파노스, 설탕, 니게로스, 튜라노스 등) 특이성에 있어서 서머스 칼도필러스 지케이24 균주 유래 알파-글루코시다제와 동일하였다.To express the cloned alpha-glucosidase gene, Escherichia coli BL21 (DE3) [pTcAGlu] was inoculated in LB liquid medium to which 50 μg / ml of ampicillin was added and cultured in large quantities. After incubation at 37 ° C. for about 3 hours, 1 mM IPTG was added at the final concentration and continued for about 12 hours to induce gene expression (FIG. 10). The expression rate was as high as 10% of the total cellular protein. The cells cultured as described above were recovered by centrifugation, suspended in 20 mM potassium phosphate buffer (pH 7.0), and the cells were disrupted by an ultrasonic cell disruptor. The crushed cell solution was centrifuged at 12,500 × g for 30 minutes at 4 ° C. to form an enzyme solution from which unbroken cells and insoluble cell debris were removed. Only the water-soluble supernatant obtained above was heat treated at 85 ° C. for 30 minutes and centrifuged to remove E. coli derived denatured protein. The characteristics of the purified alpha-glucosidase as described above are characterized by mobility, optimum temperature, pH and substrate (isomaltooligosaccharide, panose, sugar, nigerose, turanose, etc.) on SDS-polyacrylamide gel electrophoresis. In specificity, they were identical to the alpha-glucosidase derived from the Summers Caldophilus ZK24 strain.

실험예 3 : 재조합 알파-글루코시다제에 의한 당전이 반응Experimental Example 3: Sugar Transition Reaction by Recombinant Alpha-Glucosidase

도 11 및 도 12에 도시한 바와 같이, 상기 실험예 2의 재조합 알파-글루코시다제를 사용하여 당전이 반응을 확인하였다. 10에서 500 mM 이소말토스 또는 10 mM에서 2.0 M 설탕만, 또는 수용분자로 20 mM 맥아당, 트레할로스, 류크로스, 에를로스, 젖당과 조합하여 40 mM 인산화 칼륨 완충용액(pH 7.0)하에서 75℃로 72시간 효소반응을 시켰다. 상기 반응액을 20분간 끓여 반응을 중지시키고 반응 생성물을 HPAEC-PAD로 분석하였다. 상기와 같이 반응시킨 반응액을 분석한 바(도 11) 500mM 이소말토스를 기질로 효소반응을 수행한 결과 산물은 일부 남은 기질 자체인 이소말토스 및 가수분해 산물인 포도당, 당전이 반응에 의해 생성된 이소말토스보다 당 사슬 길이가 증가한 이소말토트리오스, 이소말토테트라오스 그리고 이보다 더 큰 당류들이었다. 기질로 설탕을 사용한 경우(도 12)도 마찬가지로 반응하고 남은 기질인 설탕 및 가수분해산물인 포도당과 과당 이외에 새로운 당류들의 피크가 설탕 뒤쪽으로 검출되었다.As shown in Figure 11 and 12, using the recombinant alpha-glucosidase of Experimental Example 2 was confirmed the sugar transfer reaction. 10 to 500 mM isomaltose or 10 mM to 2.0 M sugar only, or in combination with 20 mM maltose, trehalose, leucross, erlos, lactose as acceptor molecules at 75 ° C. under 40 mM potassium phosphate buffer (pH 7.0) 72 hours enzymatic reaction. The reaction was boiled for 20 minutes to stop the reaction and the reaction product was analyzed by HPAEC-PAD. As a result of analyzing the reaction solution as described above (FIG. 11), as a result of enzymatic reaction with 500 mM isomaltose as a substrate, the product was partially reacted with isomaltose, which is the substrate itself, and glucose, a hydrolysis product, and glucose transfer reaction. Isomaltrios, isomaltotetraose and larger sugars with increased sugar chain length than isomaltose produced. In the case of using the sugar as a substrate (Fig. 12), the peaks of the new sugars were detected behind the sugar in addition to the remaining substrate sugar and the hydrolyzate glucose and fructose.

상기 실시예와 실험예를 통하여 설명한 바와 같이 본 발명의 방법에 의해 제조된 재조합 알파-글루코시다제는 전분 생전환 공정에서 미생물 알파-아밀라제에 의한 포도당 생산 수율을 향상시킬 수 있는 상승적 액화를 촉매할 뿐만 아니라 당전이 반응을 통해 식품 및 의약적 목적의 새로운 다당류 생산에도 이용할 수 있어전분산업, 식품 및 생물의약 산업상 매우 유용한 발명인 것이다.As described in the above Examples and Experimental Examples, the recombinant alpha-glucosidase prepared by the method of the present invention may catalyze synergistic liquefaction that can improve the glucose production yield by microbial alpha-amylase in the starch bioconversion process. In addition, the sugar transfer reaction can be used to produce new polysaccharides for food and pharmaceutical purposes, which is a very useful invention for the starch industry, food and biopharmaceutical industry.

Claims (11)

하기와 같은 특성을 가지는 서머스 칼도필러스 지케이24(Themus caldophilusGK24) 균주 유래의 내열성 알파-글루코시다제 :Heat-resistant alpha-glucosidase derived from the Themus caldophilus GK24 strain having the following characteristics: i)반응온도 : 30-100℃i) Reaction temperature: 30-100 ℃ ⅱ)안정 pH : pH 6.0 - 8.5Ii) Stable pH: pH 6.0-8.5 ⅲ)기질 특이성 : 이소말토스(isomaltose), 이소말토트리오스(isomaltoriose), 이소말토테트라오스(isomaltotetraose), 파노스(panose), 니게로스(nigerose), 튜라노스(turanose), 설탕(sucrose)Substrate specificity: isomaltose, isomaltoriose, isomaltotetraose, panose, nigerose, turanose, sugar ⅳ)아미노산 서열 :Iii) amino acid sequence: 제1항의 알파-글루코시다제를 코딩하는 염기서열을 포함하는 유전자.A gene comprising a nucleotide sequence encoding the alpha-glucosidase of claim 1. 제 2항에 있어서, 상기 유전자는 하기의 염기 서열을 포함하는 것을 특징으로 하는 유전자.The gene according to claim 2, wherein the gene comprises the following nucleotide sequence. 삭제delete 제2항 내지 제3항 중의 어느 한 항의 유전자를 포함하는 재조합 유전자 발현벡터.A recombinant gene expression vector comprising the gene of any one of claims 2 to 3. 제 5항에 있어서, 상기 재조합 유전자 발현벡터는 pTcAGlu.The method of claim 5, wherein the recombinant gene expression vector is pTcAGlu. 제 5항 내지 제 6항 중의 어느 한항의 재조합 유전자 발현벡터에 의해 형질전환된 대장균.E. coli transformed with the recombinant gene expression vector of any one of claims 5 to 6. 제 7항에 있어서, 상기 형질전환된 대장균(E.coli)은 BL21 (DE3)[pTcAGlu](KCTC 8943P).The method of claim 7, wherein the transformed E. coli is BL21 (DE3) [pTcAGlu] (KCTC 8943P). 제 1항 기재의 알파-글루코시다제를 코딩하는 염기서열을 포함하는 유전자를 함유하는 재조합 유전자 발현벡터 pTcAGlu에 의해 형질전환된 대장균 BL21 (DE3)[pTcAGlu](KCTC 8943P)을 배양함을 특징으로 하는 서머스 칼도필러스 지케이 24 균주 유래의 알파-글루코시다제의 제조 방법.E. coli BL21 (DE3) [pTcAGlu] (KCTC 8943P) transformed by a recombinant gene expression vector pTcAGlu containing a gene comprising a base sequence encoding alpha-glucosidase as described in claim 1 A method for producing alpha-glucosidase derived from Summers Caldophilus ZK 24 strain. 삭제delete 제 1항의 내열성 알파-글루코시다제를 이용한 전분당 가수분해와 역가수분해(당전이반응)에 의한 복합당 제조방법.A method for producing a complex sugar by starch sugar hydrolysis and reverse hydrolysis (sugar transfer reaction) using the heat resistant alpha-glucosidase of claim 1.
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