KR100539142B1 - biosensor for detecting BTEX and the manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 BTEX 검출용 바이오센서는, 검출 보고 역할을 갖는 반딧불 루시 페라제 유전자를 암호화하는 서열을 포함하는 제1핵분자와, BTEX 분해효소 조절 유전자 xylR, 상기 유전자의 발현을 조절하는 프로모터 유전자 Pr, 및 BTEX 분해 효소 합성을 조절하는 프로모터 유잔자 Pu로 구성되는 제2핵산분자를 포함하는 플라스미드를 갖는 세포 및 상기 세포가 BTEX에 노출되었을 때 세포내 루시페라제분자의 활성을 형광발현으로 측정하는 것(kit)을 특징으로 한다. 상술한 구성에 의하면, BTEX에 대해 전처리과정 없이 시간과 장소에 구애되지 않고 단시간에 현장시료를 나노수준으로 저렴하게 분석할 수 있는 효과를 도모할 수 있다.The biosensor for detecting BTEX according to the present invention comprises a first nuclear molecule comprising a sequence encoding a firefly luciferase gene having a detection report role, a BTEX degrading enzyme regulatory gene xylR , and a promoter gene for regulating the expression of the gene. Fluorescence measurement of the activity of intracellular luciferase molecules when the cells have a plasmid comprising Pr and a second nucleic acid molecule consisting of a promoter residue, Pu , which regulates BTEX degrading enzyme synthesis and when the cells are exposed to BTEX It is characterized by a kit. According to the above-described configuration, it is possible to achieve the effect of inexpensively analyzing field samples at a nano level in a short time without regard to time and place without pretreatment process for BTEX.

Description

비티이엑스 검출용 바이오센서 및 그 제조방법{biosensor for detecting BTEX and the manufacturing method thereof} Biosensor for detecting BTEX and its manufacturing method

본 발명은 BTEX 화합물 검출용 바이오센서 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히 유전자 재조합기술을 이용한 BTEX 검출용 바이오센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a biosensor for detecting a BTEX compound and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a biosensor for detecting a BTEX using a genetic recombination technology and a method for manufacturing the same.

BTEX 화합물은 벤젠(Benzene), 톨루엔(Toluene), 에틸벤젠(Ethylbenzene), 크실렌(Xylene)을 일컫는 것으로 최근 산업활동의 급성장에 따라 상당량의 유해오염물질들이 자연환경으로 유출되고 있는데 이중에서도 VOCs(volatile organic compounds)의 대표적이 유류물질인 BTEX 화합물은 유류저장소에서의 누출 및 사고, 산업체에서의 광법위한 사용으로 인해 오염정도가 심해지고 있다. 이들에 의한 오염은 지표수원, 지하수원, 처리식수 등 공공 식수계 전반에 걸쳐 광범위하게 발견되고 있으며 대부분의 VOCs는 발암을 유발하는 유독성 유기화학물질로 판명되고 있어 전세계적으로 음용수의 휘발성 유기물질 규제지침 및 법령제정이 강화되고 있는 추세이다.BTEX compounds are Benzene, Toluene, Ethylbenzene, and Xylene. Along with the recent rapid growth of industrial activities, a considerable amount of harmful pollutants are released into the natural environment. BTEX compounds, a representative oil compound of organic compounds, are becoming more contaminated due to leaks and accidents in oil depots and photonic use in industry. Pollution caused by these is widely found in the public drinking water system such as surface water source, ground water source, and treated drinking water. Most VOCs are found to be toxic organic chemicals that cause carcinogenicity. Directives and legislation are on the rise.

이러한 BTEX을 측정하기 위해, 종래에는 기기 화학적 방법으로 크로마토그래피-질량분석법(GC-MS)등이 활용되고 있었다. 그러나 이러한 방법은 비용이 많이 들고, 복잡한 처리에 의해 시간이 오래 걸리며, 전문지식이 없는 사람은 활용이 용이하지 않고 또한 중장비 기기를 필요로 해 현장에서 활용할 수 없는 사용상의 한계가 있었다. 따라서, 누구나 시간과 장소에 구애받지 않고 현장에서 간편, 신속하게 저비용으로 BTEX을 검출할 수 있는 방법의 개발이 필요한 실정이다.In order to measure such BTEX, chromatography-mass spectrometry (GC-MS) and the like have been conventionally used as an instrument chemical method. However, these methods are expensive, take a long time due to complicated processing, and have no limitations in use because they are not easy to use by those without expertise and require heavy equipment. Therefore, it is necessary to develop a method for detecting BTEX easily and quickly at low cost regardless of time and place.

한편, 슈나모나스(Pseudomonas)를 비롯하여 많은 미생물이 환경에 존재하는 난분해성 방향족 화합물과 같은 독성물질에 적응하며 이들을 생분해하여 탄소원으로 사용하는 능력을 가진다는 것이 보고되어 있다.(Harayama and Timmis, 1992: Kustu et al., 1991)On the other hand, it has been reported that many microorganisms, including Pseudomonas , adapt to toxic substances such as hardly degradable aromatic compounds present in the environment and have the ability to biodegrade and use them as carbon sources (Harayama and Timmis, 1992: Kustu et al., 1991)

이러한 미생물의 특성은 그 유전자와 관련 단백질에 기인되며 미생물은 생존을 위해 이들 독성물질을 분해하는 효소들을 가지도록 진화하고 있다. 이들 미생물은 분해해야 할 화합물이 존재할 때에만 분해효소를 생합성하기 위해 관련 유전자의 발현을 조절하고 있다.The properties of these microorganisms are due to their genes and related proteins, and microorganisms are evolving to have enzymes that break down these toxins for survival. These microorganisms regulate the expression of related genes to biosynthesize enzymes only when there are compounds to degrade.

전술한 발현조절은 프로모터(promoter)라는 특이조절유전자와 액티베이터(activator)라는 단백질의 상호작용에 의해 가능하다. 액티베이터 단백질은 분해화합물인 난분해성 방향족 화합물과 결합되어야만 구조적 변이가 유도되어 분해 효소의 생합성을 위한 전사를 시작한다.The above expression regulation is possible by the interaction of a specific regulatory gene called a promoter and a protein called an activator. The activator protein must be combined with a hardly degradable aromatic compound to induce a structural variation to initiate transcription for biosynthesis of the degrading enzyme.

이 결합에 의해 전사 액티베이터, 호스트팩터(host factor)와 RNA 중합효소(polymerase)로 이루어진 DNA 프로모터복합체(promoter complex)가 형성되어 다운스트림에 있는 분해효소 유전자를 발현시킨다.(Marques and Ramos, 1993; Perez-Martin et al., 1994)This binding results in the formation of a DNA promoter complex consisting of a transcriptional activator, a host factor and an RNA polymerase, which expresses the downstream enzyme gene (Marques and Ramos, 1993; Perez-Martin et al., 1994)

XylR과 XylS를 비롯한 몇몇 액티베이터 단백질들이 발견되어 보고되고 있고 분해 유전자의 구조가 규명되고 있다. 이러한 발견과 규명에 힘입어 유기오염 독성물질들을 탐지하는 바이오센서의 개발이 가능하게 되었다.Several activator proteins, including XylR and XylS, have been discovered and reported, and the structure of the degraded genes has been elucidated. This discovery and identification made it possible to develop biosensors that detect organic pollutants.

분해관련 프로모터를 반딧불 루시페라제(firefly luciferase)나 β-갈락토시다제 등의 리포터유전자와 재조합하여 관련 분해화합물에 의해 이들 재조합유전자의 프로모터가 활성화될 때 리포터 단백질이 발현되고 이를 생화학적으로 인지할 수 있는 바이오센서의 개발이 시도되고 있다.(Willardson et al., 1998; Holis et al, 1999; Reid et al., 1998; Blouin et al., 1996; Heitzer et al., 1994)Recombinant promoters are recombined with reporter genes, such as firefly luciferase or β-galactosidase, and reporter proteins are expressed and biochemically recognized when the promoters of these recombinant genes are activated by related degradation compounds. Attempts have been made to develop biosensors (Willardson et al., 1998; Holis et al, 1999; Reid et al., 1998; Blouin et al., 1996; Heitzer et al., 1994).

또한 스트레스유전자를 리포터유전자와 재조합하여(Belkin et al., 1996) 산소에 관한 스트레스를 측정한 연구와 열충격(heat shock) 유전자를 리포터유전자에 재조합하여(Van Dyk et al., 1994) 여러 환경스트레스에 의해 유도되는 열충격유전자의 발현으로 환경독성을 측정한 연구 및 SOS 럭스테스트(lux test)를 이용하여 환경의 제노톡신(genotoxin)을 측정한 연구(Ptitsyn et al., 1997)가 보고되고 있다. 그외 여러 화학물이나 금속을 측정하는 다양한 바이오센서에 관한 연구도 진행되고 있다.(Sticher et al., 1997; Peitzsch et al., 1997; Schramm et al., 1996)In addition, stress genes were recombined with reporter genes (Belkin et al., 1996) to measure oxygen stress, and heat shock genes were recombined with reporter genes (Van Dyk et al., 1994). The study of the measurement of environmental toxicity by the expression of thermal shock genes induced by and the measurement of the genotoxin of the environment using the SOS lux test (Ptitsyn et al., 1997) has been reported. In addition, research on various biosensors measuring various chemicals and metals is underway (Sticher et al., 1997; Peitzsch et al., 1997; Schramm et al., 1996).

윌라드슨(Willardson) 연구그룹에서는 벤젠, 톨루엔 및 유사화합물을 검출하는 바이오센서를 보고하였다. 슈도모나스 푸티다(Pseudomonas putida) mt-2 유래 TOL 플라스니드로부터 전사가능한 액티베이터 유전자 xylR과 프로모터 Pu를 리포터유전자 luc와 재조합하여 E.coli세포에 형질전환한 후 벤젠, 톨루엔 등에 의해 형광을 유도하여 화합물의 탐색을 연구하였다. 이 바이오센서를 이용하여 물과 토양에서 BTEX(benzene, toluene, and xylene)의 오염을 측정하였다. 정확한 농도 의존 형광이 관찰되었고, 3-자이렌은 39.0±3.8μM, 3-메틸벤질알콜은 2,690±160μM의 K1/2값을 나타냈다. 그러나, 높은 염과 pH에서 형광발현이 저해되는 문제가 보고된다.(Willardson et al., 1998) 또한, 검출가능한 한계 농도가 높은 문제점도 있다.The Willardson research group reported a biosensor that detects benzene, toluene and similar compounds. Transformable activator genes xylR and promoter Pu from Pseudomonas putida mt-2-derived TOL plasmids were transformed into E. coli cells by recombination with the reporter gene luc and induced fluorescence by benzene, toluene, etc. The search was studied. Using this biosensor, contamination of BTEX (benzene, toluene, and xylene) in water and soil was measured. Accurate concentration dependent fluorescence was observed, with 3-xylene having a K 1/2 value of 39.0 ± 3.8 μM and 3-methylbenzyl alcohol at 2,690 ± 160 μM. However, problems have been reported that fluorescence is inhibited at high salts and pH (Willardson et al., 1998). There is also a problem of high detectable threshold concentrations.

국내에서는 살충제(pesticides)와 결합하는 수용체(receptor)를 이용한 면역검정(immunoassay)법으로 살충제를 검출한 연구와 포도당산화효소(glucose oxidase)를 막에 고정하여 포도당을 분석한 연구가 보고되고 있으며 생물공학적으로 재조합한 여러 독성물질들에 의한 세포의 스트레스 반응연구가 보고되고 있다. 또한 제품개발에서는 생물전자이용법으로 용존산소를 측정한 BOD 미터(Meter)가 개발되고 있으며 발광미생물을 이용하여 용존산소를 측정하는 장치가 연구되었다.In Korea, studies on the detection of pesticides by immunoassay method using a receptor that binds pesticides and analysis of glucose by fixing glucose oxidase on the membrane have been reported. A study on the stress response of cells caused by engineering toxins has been reported. In the product development, a BOD meter measuring dissolved oxygen has been developed by bioelectronics, and a device for measuring dissolved oxygen using luminescent microorganisms has been studied.

그러나, BTEX 화합물의 정성분석과 정량분석을 저렴하고 신속정확하게 행할수 있는 바이오센서는 아직 국내에서는 개발되고 있지 않다.However, biosensors that can perform qualitative and quantitative analysis of BTEX compounds inexpensively and quickly are not yet developed in Korea.

따라서 본 발명은 상기한 바와같은 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 전처리과정 없이 단시간에 현장시료를 나노수준으로 저렴하게 분석할 수 있는 BTEX 검출용 바이오센서 및 그 제조방법을 제공하는 것이다. Therefore, the present invention has been made to solve the above problems, an object of the present invention is to provide a biosensor for BTEX detection and its manufacturing method that can be analyzed at a short time in the field sample at a nano level without a pre-treatment process It is.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 의한 제1양태의 BTEX 검출용 바이오센서는 검출 보고 역할을 갖는 리포터 분자를 암호화하는 서열을 포함하는 제1핵산분자와, 나프탈렌 분해효소 조절유전자 xylR, 상기 유전자의 발현을 조절하는 프로모터 유전자 Pr 및 나프탈렌 분해효소 합성을 조절하는 프로모터 유전자 Pu을 갖는 제2핵산분자를 포함하여 구성되는 유전자 구조체 및 상기 유전자 구조체를 갖는 세포를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the biosensor for detecting BTEX of the first aspect of the present invention comprises a first nucleic acid molecule comprising a sequence encoding a reporter molecule having a detection report role, and a naphthalene degrading enzyme modulator xylR. , A gene construct comprising a second nucleic acid molecule having a promoter gene Pr for regulating expression of the gene and a promoter gene Pu for regulating naphthalene degrading enzyme synthesis, and a cell having the gene construct.

상기 구성의 BTEX 검출용 바이오센서에 의하면, BTEX 존재시 리포터유전자 발현정도에 따라 누구나 BTEX 분석을 신속, 정확하게 저비용으로 행할 수 있는 이점이 있다.According to the biosensor for detecting BTEX having the above structure, anyone can perform BTEX analysis quickly and accurately at low cost according to the expression level of the reporter gene in the presence of BTEX.

본 발명의 구체적인 실시예에 의하면, BTEX 검출용 바이오센서는 제1핵산분자가 반딧불 루시페라제 유전자 luc를 암호화하는 것을 특징으로 한다.According to a specific embodiment of the present invention, the BTEX detection biosensor is characterized in that the first nucleic acid molecule encodes the firefly luciferase gene luc .

상기 구성에 의하면, 분석물에서 BTEX의 농도를 3μM 수준까지 정량분석 할 수 있는 이점이 있다.According to the configuration, there is an advantage in that the concentration of BTEX in the analyte can be quantitatively analyzed to a level of 3 μM.

본 발명이 다른 구체적인 실시예에 의하면, 상기 세포가 BTEX에 노출되었을 때 세포내 루시페라제의 활성을 측정하는 수단을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.According to another specific embodiment of the present invention, the cell comprises a means for measuring the activity of intracellular luciferase when exposed to BTEX.

상기한 구성에 의하면, BTEX에 대해 전처리과정 없이 단시간에 현장시료를 나노수준으로 저렴하게 분석할 수 있는 이점이 있다.According to the above configuration, there is an advantage that can be inexpensively analyzed on-site samples at a nano level in a short time without pretreatment process for BTEX.

상기 세포는 특별한 제한이 있는 것은 아니나, 대장균이 바람직하다.The cell is not particularly limited, but E. coli is preferred.

상기 푸시페라제의 활성을 측정하는 수단은 모든 광측정기구를 사용할 수 있으며, 운반용 루미노미터(luminometer)가 현장에서 바람직하다.The means for measuring the activity of the pushperase can use any optical measuring device, a transport luminometer is preferred in the field.

본 발명의 구체적인 실시예에 의하면, 상기 세포는 동결건조기(lyophilizer)를 이용하여 분말화한 형태로서, 필요할 때 어디서나 시료용액과 혼합하여 BTEX의 유무를 시험관안에서 확인가능한 키트로 개발할 수 있는 이점이 있다.According to a specific embodiment of the present invention, the cells are powdered form using a lyophilizer, and when necessary, the cells can be mixed with the sample solution to develop the presence of BTEX as a kit that can be identified in vitro. .

본 발명의 제2양태에 의하면, BTEX 검출용 바이오센서의 제조방법은, 나프탈렌 분해효소 조절유전자 xylR, 상기 유전자의 발현을 조절하는 프로모터 유전자 Pr 삽입유전자를 증폭시키는 단계; 상기 증폭된 삽입유전자들을 제한효소 Kpn I 및 Xho I로 자르는 단계; 반딧불 루시페라제 유전자를 포함하는 발현벡터를 상기 제한 효소들로 자르는 단계; 상기 삽입유전자와 발현벡터를 클로닝하여 컴피턴트셀에 형질전환시키 단계; BTEX 분해효소 합성을 조절하는 프로모터 유전자 Pu을 포함하는 삽입유전자를 증폭시키는 단계; 상기 증폭된 삽입유전자들을 제한효소 Xho I 및 HindⅢ로 자르는 단계; 및 상기 삽입유전자(Pu)와 발현벡터를 클로닝하여 컴피턴트셀에 형질전환시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to a second aspect of the present invention, a method for producing a biosensor for BTEX detection may include amplifying a naphthalene degrading enzyme regulatory gene xylR and a promoter gene Pr insertion gene for controlling expression of the gene; Cutting the amplified transgenes with restriction enzymes Kpn I and Xho I; Cutting an expression vector comprising a firefly luciferase gene with the restriction enzymes; Cloning the transgene and the expression vector and transforming the competent cells; Amplifying an insert gene comprising a promoter gene Pu that regulates BTEX degrading enzyme synthesis; Cutting the amplified transgenes with restriction enzymes Xho I and HindIII; And transforming the competent cell by cloning the insertion gene (Pu) and the expression vector.

상기한 구성에 의하면, 전처리과정 없이 단시간에 현장시료를 마이크로수준으로 저렴하게 분석할 수 있는 BTEX 검출용 바이오센서를 단순한 공정에 의해 용이하게 제조할 수 있는 이점이 있다.According to the above configuration, there is an advantage that the BTEX detection biosensor which can analyze the field sample at a micro level inexpensively in a short time without a pretreatment process can be easily manufactured by a simple process.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 BTEX 검출용 바이오센서 및 그제조방법에 대하여 구체적으로 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail with respect to the biosensor for detecting the BTEX of the present invention and its manufacturing method.

먼저 BTEX과 특이적으로 반응하는 유전자를 규명하고 얻기 위하여 BTEX 분해미생물 중 가장 탁월한 분해능을 가진 미생물의 유전자를 분리한 다음 중합효소 연쇄반응을 이용하여 분해 관련 유전자 부위를 증폭시켜 클로닝하였다.First, in order to identify and obtain genes that specifically react with BTEX, the genes of the microorganisms having the highest resolution among BTEX degrading microorganisms were isolated and then cloned by amplifying degradation-related gene regions using polymerase chain reaction.

이때 사용된 프라이머는 기존에 알려진 BTEX 분해 관련 유전자의 염기서열중 진화적으로 매우 보존성이 높은 부위의 서열로 정하여 제작하였다. 제작된 프라이머를 이용하여 중합효소 연쇄반응을 실행함으로써 BTEX분해 관련 조절유전자 xylR과 이의 발현을 조절하는 프로코너 유전자 Pr을 함께 증폭시킨다.At this time, the primers were prepared by determining the sequence of the evolutionarily very conserved region among the nucleotide sequences of the known BTEX degradation gene. By using the prepared primers, a polymerase chain reaction was carried out to amplify the BTEX degradation-related regulatory gene xylR and the progenitor gene Pr that regulates its expression.

이를 전기영동으로 확인한 후 제한효소 Kpn I 및 Xho I으로 양쪽끝을 자른 다음 이 단편을 정제한 후, 도 1에 나타난 바와 같이 동일한 제한효소들로 잘라진 발현벡터인 pGL3-베이직 벡터(Promega 회사)에 클로닝한다. 그런 다음 삽입유전자를 포함하는 발현벡터를 대장균(DH5α)에 형질전환하였다.After confirming this by electrophoresis, both ends were cut with restriction enzymes Kpn I and Xho I, and the fragments were purified. Then, pGL3-basic vector (Promega company), which is an expression vector cut with the same restriction enzymes as shown in FIG. Clones. Then, the expression vector containing the transgene was transformed into E. coli (DH5α).

제작된 프라이머를 이용하여 중합효소 연쇄반응을 실행함으로써 BTEX 분해 효소 합성을 조절하는 프로모터 유전자 Pu를 증폭시킨다.By using the prepared primers, a polymerase chain reaction is carried out to amplify a promoter gene Pu that regulates BTEX degrading enzyme synthesis.

이를 전기영동으로 확인한 후 제한효소 Xho I 및 Hind Ⅲ 로 양쪽끝을 자른 다음 이 단편을 정제한 후, 상기에서 형질전환된 셀에서 분리한 플라즈미드를 벡터로 사용 동일한 제한효소들로 잘려진 벡터에 클로닝한다. 그런 다음 삽입유전자를 포함하는 발현벡터를 대장균(DH5α)에 형질전환하였다.After confirming this by electrophoresis, both ends were cut with restriction enzymes Xho I and Hind III, and the fragments were purified. Then, the plasmid isolated from the transformed cell was used as a vector and cloned into the vector cut by the same restriction enzymes. . Then, the expression vector containing the transgene was transformed into E. coli (DH5α).

정확한 클로닝의 여부는 염기서열을 통해 확인하였으며 다른 분해 미생물과 99% 유사염기서열을 가지고 있다.Precise cloning was confirmed by sequencing and had 99% similar bases with other degraded microorganisms.

도 2a 및 도 2b는 본 발명에 의한 BTEX 검출용 바이오센서로 측정된 BTEX 농도 및 배양시간에 따른 형광값(bioluminexcence)를 나타내는 그래프로서, 도 2a는 형광값을 log값으로 나타낸 그래프이다. 도 2a 및 도 2b에 나타난 바와 같이, BTEX 화합물의 농도에 의존하여 형광값이 증가하고 BTEX화합물 주입 후 시간별 측정에서도 시간에 따라 형광값이 증가하였다.2A and 2B are graphs showing fluorescence values (bioluminexcence) according to BTEX concentration and incubation time measured by the biosensor for detecting BTEX according to the present invention, and FIG. 2A is a graph showing fluorescence values as log values. As shown in Figures 2a and 2b, the fluorescence value increased depending on the concentration of the BTEX compound, and the fluorescence value increased with time even after the BTEX compound injection.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 의거 상세히 설명하겠는 바, 상기 본 발명이 실시 예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail based on the preferred embodiment of the present invention, but the present invention is not limited to the embodiment.

{실시예 1} 게놈 DNA의 분리 Example 1 Isolation of Genomic DNA

유전자 은행으로부터 BTEX를 분해하는 것으로 알려진 슈도모나스 푸티다(Pseudomonas putida) KCTC1643를 분양받아 트립틱 소이 브로스(typtic soy broth) 3ml에 접종하여 200rpm, 25℃에서 18-20시간 진탕배양한 후 6000rpm에서 3분간 원심분리하여 세포를 모았다. Pseudomonas putida KCTC1643, known to degrade BTEX, was inoculated in 3 ml of typtic soy broth, shaken at 200 rpm for 18-20 hours at 25 ° C, and then for 3 minutes at 6000 rpm. Cells were collected by centrifugation.

모아진 세포에 0.567ml의 10mM Tris-HCI/1mM EDTA(pH 8.0)을 넣어 부유시킨 후 10% SDS 30㎕와 20mg/ml 프로테이나제K 3㎕를 넣어 조심스럽게 섞은 후 37℃에서 1시간 동안 방치하였다.0.567ml of 10mM Tris-HCI / 1mM EDTA (pH 8.0) was added to the collected cells and suspended. Then, 30μl of 10% SDS and 3μl of 20mg / ml proteinase K were mixed carefully and mixed for 1 hour at 37 ℃. It was left.

여기에 80㎕의 5M NaCl을 넣어 조심스럽게 잘 섞고, 100㎕의 10% CTAB/0.7%NaCl 용액을 넣어 섞은 다음 65℃에서 10분간 가열하였다.80 μl of 5M NaCl was added thereto and carefully mixed, 100 μl of 10% CTAB / 0.7% NaCl solution was mixed and heated at 65 ° C. for 10 minutes.

이 용액에 동량의 클로로포름/이소아밀알콜을 첨가하여 인버팅(inverting)에 의해 잘 섞어 원심분리하여 상층액을 취하여 새 튜브에 옮기고, pH 5.2의 3M 초산나트륨을 10분의 1양만큼 넣은 후 0.6배의 이소프로판올을 넣어 잘 섞었다.Add the same amount of chloroform / isoamyl alcohol to the solution, mix well by inverting, centrifuge, take the supernatant, transfer to a new tube, add 1/10 of 3M sodium acetate pH 5.2, and add 0.6 Pear isopropanol was added and mixed well.

게놈 DNA가 염에 의해 침전이 되면서 하얀 실모양의 DNA가 보이면 멸균된 파스퇴르 파이펫의 끝부분을 잘 봉한 후 건져내고, 이를 마르지 않도록 바로 70% 에탄올 1ml에 담그기를 반복하여 염을 제거하고, 지나치게 건조되지 않도록 살짝 말린 후 10mM 트리스-HCl/1mM EDTA(pH 8.0) 100㎕에 넣어 풀리도록 10분 이상 방치하였다.When genomic DNA is precipitated by salt, white thread-shaped DNA is seen. Seal the end of the sterile Pasteur pipette well and remove it. Repeat the immersion in 1 ml of 70% ethanol to remove the salt. After lightly drying, the mixture was placed in 100 µl of 10 mM Tris-HCl / 1 mM EDTA (pH 8.0) and left for at least 10 minutes to be released.

게놈 DNA가 파스퇴르 파이펫에서 녹아나오면 4℃에 하룻밤 정도 두어서 게놈 DNA가 버퍼내에 균일하게 퍼지도록 하여 이를 0.7% 아가로오즈겔에 걸어 게놈 DNA임을 확인하였다.When genomic DNA melted in the Pasteur pipette, it was placed at 4 ° C. overnight to allow the genomic DNA to spread evenly in the buffer, which was confirmed to be genomic DNA by hanging on 0.7% agarose gel.

{실시예 2} BTEX 분해 조절관련 유전자의 검색 {Example 2} Search for genes related to BTEX degradation regulation

문헌조사를 통해 BTEX 분해에 관하여 주요 조절단백질(Regulatory protein)인 XylR이 BTEX의 분해메카니즘에서 인지 및 분해에 중요한 유전자임을 확인하고, 이에 해당하는 유전자 클러스터(cluster)인 xyl오페론 부분을 검색하였다. 이 검색에는 NIH내의 NCBI검색사이트를 이용하였다. 검색을 통해 xylR 및 이것의 프로모터 부분인 Pr, 그리고 XylR 조절단백질에 의해 조절받는 오페론의 프로모터인 Pu부분의 염기서열을 조사하였다.The literature review confirmed that XylR, a major regulatory protein, is an important gene for recognition and degradation in BTEX degradation mechanism, and searched for xyl operon, a corresponding cluster of genes. The NCBI search site in NIH was used for this search. The nucleotide sequence of xylR and its promoter portion, Pr , and Pu , a promoter of operon regulated by XylR regulatory protein, were investigated.

{실시예 3} 프라이머 제작 Example 3 Preparation of Primer

진뱅크에서 검색된 DNA의 염기서열을 바탕으로 아래와 같이 xylR오페론 관련유전자 앞부분과 뒷부분을 프라이머로 제노텍에 주문하여 제작하였다.Based on the base sequence of DNA retrieved from Genebank, the front and back of xylR operon-related genes were prepared by ordering genotech as primers.

xylR/Pr 부분xylR / Pr part

Forward; 5'-CCGCTCGAGATTTTAATGTGGGCTGCTTGG-3'(서열번호 2)Forward; 5'-CCGCTCGAGATTTTAATGTGGGCTGCTTGG-3 '(SEQ ID NO: 2)

Reverse; 5'-CGGGGTACCCTATCGGCCCATTGCTTTCAC-3'(서열번호 3)Reverse; 5'-CGGGGTACCCTATCGGCCCATTGCTTTCAC-3 '(SEQ ID NO: 3)

Pu 부분Pu part

Forward; 5'-CCGCTCGAGCTGCCCGGGAAAGCGCGATG-3'(서열번호 4)Forward; 5'-CCGCTCGAGCTGCCCGGGAAAGCGCGATG-3 '(SEQ ID NO: 4)

Reverse; 5'-CCCAAGCTTCAACATTGAAGGGTCACCAC-3'(서열번호 5)Reverse; 5'-CCCAAGCTTCAACATTGAAGGGTCACCAC-3 '(SEQ ID NO: 5)

{실시예 4} PCR(Polvmerase Chain Reaction)에 의한 증폭 {Example 4} Amplification by PCR (Polvmerase Chain Reaction)

확인된 균주의 게놈 DNA로부터 상기 프라이머를 사용하여 전체 반응양을 50㎕되도록 하였다. 주형 DNA로 사용될 게놈 DNA의 농도는 100mg으로 하고 제작된 프라이머는 최종농도 1.0μM이 되도록 하였다. dNTPs(dATP, dCTP, dGTP, dTTP)의 농도는 각각 2.5mM이 되도록 하였다. Taq 중합효소는 1.25units이 되도록 하여 PCR 반응을 진행시켰다.From the genomic DNA of the identified strain, the primer was used to make 50 µl of the total reaction amount. The concentration of genomic DNA to be used as template DNA was 100 mg, and the prepared primer was made to have a final concentration of 1.0 μM. The concentrations of dNTPs (dATP, dCTP, dGTP, dTTP) were set to 2.5 mM, respectively. Taq polymerase was 1.25 units and the PCR reaction was performed.

{실시예 5} 클로닝 및 리게이션(Cloning and Ligation) {Example 5} Cloning and Ligation

확인된 PCR 산물 xylR/Pr 1㎍에 대해 제한효소인 Kpn I 및 Xho I(Takara사) 1U을 37℃에서 20시간 처리하였고, Pu l㎍에 대해서는 제한효소 Xho I 및 Hind Ⅲ(Takara사) 1U을 37℃에서 20시간 처리하였다. PCR산물을 1.2% 아가로오즈겔에 전기영동한 후 5㎍/ml의 EtBr용액에 10분간 착색(staining)하고 증류수에 15분간 탈색(destaining)하여 UV일루미네이터(UV illuminators)에서 2.1kb인 xylR/Pr DNA절편과 0.25kb Pu DNA 절편을 DNA분자마커를 사용하여 확인하고 이를 포함한 부위를 조심스럽게 자른다.Restriction enzymes Kpn I and Xho I (Takara) 1U were treated for 20 hrs at 37 ° C for 1 μg of the identified PCR product xylR / Pr, and restriction enzymes Xho I and Hind III (Takara) 1U were processed for Pu lμg. Was treated at 37 ° C. for 20 hours. The PCR product was electrophoresed in 1.2% agarose gel, stained in 5 µg / ml EtBr solution for 10 minutes, and destained in distilled water for 15 minutes. XylR / 2.1 kb in UV illuminators Pr DNA fragments and 0.25kb Pu DNA fragments are identified using DNA molecule markers and carefully cut the sites containing them.

자른 아가로오즈겔의 무게를 재어서 3배의 부피로 NaI용액을 넣은 후 65℃에서 5분간 겔을 녹인 후에 그 속에 녹아있는 DNA가 바인딩될 수 있도록 5㎕의 글래스밀크(glassmilk)를 넣고 실온에서 5분간 둔 후 원심분리하여 펠릿만을 얻어 세척 용액을 넣고 원심분리하는 과정을 3번 반복하였다.Weigh the cut agarose gel, add NaI solution in three times the volume, melt the gel at 65 ° C for 5 minutes, and add 5 μl glassmilk to bind the dissolved DNA. After 5 minutes and centrifuged to obtain only the pellet was added to the washing solution and centrifuged three times.

그런 다음, 글래스밀크-DNA를 실온에서 말린 후 20㎕의 TE버퍼를 넣고 삽입DNA를 추출하였다. 그리고, 루시페라제 유전자를 가진 pGL3 베이직벡터(Basic vector Promega사)도 동일하게 제한효소로 잘랐다.Then, the glass milk-DNA was dried at room temperature, 20 µl of TE buffer was added thereto, and the inserted DNA was extracted. In addition, pGL3 basic vector (Basic vector Promega) having luciferase gene was also cut with restriction enzyme.

이렇게 얻어진 삽입유전자와 루시페라제유전자를 가진 pGL3 베이직벡터를 삽입DNA : 벡터DNA의 5:1 비율로 첨가하고 1U의 T4 DNA 리가제(TAKARA사)를 이용하여 16℃에서 16시간 리게이션반응을 하여 이를 DH5α컴피턴트셀(competent cell)에 CaCl₂에 의한 형질전환방법으로 형질전환시켜 이를 50㎕/ml 암피실린이 함유된 LB 배지에 접종배양하여 16시간 진탕배양한 후 플라스미드 DNA를 퀴아프렙 스핀 미니프렙 키트(QIAprep Spin Miniprep kit, QIAGEN사)를 이용하여 분리하였다.The pGL3 basic vector having the inserted gene and the luciferase gene thus obtained was added at a 5: 1 ratio of the inserted DNA: vector DNA and subjected to ligation reaction at 16 ° C. for 16 hours using a 1 U T4 DNA ligase (TAKARA). This was transformed into a DH5α competent cell by a CaCl2 transformation method, inoculated into 50 μl / ml ampicillin-containing LB medium, followed by shaking culture for 16 hours, and plasmid DNA was then converted to Quiaprep spin mini. Separation was performed using a prep kit (QIAprep Spin Miniprep kit, QIAGEN).

먼저, 세포를 1.5ml E-투브에 모은 다음에 P1 버퍼 250㎕를 넣어 펠릿을 부유시키고, P2 버퍼를 250㎕ 넣어 5번 부드럽게 흔들어주며 세포를 용해시킨 후, N3 버퍼를 350㎕ 넣고 부드럽게 5번 흔들어주어 용해된 것을 중성화시켰다.First, the cells were collected in a 1.5 ml E-tube, and then 250 μl of P1 buffer was added to suspend the pellet. 250 μl of P2 buffer was added to shake the cells gently. Five times, the cells were lysed. Shake to neutralize the dissolved.

10분동안 상온에서 원심분리하여 상층액을 조심스럽게 따라 내어 2ml 퀴아프렙 스핀 칼럼(QIAprep spin column)에 옮긴 다음에 PB 버퍼를 500㎕ 넣어 1분 동안 원심분리하였다. PE버퍼 750㎕를 넣어 스핀컬럼을 1분간 원심분리하여 씻어준 후에 걸러진 것을 버리고 1분간 한번 더 원심분리하여 남은 버퍼용액을 제거하고, 퀴아프렙 스핀 컬럼을 1.5ml E-튜브에 옮김 후에 EB 버퍼(10mM Tris-HC1, pH8.5) 50㎕을 넣어 1분간 둔 후에 1분간 원심분리하여서 프라스미드 DNA를 분리하였다. 분리된 DNA는 0.7% 아가로오즈겔에 전기영동을 하여 xylR/Pr의 경우 Kpn I 및 Xho I, Pu의 경우 Xho I 및 HindⅢ를 사용하여 클로닝된 것을 확인하였다.After centrifugation at room temperature for 10 minutes, the supernatant was carefully followed, transferred to a 2 ml QIAprep spin column, and then 500 µl of PB buffer was added and centrifuged for 1 minute. 750 μl of PE buffer was added to the spin column for 1 minute to wash, discard the filtered and centrifuged once more to remove the remaining buffer solution, and transfer the Qyprep spin column to 1.5 ml E-tube. 50 μl (10 mM Tris-HC1, pH8.5) was added thereto, followed by one minute, followed by centrifugation for one minute to separate the plasmid DNA. The separated DNA was electrophoresed on 0.7% agarose gel to confirm that it was cloned using Kpn I and Xho I for xylR / Pr and Xho I and HindIII for Pu.

{실시예 6} 시퀀싱 및 호모로그의 비교 Example 6 Comparison of Sequencing and Homologs

클론된 유전자의 서열은 생거의 디데옥시 종결법에 근거한 DNA 시퀀싱키트(ABI 377, PE Applied Biosustems)을 사용하여 자동시퀀싱을 수행하였다.The sequence of the cloned gene was subjected to auto sequencing using a DNA sequencing kit (ABI 377, PE Applied Biosustems) based on Sanger's dideoxy termination method.

먼저 클로닝된 유전자 500ng와 프라이머 1.6pmole과, 빅다이(Bigdye)를 이용하여 전체 반응액을 10㎕로 하여서 PCR반응을 진행시킨다. 시퀀싱에 사용된 프리이머는 pGL3 베이직벡터의 멀티풀 클로닝사이트(multiple cloning site)에 삽입된 유전자의 서열을 파악하기 위해서 다음과 같은 프라이머를 이용하였다.First, 500 ng of the cloned gene, 1.6 pmole of primer and Bigdye (Bigdye) were used to proceed with the PCR reaction using 10 µl of the total reaction solution. The primers used for sequencing used the following primers to identify the sequence of the gene inserted into the multiple cloning site of the pGL3 basic vector.

의미가닥 : 5'-CTAGCAAAATAGGCTGTCCC-3'(서열번호 6)Meaning strand: 5'-CTAGCAAAATAGGCTGTCCC-3 '(SEQ ID NO: 6)

역의미가닥 : 5'-CTTTATGTTTTTGGCGTCTTCCA-3'(서열번호 7)Reverse strand: 5'-CTTTATGTTTTTGGCGTCTTCCA-3 '(SEQ ID NO: 7)

95℃에서 10분동안 전-변성(pre-denaturation)한 후, 96℃에서 10초, 50℃에서 5초, 60℃에서 4분으로 25사이클 반응시킨 후에, 72℃에서 10분간 반응시켰다. 얻어진 PCR산물은 1.5ml E-튜브에 옮겨서 에탄올에 침전하여 증폭된 DNA만을 정제하였다.After 10 minutes of pre-denaturation at 95 ° C., the reaction was carried out for 25 cycles of 10 seconds at 96 ° C., 5 seconds at 50 ° C., 4 minutes at 60 ° C., and then at 72 ° C. for 10 minutes. The obtained PCR product was transferred to 1.5 ml E-tube and precipitated in ethanol to purify only amplified DNA.

pH4.6의 3M 초산나트륨을 1㎕을 넣고 25㎕의 100% 에탄올을 첨가하여 25분 얼음에 둔 후 15000rpm에서 4℃로 15분 동안 원심분리한 다음 상층액을 따라낸 후 70% 에탄올을 첨가하여 다시 10분간 원심분리하여 상층액은 버리고 펠릿만을 남긴다.Add 1 µl of 3M sodium acetate pH4.6, add 25 µl of 100% ethanol, place on ice for 25 minutes, centrifuge at 15000 rpm for 4 minutes at 4 ° C, drain the supernatant, and add 70% ethanol. After centrifugation for another 10 minutes, the supernatant is discarded, leaving only the pellets.

그런 후 충분히 말린 후 로딩다이(loading dye)를 넣어 95℃에서 2분 동안 변성시킨 후 2㎕만 따라내서 로딩을 수행하였다. 자동서열기에 의한 시퀀싱을 진행하고 서열만을 텍스트파일로 받는다. 이를 NCBI의 블라스트 데이터베이스(BLAST database)와 비교검색하여, 그 결과 일부 서열이 xylR 유전자와 XylR에 의해 작동되는 Pu 프로모터와 약 99% 유사성을 보임을 확인하였다. 상기 서열은 서열번호 1에 나타나 있다.Then, after sufficiently drying, the loading dye (loading dye) was added, denatured at 95 ℃ for 2 minutes, and loading was carried out by following only 2μl. Sequencing by automatic sequencer and receiving only sequence as text file. This was compared with NCBI's BLAST database and found that some sequences showed about 99% similarity with the xylR gene and Pu promoter operated by XylR. The sequence is shown in SEQ ID NO: 1.

{실시예 7} 형광발현에 의한 BTEX 화합물 검출 Example 7 BTEX Compound Detection by Fluorescence

상술한 대로 만들어진 미생물 유래 바이오센서의 BTEX화합물 주입시 나타나는 형광발현으로 확인하였다. 이들 화합물이 바이오센서 세포(OD600값 = 0.4 정도)에 주입되었을 때 BTEX화합물과 특이하게 반응하는 조절단백질인 XylR이 생성되어 반응한 후 이 복합체가 형광발현 유전자인 루시페라제 유전자 바로 앞에 있는 Pu 프로모터에 결합하여 형광발현효소들을 생합성하며 주입된 기질을 분해하여 형광을 낼 때 이를 루미노미터로 측정하여 확인하였다.It was confirmed by fluorescence expression when the BTEX compound injection of the microorganism-derived biosensor made as described above. These compounds are the biosensor cells (OD 600 value = 0.4 or so) after the injection is adjusted proteins XylR which specifically react with the BTEX compounds are produced when the reaction in the composite is Pu just before the fluorescence gene is luciferase gene When fluorescence was synthesized by binding to a promoter and biosynthesized by injecting a substrate, it was confirmed by measuring with a luminometer.

각각의 다른 농도의 BTEX화합물의 배양시간에 따른 형광의 발현(도 2a 및 2b 참조)에서 BTEX 화합물검출용 바이오센서가 3μM의 수준의 BTEX화합물을 측정할 수 있음을 보여주었고 조건에 따라 감도는 더욱 증가할 수 있음을 기초실험으로 나타내었다.In the expression of fluorescence according to the incubation time of each different concentration of BTEX compound (see FIGS. 2A and 2B), the biosensor for BTEX compound detection showed that it was able to measure 3μM level of BTEX compound. It is shown as a basic experiment that can increase.

이상으로 살펴본 바와 같이, 본 발명의 BTEX화합물 검출용 바이오센서에 의하면, 전처리 과정 없이 단시간에 현장시료를 나노수준으로 저비용으로 분석할 수 있는 효과를 도모할 수 있다. As described above, according to the biosensor for detecting the BTEX compound of the present invention, it is possible to achieve an effect that can be analyzed at a low cost in the field sample in a short time without a pretreatment process.

따라서 본 발명에 의한 바이오센서는 유류저장소에서 누출 및 사고, 산업체에서의 BTEX화합물의 광범위한 사용으로 인한 오염정도와 이로인한 지표수원, 지하수원, 처리식수 등 공공 식수계 전반에 걸쳐 상기 화합물을 측정하기 위해 활용될 수 있으며, 인체에서의 BTEX화합물의 검출용으로 활용될 수 있다.Therefore, the biosensor according to the present invention is to measure the compounds throughout the public drinking water system such as surface water source, ground water source, treated drinking water and the degree of contamination due to leakage and accident in oil storage, wide use of BTEX compounds in industry It can be used for the detection of BTEX compounds in the human body.

한편, 본 발명의 BTEX 검출용 바이오센서의 제조방법에 따르면, 상기 특징의 BTEX 검출용 바이오센서를 단순한 공정에 의해 제조할 수 있는 효과도 도모할 수 있다. On the other hand, according to the manufacturing method of the BTEX detection biosensor of the present invention, the effect that the BTEX detection biosensor of the above characteristics can be manufactured by a simple process can also be achieved.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 클로닝된 벡터맵을 나타내는 도면.1 is a view showing a cloned vector map according to an embodiment of the present invention.

도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 BTEX 검출용 바이오센서의 바이오발광반응을 나타낸 그래프.Figure 2a and 2b is a graph showing the bioluminescence reaction of the biosensor for BTEX detection according to the present invention.

Claims (8)

검출 보고 역할을 갖는 리포터 분자를 암호화하는 서열을 포함하는 반딧불 루시페라제 유전자 luc를 암호화한 제1핵산 분자와,A first nucleic acid molecule encoding a firefly luciferase gene luc comprising a sequence encoding a reporter molecule having a detection report role, {벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 크실렌(이하 "BTEX" 라 함} 분해효소 조절유전자 xylR, 상기 유전자의 발현을 조절하는 프로모터 유전자 Pr 및 상기 BTEX 화합물 분해효소 합성을 조절하는 프로모터 유전자 Pu을 갖는 Pseudomonas putida KCTC1643에서 유래한 제2핵산분자를 포함하여 구성되는 유전자 구조체; 및{Benzene, toluene, ethylbenzene, xylene (hereinafter referred to as "BTEX") Pseudomonas putida having a degrading enzyme regulator xylR , a promoter gene Pr that regulates the expression of the gene and a promoter gene Pu that regulates the synthesis of the BTEX synthase A gene construct comprising a second nucleic acid molecule derived from KCTC1643; and 상기 유전자 구조체를 갖는 세포를 포함하는 BTEX 검출용 바이오센서.BTEX detection biosensor comprising a cell having the gene structure. 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 세포가 BTEX 화합물에 노출되었을 때 루시페라제의 활성을 측정하는 수단을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 BTEX 화합물 검출용 바이오센서.The biosensor for detecting a BTEX compound according to claim 1, comprising means for measuring the activity of luciferase when the cells are exposed to the BTEX compound. 삭제delete 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 세포는 동결건조된 분말형태인 것을 특징으로 하는 BTEX 화합물검출용 바이오센서.The biosensor for detecting a BTEX compound according to claim 1 or 3, wherein the cells are in lyophilized powder form. {벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 크실렌(이하 "BTEX" 라 함} 분해효소 조절유전자 xylR, 상기 유전자의 발현을 조절하는 프로모터 유전자 Pr을 포함하는 삽입유전자를 증폭시키는 단계; Amplifying an insertion gene comprising {benzene, toluene, ethylbenzene, xylene (hereinafter referred to as "BTEX") degrading enzyme regulatory gene xylR , a promoter gene Pr that regulates expression of the gene; 상기 증폭된 삽입유전자들을 제한효소 Kpn I 및 Xho I으로 자르는 단계;Cutting the amplified transgenes with restriction enzymes Kpn I and Xho I; 반딧불 루시페라제 유전자를 갖는 발현벡터를 상기 제한효소들로 자르는 단계;Cutting an expression vector having a firefly luciferase gene with the restriction enzymes; 상기 삽입유전자와 발현벡터를 클로닝하여 컴피턴트셀에 형질전환시키는 단계를 포함하는 BTEX 화합물검출용 바이오센서의 제조방법.Cloning the insertion gene and the expression vector and transforming into competent cells, the method for producing a biosensor for detecting a BTEX compound. {벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 크실렌(이하 "BTEX" 라 함} 화합물 분해효소 합성을 조절하는 프로모터 유전자 Pu을 포함하는 삽입유전자를 증폭시키는 단계;Amplifying an insert gene comprising a promoter gene Pu that regulates {decomposition of benzene, toluene, ethylbenzene, xylene (hereinafter referred to as "BTEX") compound degrading enzyme synthesis; 상기 증폭된 삽입유전자들을 제한효소 Xho I 및 HindⅢ로 자르는 단계;Cutting the amplified transgenes with restriction enzymes Xho I and HindIII; 상기 형질전활 셀에서 반딧불 루시페라제 유전자를 갖는 발현벡터를 상기 제한효소들로 자르는 단계;Cutting the expression vector having a firefly luciferase gene into the restriction enzymes in the transgenic cell; 상기 삽입유전자와 발현벡터를 클로닝하여 컴피턴트셀에 형질전환시키는 단계를 포함하는 BTEX 화합물 검출용 바이오센서의 제조방법.Cloning the insertion gene and the expression vector and transforming into competent cells, a method for producing a biosensor for detecting a BTEX compound. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 컴피던트셀이 대장균 DH5α인 것을 특징으로 하는 BTEX 화합물 검출용 바이오센서의 제조방법.The method for producing a biosensor for detecting a BTEX compound according to claim 6 or 7, wherein the cells are E. coli DH5α.
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