KR100665316B1 - Novel bifunctional hydroxylase from metagenome library genes and screening method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 토양에서 직접 추출한 유전자군인 메타게놈(metagenome)유래의 신규한 이중 활성 수산화효소(bifunctional hydroxylase) 및 이를 코드하는 유전자에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명은 토양으로부터 직접 추출한 메타게놈 라이브러리(metagenome library)로부터 선발된 유전자클론 유래의 신규한 이중 활성 수산화효소 유전자, 상기 유전자를 포함하는 재조합 벡터, 재조합 벡터로 형질전환된 균주 및 형질전환된 균주에 의해 생산된 이중 활성 수산화 효소에 관한 것이다. 본 발명의 이중 활성 수산화효소제 유전자는 현재까지 보고되지 않은 신규한 유전자이며, 상기 유전자를 이용하여 유전자 재조합으로 수산화효소를 대량생산함으로써 다양한 저분자 천연물이나 화합물에 수산화기를 부가하는데 적용할 수 있다. The present invention relates to a novel bifunctional hydroxylase derived from metagenome, a gene group directly extracted from soil, and a gene encoding the same. Specifically, the present invention provides a novel dual active hydroxylase gene derived from a gene clone selected from a metagenome library extracted directly from soil, a recombinant vector comprising the gene, a strain transformed with a recombinant vector, and a transformed vector. It relates to a dual active hydroxylase produced by a strain. The dual active hydroxylase gene of the present invention is a novel gene that has not been reported to date, and can be applied to add hydroxyl groups to various low molecular weight natural products or compounds by mass production of hydroxylases by genetic recombination using the gene.

이중 활성 수산화효소(bifunctional hydroxylase), 메타게놈(metagenome) Bifunctional hydroxylase, metagenome

Description

메타게놈 유래의 신규한 이중 활성 수산화효소, 이를 코드하는 유전자 및 그 스크리닝 방법{Novel bifunctional hydroxylase from metagenome library, genes and screening method thereof}Novel bifunctional hydroxylase from metagenome library, genes and screening method

도 1은 토양 DNA의 직접 추출과정에 대한 개요로 20kb이상 크기의 DNA 단편을 이용하여 메타게놈 라이브러리를 제작하고, 그로부터 얻어진 대표 클론들이 가지고 있는 토양 DNA의 BamH1 절편 양상을 그림으로 나타낸 것이고, 1 is a schematic of the direct extraction process of soil DNA using a DNA fragment of more than 20kb in size to prepare a metagenomic library, and shows the Bam H1 fragments of the soil DNA of the representative clones obtained from the figure,

도 2a은 이중 활성 수산화효소의 구조적 특성을 나타낸 도면이고 , Figure 2a is a view showing the structural characteristics of the dual active hydroxylase,

도 2b는 이러한 특성을 이용하여 신규의 이중 활성 수산화효소 유전자를 토양 DNA로부터 찾기 위한 탐침(probe) 제작의 전략을 도면으로 나타낸 것으로, 붉은색 선으로 나타낸 수산화 도메인의 보존된 구역(conserved region)과 푸른색선으로 나타낸 수산화효소 환원 도메인의 보존된 구역에 기초한 프라이머를 제작하였음을 도식화한 것으로서, 사각 점선은 수산화효소의 헴 결합부위(heme binding motif)이며, 원형 점선은 예상되는 수산화효소와 수산화효소 환원효소의 연결부위(linker region)를 나타낸 것이고, FIG. 2B is a diagram illustrating a strategy for constructing a probe to find a novel dual active hydroxylase gene from soil DNA using these properties, with a conserved region of the hydroxyl domain represented by a red line. Schematic illustration of the preparation of primers based on the conserved regions of the hydroxylase reduction domain, indicated by blue lines, the dotted line is the heme binding motif of the enzyme, and the dotted line is the expected hydroxylase and hydroxylase reduction. Represents the linker region of the enzyme,

도 3도 1도 2b의 전략에 의해 발굴된 신규한 이중 활성 수산화효소 유전자의 염기서열이고, 3 is a nucleotide sequence of a novel dual active hydroxylase gene discovered by the strategy of FIGS . 1 and 2b ,

도 4는 신규한 이중 활성 수산화효소의 아미노산 서열이고, 4 is the amino acid sequence of the novel dual active hydroxylase,

도 5는 신규한 이중 활성 수산화효소의 발현벡터를 도식화한 것이다. 5 is a schematic of the expression vector of the novel dual active hydroxylase.

본 발명은 토양에서 직접 추출한 유전자군인 메타게놈(metagenome)유래의 신규한 이중 활성 수산화효소(bifunctional hydroxylase) 및 이를 코드하는 유전자에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 토양에서 직접 추출한 메타게놈 유전자군으로 구성된 게놈 라이브러리로부터 유전자 클론을 선별하고, 상기 유전자 클론 유래의 신규한 이중 활성 수산화효소 유전자, 상기 유전자를 포함하는 재조합 벡터, 상기 재조합 벡터에 의한 형질전환체, 상기 형질전환체에 의해 생산된 이중 활성 수산화효소 및 그 제조 방법과 스크리닝 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a novel bifunctional hydroxylase derived from metagenome, a gene group directly extracted from soil, and a gene encoding the same. Specifically, the present invention screens gene clones from a genomic library consisting of metagenome gene groups directly extracted from soil, and includes novel dual active hydroxylase genes derived from the gene clones, recombinant vectors comprising the genes, and the recombinant vectors. By a transformant, a dual active hydroxylase produced by the transformant, a preparation method thereof, and a screening method thereof.

수산화효소인 사이토크롬 P-450(cytochrome P-450)은 산화효소의 한 효소군으로서 산소분자를 환원시켜 유기화합물을 산화시키고 물 한분자를 생성하는 효소활성을 지닌다. 유기합성에서 작용기를 부가하기 매우 어려운 구조를 가지는 것들 중 지방산의 알칸사슬 부위에 수산화기를 선택적으로 부가하면 이를 바탕으로 다양한 작용기(alcohol, ketone, acid, peroxide등)를 부가할 수 있기 때문에 수산화효소는 화학 및 제약분야에서 중요한 의미를 지닌다. 이를 위한 미생물에서 발견되 는 수산화효소는 단독으로는 효소활성을 나타낼 수 없으며, 부가적인 조효소, 즉 FAD(Flavin Adenine Dinucleotide), 황화철 단백질인 페레독신(ferredoxin) 및 전자전달체인 NADPH와 더불어 활성을 나타내게 되어있다. 이들은 서로 다른 폴리펩타이드로 세포질 내에 존재하고 있다가 수산화효소가 산화되면 환원시키는 기능을 담당하게 된다. 이러한 미생물 수산화효소의 특성으로 인하여, 이형체 유래 수산화 효소의 활성 검정시 그에 적합한 조효소들을 찾기 어려워 활성 확인이 어렵고, 유용 저분자물질의 구조 변경(수산화기 부가 등과 같은)을 위한 효소로서의 산업화를 시도할 경우, 순환 사용이 어려운 여러 가지 조효소들을 함께 사용함으로써 시간적, 경제적 손실등의 단점이 있다. Cytochrome P-450, a hydroxylase, is an enzyme group of oxidases that has an enzymatic activity of reducing oxygen molecules to oxidize organic compounds and to produce one molecule of water. Among the compounds having a very difficult structure to add a functional group in organic synthesis, by selectively adding a hydroxyl group to the alkane chain site of the fatty acid, various functional groups (alcohol, ketone, acid, peroxide, etc.) can be added to the hydroxylase. It is important in the chemical and pharmaceutical fields. Hydroxylase found in microorganisms for this purpose cannot show enzymatic activity alone, but it is active in combination with additional coenzymes such as flavin adenine dinucleotide (FAD), ferredoxin (ferrous sulfide protein) and NADPH (electron transporter). It is. They exist in the cytoplasm as different polypeptides and are responsible for the reduction of hydroxylases when they are oxidized. Due to the characteristics of these microbial hydroxylases, it is difficult to find suitable coenzymes in the activity assay of heterozygous-derived hydroxylases, and it is difficult to confirm the activity. In addition, the use of various coenzymes, which are difficult to circulate, has the disadvantage of time and economic loss.

상기 미생물 유래 수산화효소의 결점을 가지고 있지 않은 이중 활성 수산화효소의 예로서 바실러스 메가테리움(Bacillus megaterium)에서 유래한 P-450BM3가 Richard T. Ruettinger(Richard T. Ruettinger, Long-Ping Wen and Armand J. Fulco, Journal of Biological chemistry, 1989, July 5, (264):10987-10995)등에 의해 공지되어 있다. P-450BM3는 P-450 헴 바인딩(heme binding) 수산화 도메인과 함께 수산화효소의 기능을 환원시키는 두번째 도메인에 FAD, FMN(Flavin Mononucleotide)을 각각 동일한 몰(mole) 수로 가지고 있어 자가환원 능력을 가지고 있다. 이렇게 하나의 폴리펩타이드에 수산화효소 도메인과 수산화효소 환원 도메인을 동시에 가지고 있어서 이중 활성 수산화효소로 불리운다. 이 효소는 또한 수산화 활성이 기존의 미생물 유래 수산화 효소에 비해 매우 뛰어난 것으로 알려져 있다. 이는 수산화효소의 환원을 담당하는 도메인이 하나의 폴리펩타이드로 수산화효소와 연결되어 있기 때문에, 생화학반응에서 거리상의 잇점으로 인한 것으로 사료된다.P-450 BM3 derived from Bacillus megaterium is an example of a dual active hydroxylase that does not have the defect of the microbial-derived hydroxylase (Richard T. Ruettinger, Long-Ping Wen and Armand). J. Fulco, Journal of Biological chemistry, 1989, July 5, (264): 10987-10995). P-450 BM3 has the same mole number as FAD and FMN (Flavin Mononucleotide) in the second domain which reduces the function of hydroxylase together with P-450 heme binding hydroxyl domain. have. Thus, a polypeptide has a hydroxylase domain and a hydroxylase reduction domain at the same time, so it is called a dual active hydroxylase. The enzyme is also known to have very good hydroxylation activity compared to conventional microbial derived enzymes. This is thought to be due to the advantage of distance in biochemical reactions because the domain responsible for the reduction of hydroxylase is linked to hydroxylase by one polypeptide.

이러한 뛰어난 산업적, 학술적 가치가 있는 이중 활성 효소임에도 불구하고, P-450BM3의 발견 이후 10 여년 동안 이러한 유형의 수산화효소가 발견되지 않고 있다. 최근에 와서 미생물의 유전체의 염기서열 분석이 진행되면서 몇 종의 이중 활성 효소들이 보고되고 있을 뿐, 이러한 이중 활성 수산화효소의 탐색과 개발이 이루어지지 않고 있다. In spite of this outstanding industrial and academic double activity enzyme, this type of hydroxylase has not been found for more than 10 years after the discovery of P-450 BM3 . Recently, as the sequencing of the genome of microorganisms is progressed, only several kinds of dual active enzymes have been reported, and the search and development of such dual active hydroxylases have not been made.

이에, 본 발명자들은 P-450BM3 유형의 이중 활성 수산화효소의 발굴을 위하여, 균체의 배양없이 자연상태에서 직접 DNA를 분리하여 메타게놈 라이브러리를 제작하고, 이들 유전자군으로부터 이중 활성 수산화효소의 스크리닝 방법을 개발하고, 이를 통해 신규한 이중 활성 수산화효소, 이를 코딩하고 있는 유전자 및 그 발현체를 확인함으로써 본 발명을 완성하였다. Therefore, the inventors of the present invention, in order to discover the double active hydroxylase of the P-450 BM3 type, to separate the DNA directly in the natural state without culturing the cells to produce a metagenome library, and to screen the double active hydroxylase from these gene groups The present invention was completed by identifying a novel dual active hydroxylase, a gene encoding the same, and an expression thereof.

본 발명의 목적은 우수한 생화학적 특성을 지닌 이중 활성 수산화효소의 스크리닝 방법 및 그 결과 발견된 신규한 이중 활성 수산화효소 및 그의 유전자를 제공하는 것이다. It is an object of the present invention to provide a method for screening dual active hydroxylases with excellent biochemical properties and the novel dual active hydroxylases and genes thereof discovered as a result.

본 발명은 토양에서 유래한 수산화효소 도메인과 수산화효소 환원 도메인을 하나의 폴리펩티드상에 포함하는 이중 활성 수산화효소를 코딩하는 유전자를 제공한다.The present invention provides a gene encoding a double active hydroxylase comprising a hydroxylase domain and a hydroxylase reduction domain derived from soil on one polypeptide.

또한, 본 발명은 상기 유전자에 의하여 코딩되는 이중 활성 수산화효소 및 그의 변이체를 제공한다.The present invention also provides dual active hydroxylases and variants thereof encoded by the gene.

또한, 본 발명은 상기 유전자를 포함하는 발현 벡터를 제공한다.In addition, the present invention provides an expression vector comprising the gene.

또한, 본 발명은 상기 발현 벡터가 도입된 형질전환체를 제공한다.The present invention also provides a transformant into which the expression vector is introduced.

또한, 본 발명은 In addition, the present invention

i) 토양에서 추출한 DNA를 이용하여 메타게놈 라이브러리를 제작하는 단계;i) preparing a metagenome library using DNA extracted from soil;

ii) 수산화효소 도메인 및 수산화효소 환원 도메인의 보존된 영역을 이용하여 정방향 및 역방향 프라이머를 제작하는 단계;ii) constructing forward and reverse primers using the conserved regions of the hydroxylase domain and the hydroxylase reducing domain;

iii) 단계 i)의 라이브러리로부터 분리 정제된 DNA를 주형(template)으로 단계 ii)의 프라이머를 이용한 PCR을 수행하여 이중 활성 수산화효소 도메인에 상응하는 DNA 단편을 제조하는 단계; 및 iii) PCR of the purified DNA from the library of step i) with the primer of step ii) to prepare a DNA fragment corresponding to the dual active hydroxylase domain; And

iv) 단계 iii)에서 제조된 DNA 단편을 탐침으로 하여 이중 활성 수산화효소 기능을 갖는 메타게놈 라이브러리를 스크리닝하는 단계를 포함하는 이중 활성 수산화효소 유전자의 스크리닝 방법을 제공한다.iv) a method of screening a dual active hydroxylase gene comprising screening a metagenomic library having a dual active hydroxylase function using a DNA fragment prepared in step iii) as a probe.

또한, 본 발명은 In addition, the present invention

1) 상기 이중 활성 수산화효소를 코딩하는 유전자를 발현벡터에 도입하는 단 계;1) introducing the gene encoding the dual active hydroxylase into an expression vector;

2) 단계 1)의 유전자가 도입된 발현 벡터를 숙주 세포에 도입하여 형질전환시키는 단계; 및2) transforming the expression vector into which the gene of step 1) is introduced into a host cell; And

3) 단계 2)의 형질전환체를 이용하여 이중 활성 수산화효소를 발현시키는 단계 및3) expressing dual active hydroxylase using the transformant of step 2), and

4) 단계 3)에서 발현된 이중 활성 수산화효소를 통상의 방법으로 분리 정제하는 단계를 포함하는 이중 활성 수산화효소의 제조 방법을 제공한다.4) It provides a method for producing a dual active hydroxylase comprising the step of separating and purifying the dual active hydroxylase expressed in step 3) by a conventional method.

또한, 본 발명은 상기 이중 활성 수산화효소를 저분자 천연물 또는 화합물과 반응조건 하에서 접촉시키는 단계를 포함하는 저분자 천연물 또는 화합물에 수산화기를 부가하는 방법을 제공한다.The present invention also provides a method for adding a hydroxyl group to a low molecular weight natural product or compound comprising contacting the dual active hydroxylase with a low molecular weight natural product or compound under reaction conditions.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 토양에서 유래한 수산화효소 도메인과 수산화효소 환원 도메인을 하나의 폴리펩티드상에 포함하는 이중 활성 수산화효소를 코딩하는 유전자를 제공한다.The present invention provides a gene encoding a double active hydroxylase comprising a hydroxylase domain and a hydroxylase reduction domain derived from soil on one polypeptide.

토양에서 분리한 DNA 시료를 전기영동 및 니켈(Ni) 컬럼(QiaexII, Qiagen, USA)을 통하여 정제하고, 이를 포스미드(Fosmid, Epicentre, USA) 벡터에 클로닝하였다. 이렇게 만들어진 메타게놈 라이브러리에서 이중 활성 수산화효소가 가지는 두 도메인의 보존된 구역을 이용하여 프라이머를 제작, PCR 방법으로 두 도메인을 모두 가지는 DNA 단편을 획득하였고, 상기 DNA 단편을 탐침으로 하여 이중 활성 수산화효소 유전자를 갖는 클론을 확인한 다음, 자동 염기 서열 분석기를 이용하여 서열을 분석하였다. 상기 유전자는 syk181로 명명하였으며, 3,240bp의 ORF(open reading frame)가 존재하는 것이 확인되었다(서열번호 2도 3 참조). 상기 ORF는 서열번호 1로 기재되는 총 1,079개의 아미노산들로 구성된 118kDa의 분자량을 나타내는 폴리펩타이드를 코딩한다. 본 발명의 유전자와 기존에 활성이 알려진 바실러스 메가테리움 유래의 P-450BM3 수산화효소와의 유전자간 상동성은 73%의 유사성을 나타내었다.DNA samples isolated from soil were purified by electrophoresis and nickel (Ni) columns (QiaexII, Qiagen, USA) and cloned into phosphmid (Fosmid, Epicentre, USA) vectors. In this metagenome library, primers were prepared using the conserved regions of the two domains of the dual active hydroxylase, and DNA fragments having both domains were obtained by PCR. The DNA fragment was used as a probe to perform the double active hydroxylase. The clones with the genes were identified and sequenced using an automated sequencing analyzer. The gene was named syk181 , and it was confirmed that an open reading frame (ORF) of 3,240bp was present (see SEQ ID NO: 2 and FIG. 3 ). The ORF encodes a polypeptide exhibiting a molecular weight of 118 kDa consisting of a total of 1,079 amino acids set forth in SEQ ID NO: 1 . The homology between the gene of the present invention and P-450 BM3 hydroxylase derived from Bacillus megaterium, which is known for its activity, showed 73% similarity.

코돈의 다변성(degeneracy)에 의해 하나의 아미노산을 코드화하는 유전자는 다수 존재하므로 동일한 아미노산 서열을 코드화하는 DNA라도 그 염기서열이 다를 수 있음은 주지의 사실이다.Since there are many genes encoding one amino acid due to codon degeneracy, it is well known that the DNA sequences encoding the same amino acid sequence may be different.

본 발명에 있어서, '변이체'는 하나 또는 둘 이상의 염기가 변이, 예를 들면 치환, 결실, 부가, 삽입등에 의해 변화되었으나, 상기 수산화효소 또는 그의 기능성 등가물을 생산할 수 있는 변이된 유전자를 의미한다. 따라서, 당업자는 상기 변이체가 본 발명의 범위에 포함될 수 있음을 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 일반적으로, 본 발명의 이중 활성 수산화효소 유전자의 경우에 약 80% 이상의 상동성을 갖는 변이체, 바람직하게는 90% 이상의 상동성을 갖는 변이체가 본 발명의 범주에 포함될 수 있다.In the present invention, the 'variant' refers to a mutated gene in which one or two or more bases are changed by a change, for example, substitution, deletion, addition, insertion, etc., but which can produce the hydroxylase or a functional equivalent thereof. Thus, those skilled in the art will readily appreciate that such variants may be included within the scope of the present invention. In general, for the dual active hydroxylase genes of the present invention, variants having at least about 80% homology, preferably variants having at least 90% homology, may be included within the scope of the present invention.

또한, 본 발명은 상기 유전자에 의하여 코딩되는 이중 활성 수산화효소 및 그의 변이체를 제공한다.The present invention also provides dual active hydroxylases and variants thereof encoded by the gene.

상기 이중 활성 수산화효소는 도 2a에 나타낸 바와 같이 자신의 폴리펩티드 사슬에 수산화효소의 활성을 가지는 도메인 및 수산화효소를 환원시키는 활성을 가지는 도메인을 모두 함유한다. 서열번호 1의 아미노산 서열로 기재되는 수산화효소 SYK181은 118kDa의 크기를 가지고, 1,079개의 아미노산으로 구성되며, 등전점은 6.8로서 지방산 말단의 탄소에 수산화기를 부여하는 활성을 갖는다.As shown in FIG . 2A , the dual active hydroxylase contains both a domain having hydroxylase activity and a domain having hydroxylase activity in its polypeptide chain. The hydroxylase SYK181 described in the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1 has a size of 118 kDa, consists of 1,079 amino acids, and has an isoelectric point of 6.8, which has an activity of imparting a hydroxyl group to the carbon at the end of the fatty acid.

본 발명에서 사용된 '변이체'는 효소의 기능에 영향을 미치지 않는 범위내에서 아미노산의 치환, 부가 또는 결실이 이루어진 이중 활성 수산화효소를 의미하며, 목적에 따라 단백질의 일부만이 사용될 수도 있다. 그러한 변형된 아미노산의 서열 역시 본 발명의 범위에 포함된다. 따라서, 본 발명은 상기 단백질과 실질적으로 동일한 아미노산 서열을 갖는 폴리펩티드 및 그의 단편을 또한 포함하며, 실질적으로 동일한 폴리펩티드란 상동성이 80% 이상, 바람직하게는 90% 이상, 더욱 바람직하게는 95% 이상인 것들을 의미한다.  As used herein, the term “variant” refers to a dual active hydroxylase in which an amino acid is substituted, added or deleted within a range that does not affect the function of an enzyme. Depending on the purpose, only a part of a protein may be used. Sequences of such modified amino acids are also included within the scope of the present invention. Accordingly, the present invention also encompasses polypeptides and fragments thereof having substantially the same amino acid sequence as said protein, wherein substantially identical polypeptides have at least 80% homology, preferably at least 90%, more preferably at least 95% Means things.

또한, 본 발명은 상기 유전자를 포함하는 발현 벡터를 제공한다. 본 발명에서는 이중 활성 수산화효소를 생산하기 위한 바람직한 실시예의 하나로 pET22b(+)(Novagen, USA)에 본 발명의 syk181유전자를 삽입하고, 이를 pJA181로 명명하였다. 그러나, 상기의 발현벡터의 제조에 이용된 pET22b(+)이외에도 다양한 원핵세포용(pET series 등) 또는 진핵세포용(pPIC 및 pPICZ series 등) 벡터가 알 려져 있으므로 발현의 목적에 따라 상기 벡터 이외의 다양한 발현벡터를 용이하게 이용할 수 있음은 명백한 일이다. 또한, 발현벡터의 외래 유전자 삽입부위에 삽입되는 유전자의 크기나 염기서열 등도 공지의 기술에 의해 다양하게 변화시킬 수 있다.In addition, the present invention provides an expression vector comprising the gene. In the present invention, the syk181 gene of the present invention was inserted into pET22b (+) (Novagen, USA) as one of the preferred embodiments for producing dual active hydroxylase, which was named pJA181. However, in addition to pET22b (+) used for the production of the expression vectors, various prokaryotic cells (pET series, etc.) or eukaryotic cells (pPIC and pPICZ series, etc.) are known, and thus, depending on the purpose of expression, It is clear that various expression vectors can be easily used. In addition, the size and nucleotide sequence of the gene inserted into the foreign gene insertion site of the expression vector can also be variously changed by known techniques.

또한, 본 발명은 상기 발현 벡터가 도입된 형질전환체를 제공한다. 상기에서 얻은 벡터 pJA181를 발현숙주로서 사용된 대장균 균주 E. coli BL21(DE3)에 도입하여 형질전환시켰고, 이를 생명공학연구원 유전자 은행에 2005년 5월 19일자로 기탁하였다(E.coli TG2/pSYK181, 수탁 번호 : KCTC 10807BP). 본 발명의 형질전환된 세포를 위한 재조합 벡터의 도입방법 역시 공지의 기술, 즉 열 충격법, 전기충격법 등을 통해 도입할 수 있고, 상기의 발현 숙주 이외에도 발현의 목적에 따라 달라지는 벡터에 의존하여 다양한 대장균 균주(E. coli BL21(DE3), DH5α등) 및 효모(Saccharomyces 속, Pichia 속 등)를 용이하게 이용할 수 있음은 명백한 일이다. The present invention also provides a transformant into which the expression vector is introduced. The vector pJA181 obtained above was introduced and transformed into E. coli BL21 (DE3), which was used as an expression host, and was transformed into the gene bank of the Biotechnology Research Institute on May 19, 2005. , Accession number: KCTC 10807BP). The method of introducing a recombinant vector for transformed cells of the present invention can also be introduced through known techniques, ie, heat shock, electroshock, and the like, in addition to the above expression host, depending on the vector depending on the purpose of expression. It is obvious that various E. coli strains ( E. coli BL21 (DE3), DH5α, etc.) and yeast ( Saccharomyces genus, Pichia genus, etc.) are readily available.

또한, 본 발명은 In addition, the present invention

i) 토양에서 추출한 DNA를 이용하여 메타게놈 라이브러리를 제작하는 단계; i) preparing a metagenome library using DNA extracted from soil;

ii) 수산화효소 도메인 및 수산화효소 환원 도메인의 보존된 영역을 이용하여 정방향 및 역방향 프라이머를 제작하는 단계;ii) constructing forward and reverse primers using the conserved regions of the hydroxylase domain and the hydroxylase reducing domain;

iii) 단계 i)의 라이브러리로부터 분리 정제된 DNA를 주형(template)으로 단계 ii)의 프라이머를 이용한 PCR을 수행하여 이중 활성 수산화효소 도메인에 상응 하는 DNA 단편을 생산하는 단계; 및 iii) PCR of the purified DNA from the library of step i) with the primer of step ii) to produce a DNA fragment corresponding to the dual active hydroxylase domain; And

iv) 단계 iii)에서 제조된 DNA 절편을 탐침으로 하여 이중 활성 수산화효소 기능을 갖는 메타게놈 라이브러리를 스크리닝하는 단계를 포함하는 이중 활성 수산화효소 유전자의 스크리닝 방법을 제공한다.iv) a method of screening a dual active hydroxylase gene comprising screening a metagenomic library having a dual active hydroxylase function using the DNA fragment prepared in step iii) as a probe.

본 발명의 스크리닝 방법은 하나의 폴리펩타이드에 이중 활성 수산화효소의 두 도메인이 존재하는 구성상의 특징을 이용하여, 수산화효소 도메인과 수산화효소 환원 도메인의 아미노산 서열 보존 구역(conserved region)으로부터 정방향 및 역방향 프라이머를 제작하였으며, 이들을 서열번호 3서열번호 4로 나타내었다(도 2b 참조). 상기 단계 i)의 메타게놈 라이브러리로부터 분리 정제된 DNA를 주형으로 상기 프라이머를 이용하여 이들 두 도메인을 포함하는 염기서열을 증폭하고, 그 결과 얻어진 1.2-1.7 kb의 DNA 단편들의 염기서열을 확인함으로써 이중 활성 수산화효소의 유전자 단편을 확보하였다. 이들 두 도메인에는 또 다른 염기서열 보존구역(conserved region)이 존재하는 바, 상기 이외의 다양한 보존구역을 이용하여 적용할 수 있다. 따라서, 하나의 폴리펩타이드로 존재하는 이중 활성 수산화효소의 두 도메인의 연속성에 기초한 DNA 증폭법(PCR)에 의존하는 탐색법은 본 발명의 구성과 동일하다는 것은 주지의 사실이다. The screening methods of the present invention utilize forward and reverse primers from the amino acid sequence conserved regions of the hydroxylase and hydroxylase reducing domains, utilizing the constitutive feature of the presence of two domains of dual active hydroxylase in one polypeptide. Were prepared and are represented by SEQ ID NO: 3 and SEQ ID NO: 4 (see FIG. 2B ). By amplifying a nucleotide sequence including these two domains using the primers isolated from the metagenome library of step i) as a template, and confirming the nucleotide sequences of the resulting 1.2-1.7 kb DNA fragments. Gene fragments of active hydroxylase were obtained. Since these two domains have another conserved region, they can be applied using various conserved regions other than the above. Therefore, it is well known that a screening method based on DNA amplification (PCR) based on the continuity of two domains of dual active hydroxylases present as one polypeptide is identical to the configuration of the present invention.

또한, 본 발명은In addition, the present invention

1) 상기 이중 활성 수산화효소를 코딩하는 유전자를 발현벡터에 도입하는 단계;1) introducing a gene encoding the dual active hydroxylase into an expression vector;

2) 단계 1)의 유전자가 도입된 발현벡터를 숙주 세포에 도입하여 형질전환시키는 단계; 및2) transforming the expression vector into which the gene of step 1) is introduced into a host cell; And

3) 단계 2)의 형질전환체를 이용하여 이중 활성 수산화효소를 발현시키는 단계 및3) expressing dual active hydroxylase using the transformant of step 2), and

4) 단계 3)에서 발현된 이중 활성 수산화효소를 통상의 방법으로 분리 정제하는 단계를 포함하는 이중 활성 수산화효소의 제조 방법을 제공한다.4) It provides a method for producing a dual active hydroxylase comprising the step of separating and purifying the dual active hydroxylase expressed in step 3) by a conventional method.

이중 활성 수산화효소를 코딩하는 유전자, 바람직하게는 본 발명의 스크리닝 방법을 통하여 획득된 이중 활성 수산화효소를 코딩하는 유전자를 상기 벡터에 도입하여 형질전환체를 제조한 후, 이를 IPTG와 같은 벡터에 맞는 아날로그(analog)를 배지에 첨가함으로써 단백질 발현을 유도하였다. 이렇게 배양된 상기 형질전환체를 초음파 파쇄기등을 이용하여 세포를 파괴한 후, 세포추출액을 니켈 컬럼을 통해 정제하여 순수한 단백질을 획득하였다.Genes encoding dual active hydroxylases, preferably genes encoding double active hydroxylases obtained through the screening method of the present invention, were introduced into the vector to prepare transformants, which were then adapted to vectors such as IPTG. Protein expression was induced by adding an analog to the medium. After culturing the transformant cultured using an ultrasonic crusher and the like, the cell extract was purified through a nickel column to obtain pure protein.

또한, 본 발명은 이중 활성 수산화효소의 활성을 지니는 수산화효소 및 그 변이체를 이용하여 저분자 천연물 또는 화합물에 수산화기를 부가하는 방법을 제공한다.The present invention also provides a method for adding a hydroxyl group to a low molecular weight natural product or compound using a hydroxylase having a double active hydroxylase activity and a variant thereof.

지방산의 알칸사슬 부위는 유기합성에서 작용기를 부가하기 매우 어려운 구조이다. 이러한 구조에 수산화기를 선택적으로 부가하면 이를 바탕으로 다양한 작용기(alcohol, ketone, acid, peroxide등)을 부가할 수 있기 때문에 화학 및 제약분야에서 주요한 의미를 지닌다. 이에, 본 발명에서는 바람직한 실시예의 하나로 서 본 발명의 pSYK181을 발현시킨 다음, 정제된 이중 활성 수산화효소는 수산화효소를 환원시키는 조효소의 첨가없이도 그 자체로 팔미트산의 오메가 위치의 탄소를 수산화시킬 수 있었다.The alkane chain site of fatty acids is a very difficult structure to add functional groups in organic synthesis. By selectively adding a hydroxyl group to such a structure, it is possible to add various functional groups (alcohol, ketone, acid, peroxide, etc.), which has a major meaning in chemical and pharmaceutical fields. Thus, in the present invention, after expressing pSYK181 of the present invention as one of the preferred embodiments, the purified dual active hydroxylase can hydroxylate the carbon at the omega position of palmitic acid without the addition of a coenzyme that reduces the hydroxylase. there was.

이하 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of examples. However, the following examples are merely to illustrate the invention, but the content of the present invention is not limited by the following examples.

<실시예 1> 토양에서 직접 추출한 DNA를 사용한 메타게놈 라이브러리의 제작Example 1 Preparation of Metagenomic Library Using DNA Directly Extracted from Soil

토양으로부터 환경 DNA의 추출을 위하여 1%의 CTAB와 2% SDS가 포함된 DNA 추출 버퍼를 사용하여 도 1에 도식화한 바와 같이 DNA를 추출하였다. 토양에서 분리한 DNA 시료의 아가로스 젤 전기영동을 통해 부식산(humic acid) 제거가 이루어지고 물리적 손상도 최소화한 토양 DNA를 분리할 수 있었다. 도 1에서와 같이 정제된 DNA의 전기영동 사진으로 고농도의 분해되지 않은 DNA를 확인할 수 있다. 토양 DNA의 회수율을 높이기 위해 처리당 토양의 무게는 50g으로 증가시켰고, 그 결과 증가된 부식산은 니켈 레진(Ni resin, QiaexII, Qiagen, USA)을 통해 제거하였다.DNA was extracted as shown in FIG . 1 using a DNA extraction buffer containing 1% CTAB and 2% SDS for extraction of environmental DNA from soil. Agarose gel electrophoresis of DNA samples isolated from soil was able to separate soil DNA with minimal humic acid removal and minimal physical damage. Electrophoresis picture of the purified DNA as shown in Figure 1 can confirm the high concentration of undecomposed DNA. To increase the recovery of soil DNA, the weight of soil per treatment was increased to 50 g and the resulting humic acid was removed by nickel resin (Ni resin, QiaexII, Qiagen, USA).

분리 정제된 DNA는 물리적으로 절편화한 다음, 이들 DNA 절편을 전기영동으로 20kb 이상의 DNA를 분획하였고, 이를 포스미드(Fosmid) 벡터(Epicentre, USA)를 이용하여 클로닝하였다. 상기의 방법에 의해 만들어진 메타게놈 라이브러리 중 대 표 균주들의 메타게놈 단편을 BamHI 제한효소(New England BioLab, USA)로 절단하여 단편의 크기와 다양성을 확인하였다 (도 1 참조). The separated and purified DNA was physically fragmented, and these DNA fragments were subjected to electrophoresis to fractionate 20 kb or more of DNA, which was cloned using a Fosmid vector (Epicentre, USA). Metagenomic fragments of representative strains of the metagenome library prepared by the above method were digested with BamHI restriction enzyme (New England BioLab, USA) to confirm the size and diversity of the fragments (see FIG. 1 ).

<실시예 2> 이중 활성 수산화 효소의 탐색법<Example 2> Screening method of double active hydroxylase

<실시예 1>에서 제작된 메타게놈 라이브러리로부터 이중 활성 수산화 효소를 탐색하기 위하여 다변성 프라이머(degenerative primer)를 제작하였다. 이중 활성 수산화효소의 단백질 도메인 구성상의 특성을 이용하여, 수산화효소 도메인과 수산화효소 환원 도메인의 아미노산 서열 보존부위로부터 각각 서열번호 3서열번호 4로 기재되는 정방향(forward) 및 역방향(reverse) 프라이머를 제작하였다(도 2b 참조). In order to detect dual active hydroxylase from the metagenome library prepared in <Example 1> , degenerative primers were prepared. Using the characteristics of the protein domain composition of the dual active hydroxylase, forward and reverse primers described in SEQ ID NO: 3 and SEQ ID NO: 4 from the amino acid sequence conservation sites of the hydroxylase domain and the hydroxylase reduction domain, respectively, were prepared. Was made (see FIG. 2B ).

서열번호 3 : 5‘-GCKGGRCAYGARACAACA-3'(정방향 프라이머) SEQ ID NO : 5'-GCKGGRCAYGARACAACA-3 ' (forward primer)

서열번호 4 : 5‘-YGGWGAKSWWGAAATYGAATA-3'(역방향 프라이머) SEQ ID NO : 5'-YGGWGAKSWWGAAATYGAATA-3 ' (reverse primer)

K : G 또는 T,    K: G or T,

Y : T 또는 C,   Y: T or C,

R : G 또는 A,   R: G or A,

W : A 또는 T.   W: A or T.

상기 프라이머 세트를 이용하여 이들 두 도메인 사이의 염기서열을 증폭하기 위하여, 제작된 메타게놈 라이브러리 전체 포스미드를 분리 정제하여 PCR을 위한 주형(template)으로 사용하였다. 그 결과 얻어진 1.2-1.7 kb의 DNA 단편들은 TA 벡터(Invitrogen, USA)로 클로닝하여 염기서열을 확인하였다. 이를 통해 이중 활성 수산화효소의 유전자 단편을 확보하였다. 이 유전자 단편을 탐침(probe)으로 사용하여, 이 유전자의 전체 ORF(open reading frame)를 가지고 있는 메타게놈 라이브러리 클론을 찾아내었다. 이를 통해 이중 활성 수산화효소의 탐색에 있어 이 효소가 가지고 있는 구조적인 특성인, 하나의 폴리펩타이드로 존재하는 두 도메인의 연속성에 기초한 DNA 증폭법(PCR)을 통한 탐색법을 이용하여 이중 활성 수산화효소의 선택적인 탐색이 가능함을 확인하였다. In order to amplify the nucleotide sequence between these two domains using the primer set, the prepared metagenomic library whole phosphide was separated and purified and used as a template for PCR. The resulting 1.2-1.7 kb DNA fragments were cloned into TA vectors (Invitrogen, USA) to confirm the base sequence. This secured a gene fragment of the double active hydroxylase. Using this gene fragment as a probe, we found a metagenomic library clone that had the entire open reading frame (ORF) of the gene. This results in the double active hydroxylase detection using DNA amplification (PCR) based on the continuity of the two domains present in one polypeptide, which is a structural characteristic of the enzyme in the detection of the double active hydroxylase. It was confirmed that the selective search of.

<실시예 3> 이중 활성 수산화효소 유전자 syk181의 염기서열 분석 및 상동성 비교<Example 3> Sequence analysis and homology comparison of dual active hydroxylase gene syk181

<실시예 2>에서 확인된 이중 활성 수산화효소 유전자를 포함하는 메타게놈 라이브러리의 포스미드 클론을 확인하였다. 그로부터 삽입된 메타게놈 DNA를 추출하여 BamHI(New England BioLab, USA)으로 절단한 다음 서브클론하였다. 서브클론 중 상기 수산화효소 유전자의 단편을 포함하는 클론들을 혼성화(hybridization)를 통해 다시 확인하고, 확인된 DNA 단편들의 염기서열을 (주)제노텍의 자동염기서열 분석기를 이용하여 분석하였다. A phosmid clone of the metagenomic library containing the dual active hydroxylase gene identified in < Example 2> was confirmed. The inserted metagenome DNA was extracted, digested with Bam HI (New England BioLab, USA) and subcloned. Clones containing fragments of the hydroxylase gene in the subclone were reconfirmed through hybridization, and the nucleotide sequences of the identified DNA fragments were analyzed using Genotech's automatic base sequence analyzer.

그 결과 서열번호 2로 기재되는 3,240 bp의 ORF가 존재함을 확인하였다(도 3 참조). 상기 ORF는 총 1,079개의 아미노산들로 구성된 118kDa의 분자량을 나타내는 폴리펩타이드를 코딩한다(도 4 참조). As a result, it was confirmed that there exists an ORF of 3,240 bp described in SEQ ID NO: 2 (see FIG. 3 ). The ORF encodes a polypeptide exhibiting a molecular weight of 118 kDa consisting of a total of 1,079 amino acids (see FIG. 4 ).

분석된 염기서열을 Genbank의 데이터베이스와 비교 분석한 결과, 공지의 바 실러스 메가테리움의 BM3 수산화효소, 즉 P-450BM3(Genebank No: JO4382)와 73%의 유사성을 나타내었다. 데이터베이스에 등록된 염기서열 중 가장 높은 상동성을 나타낸 것은 브라디라이조비움 자포니쿰의 유전자(Genebank No: AP005945)로 그 효소활성은 확인되지 않았지만 이중 활성 수산화효소로 추정되는 이 유전자와 77%의 상동성을 나타내었다. Analysis of the analyzed base sequence with Genbank's database showed 73% similarity with the known BM3 hydroxylase of Bacillus megaterium, namely P-450 BM3 (Genebank No: JO4382). The highest homology among the nucleotide sequences listed in the database was the gene of Bradyrazobium japonicum (Genebank No: AP005945), whose enzyme activity was not confirmed but was estimated to be 77% of this gene. Homology was shown.

<실시예 4> 이중 활성 수산화 효소 syk181유전자의 클로닝Example 4 Cloning of Dual Active Hydroxylase syk181 Gene

상기 유전자 syk181의 발현을 위하여 상기 ORF를 포함하는 DNA 단편을 NcoI과 HindIII(New England BioLab, USA) 제한효소 부위가 포함되도록 증폭하였다. 이 DNA 단편은 상기 제한효소로 절단한 후, 동일한 효소로 절단된 pET22b(+)(Novagen, USA)벡터에 도입하고, 이를 pJA181로 명명하였다(도 5 참조). 상기에서 얻은 벡터 pJA181을 발현숙주로서 사용된 대장균 균주 E. coli BL21(DE3)에 도입하여 형질전환시켰고, 이를 생명공학연구원 유전자 은행에 2005년 5월 19일자로 기탁하였다(E. coli TG2/pSYK181, 기탁 번호 : KCTC 10807BP). For expression of the gene syk181 , the DNA fragment containing the ORF was amplified to include NcoI and HindIII (New England BioLab, USA) restriction enzyme sites. This DNA fragment was digested with the restriction enzyme and introduced into the pET22b (+) (Novagen, USA) vector digested with the same enzyme, which was named pJA181 (see FIG. 5 ). Was converted to vector transfected pJA181 obtained above was introduced into E. coli strain E. coli BL21 (DE3) is used as the expression host, it was deposited on May 19, 2005, the Research Institute of Bioscience and Biotechnology Gene Bank (E. coli TG2 / pSYK181 , Accession number: KCTC 10807BP).

<실시예 5> 이중 활성 수산화 효소의 발현 및 활성 확인<Example 5> Expression and activity confirmation of dual active hydroxylase

상기 형질전환체인 E. coli TG2/pSYK181을 액상의 LB배지에서 O.D.값 0.6이 되도록 현탁배양한 후 0.8mM의 IPTG를 배지에 첨가함으로써 단백질 발현을 유도하였다. 이렇게 배양된 상기 형질전환체를 파괴한 후 세포추출액을 니켈 컬럼을 통 해 정제하였다. 정제된 이중 활성 수산화효소는 수산화효소 환원효소의 첨가없이도 그 자체로 팔미트산의 오메가 위치의 탄소를 수산화시킬 수 있었다. 유기합성에서 작용기를 부가하기 매우 어려운 구조인 지방산의 알칸사슬 부위에 수산화기를 선택적으로 부가하면 이를 바탕으로 다양한 작용기(alcohol, ketone, acid, peroxide등)를 부가할 수 있기 때문에 화학 및 제약분야에서 주요한 의미를 지닌다. E. coli TG2 / pSYK181, the transformant, was suspended in a liquid LB medium to an OD value of 0.6 and protein expression was induced by adding 0.8 mM IPTG to the medium. After culturing the transformant thus cultured, the cell extract was purified through a nickel column. Purified dual active hydroxylase was able to hydroxylate the carbon at the omega position of palmitic acid without the addition of hydroxylase reductase. By selectively adding hydroxyl groups to the alkane chain sites of fatty acids, which are very difficult to add functional groups in organic synthesis, it is possible to add various functional groups (alcohol, ketone, acid, peroxide, etc.). Has meaning.

본 발명은 토양에서 직접 추출한 유전자군인 메타게놈(metagenome) 유래의 신규한 이중 활성 수산화효소(bifunctional hydroxylase) 및 이를 코드하는 유전자에 관한 것이다. 본 발명의 이중 활성 수산화효소 유전자는 현재까지 보고되지 않은 신규한 유전자이며, 상기 유전자를 유전자 재조합으로 본 발명의 이중 활성 수산화효소를 대량생산함으로써, 기존의 방법에서 다양한 저분자 천연물이나 화합물에 수산화기를 부가하는데 적용할 수 있다. The present invention relates to a novel bifunctional hydroxylase derived from metagenome, a group of genes extracted directly from soil, and a gene encoding the same. The dual active hydroxylase gene of the present invention is a novel gene that has not been reported to date, and by adding the gene to the recombinant mass-producing the double active hydroxylase of the present invention, by adding a hydroxyl group to various low molecular weight natural products or compounds in the existing method Applicable to

서열목록 전자파일 첨부 Attach sequence list electronic file  

Claims (13)

수산화효소 도메인과 수산화효소 환원 도메인을 하나의 폴리펩티드상에 포함하는, 서열번호 1의 아미노산 서열로 기재되는 이중 활성 수산화효소.A dual active hydroxylase set forth in the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1 comprising a hydroxylase domain and a hydroxylase reducing domain on one polypeptide. 삭제delete 제 1항의 이중 활성 수산화효소를 코딩하는 유전자.The gene encoding the dual active hydroxylase of claim 1. 제 3항에 있어서, 유전자는 서열번호 2의 염기서열로 기재되는 것을 특징으로 하는 유전자.The gene according to claim 3, wherein the gene is described by the nucleotide sequence of SEQ ID NO. 제 3항의 유전자를 포함하는 발현 벡터. An expression vector comprising the gene of claim 3. 제 5항에 있어서, 도 5의 개열지도로 표시되는 pJA181 발현 벡터.The pJA181 expression vector according to claim 5, which is represented by the cleavage map of FIG. 제 5항의 발현 벡터가 도입된 형질전환체.A transformant into which the expression vector of claim 5 is introduced. 제 7항에 있어서, 대장균 또는 효모인 것을 특징으로 하는 형질전환체.The transformant according to claim 7, which is E. coli or yeast. 제 7항에 있어서, 수탁번호 KCTC 10807BP로 기탁된 E.coli TG2/pSYK181인 것을 특징으로 하는 형질전환체. The transformant according to claim 7, which is E. coli TG2 / pSYK181 deposited with accession number KCTC 10807BP. i) 토양에서 추출한 DNA를 이용하여 메타게놈 라이브러리를 제작하는 단계;i) preparing a metagenome library using DNA extracted from soil; ii) 수산화효소 도메인 및 수산화효소 환원 도메인의 보존된 영역을 이용하여 정방향 및 역방향 프라이머를 제작하는 단계;ii) constructing forward and reverse primers using the conserved regions of the hydroxylase domain and the hydroxylase reducing domain; iii) 단계 i)의 라이브러리로부터 분리 정제된 DNA를 주형(template)으로 단계 ii)의 프라이머를 이용한 PCR을 수행하여 이중 활성 수산화효소 도메인에 상응하는 DNA 단편을 제조하는 단계; 및 iii) PCR of the purified DNA from the library of step i) with the primer of step ii) to prepare a DNA fragment corresponding to the dual active hydroxylase domain; And iv) 단계 iii)에서 제조된 DNA 단편을 탐침으로 하여 이중 활성 수산화효소 기능을 갖는 메타게놈 라이브러리를 스크리닝하는 단계를 포함하는 이중 활성 수산화효소 유전자의 스크리닝 방법.iv) screening a metagenomic library having dual active hydroxylase function using the DNA fragment prepared in step iii) as a probe. 제 10항에 있어서, 프라이머는 서열 번호 3서열번호 4를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 10, wherein the primers comprise SEQ ID NO: 3 and SEQ ID NO: 4 . 1) 제 3항의 이중 활성 수산화효소를 코딩하는 유전자를 발현 벡터에 도입하는 단계;1) introducing a gene encoding the dual active hydroxylase of claim 3 into an expression vector; 2) 단계 1)의 유전자가 도입된 발현 벡터를 숙주 세포에 도입하여 형질전환시키는 단계; 및2) transforming the expression vector into which the gene of step 1) is introduced into a host cell; And 3) 단계 2)의 형질전환체를 이용하여 이중 활성 수산화효소를 발현시키는 단계 및3) expressing dual active hydroxylase using the transformant of step 2), and 4) 단계 3)에서 발현된 이중 활성 수산화효소를 통상의 방법으로 분리 정제하는 단계를 포함하는 이중 활성 수산화효소의 제조 방법.4) A method of producing a dual active hydroxylase comprising the step of separating and purifying the dual active hydroxylase expressed in step 3) by a conventional method. 제 1항의 이중 활성 수산화효소를 저분자 천연물 또는 화합물과 반응조건 하에서 접촉시키는 단계를 포함하는 저분자 천연물 또는 화합물에 수산화기를 부가하 는 방법.A method of adding a hydroxyl group to a low molecular weight natural product or compound comprising contacting the dual active hydroxylase of claim 1 with a low molecular weight natural product or compound under reaction conditions.
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