KR100674092B1 - Thermostable tyrosine phenol-lyase variant and method for fabricating the same - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 티로신 페놀리아제(tyrosine phenol-lyase, TPL)에 의한 티로신(L-tyrosine) 및 엘-도파(L-DOPA)의 합성을 나타낸 화학반응식이다.FIG. 1 is a chemical reaction diagram showing the synthesis of L-tyrosine and L-DOPA by tyrosine phenol-lyase (TPL).
도 2는 변이 유발 PCR(error-prone PCR)과 StEP 셔플링(staggered extension process shuffling)을 통한 조합적 돌연변이(combinatorial mutagenesis) TPL 라이브러리를 제조하여 스크리닝하는 TPL의 개량 과정을 나타낸 개략도이다. 여기서, 야생형 TPL은 TTPL, 변이체 TPL은 mTTPL로 나타내었다.FIG. 2 is a schematic diagram illustrating an improvement process of TPL for preparing and screening a combinatorial mutagenesis TPL library through error-prone PCR and StEP shuffling. Here, wild-type TPL is shown as TTPL, variant TPL as mTTPL.
도 3은 플라스미드 벡터 pHCEⅡB (바이오리더스, 한국)에 TPL 변이체를 코딩하는 유전자를 도입하여 제조한 TPL 변이체 발현 플라스미드인 pHCEⅡB-mTTPL (2-9A5)의 유전자 지도이다. 여기서, 변이체 TPL은 mTTPL로 나타내었다.FIG. 3 is a gene map of pHCEIIB-mTTPL (2-9A5), a TPL variant expression plasmid prepared by introducing a gene encoding TPL variant into a plasmid vector pHCEIIB (Bioleaders, Korea). Here, variant TPL is expressed as mTTPL.
도 4는 변이유발 PCR법으로 제조한 제1라이브러리를 탐색하여 개량효소들을 1차 선발한 후, 이들을 StEP 셔플링하여 제조한 제2라이브러리에서 특성이 더욱 개량된 효소를 2차 선발한 돌연변이체(보라색으로 표시된 변이체)들의 아미노산 변이위치를 나타낸 모식도이다. 파란색으로 나타낸 것들은 제1라이브러리에서 활성개선 효과가 확인된 돌연변이체이고, 빨간색으로 나타낸 것들은 열안정성 개선효과가 확 인된 돌연변이체이다.FIG. 4 is a mutant which searches for a first library prepared by mutagenesis PCR and first selects improved enzymes, and then further selects enzymes whose characteristics are further improved in a second library prepared by StEP shuffling them. It is a schematic diagram showing the amino acid mutation position of the variants shown in purple. The blue ones are the mutants that have been found to improve activity in the first library, and the red ones are the mutants that have been found to improve heat stability.
도 5는 1,377bp의 염기 (아래 줄)와 458개의 아미노산 (위쪽 줄)으로 구성된 돌연변이 2-9A5의 염기서열 및 아미노산 서열을 나타낸 것이다. 염기서열과 아미노산 서열 중 야생형 TPL과 비교하여 변이된 부위는 빨간색으로 나타내었다.Figure 5 shows the nucleotide sequence and amino acid sequence of mutant 2-9A5 consisting of 1,377bp base (lower row) and 458 amino acids (upper row). The mutated regions of the base sequence and amino acid sequence compared to the wild type TPL are shown in red.
도 6은 정제한 돌연변이 TPL(○)의 열안정성을 야생형 TPL(●)과 비교한 그래프이다.Figure 6 is a graph comparing the thermal stability of the purified mutant TPL (○) with wild-type TPL (●).
본 발명은 내열성 티로신 페놀리아제 변이체 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 심비오박테리움 퇴비 (Symbiobacterium toebii) 유래의 티로신 분해 및 합성 효소인 티로신 페놀리아제 (tyrosine phenol-lyase, EC4.1.99.2: 이하 TPL로 약칭)의 변이체, 이를 코딩하는 유전자, 상기 유전자를 함유하는 발현벡터, 상기 발현벡터로 형질전환된 미생물 및 상기 형질전환된 미생물을 이용한 고활성 및 내열성 TPL 변이체의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a heat resistant tyrosine phenolase variant and a method for producing the same, and more particularly, tyrosine phenolase , tyrosine phenolase , which is a tyrosine degrading and synthesizing enzyme derived from Symbiobacterium toebii . .2: hereinafter, abbreviated as TPL), a gene encoding the same, an expression vector containing the gene, a microorganism transformed with the expression vector and a method for producing a high activity and heat resistant TPL variant using the transformed microorganism It is about.
TPL은 티로신을 페놀과 피루브산(pyruvate)으로 가수분해하는 α,β-제거반응(α,β-elimination), 같은 기질로부터 페놀(phenol)과 세린(serine)을 생성하는 β-교환반응(β-replacement) 등의 다양한 반응을 촉매하는 효소이다 (Enei, et al., Agri. Biol. Chem., 36:1869, 1972). 또한, 티로신(tyrosine), 엘-도파(L-DOPA) 등 방향족 아미노산 및 그 유도체들을 가역적으로 분해 또는 합성하는 기능을 가지는 효소로 티로시나제(tyrosinase)라고도 한다 (도 1). 티로신을 유도 물질로 첨가한 배지에서 배양한 씨트로박터 프룬디 (Citrobacter freundii), 어위니아 허비콜라 (Erwinia herbicola) 등의 장내 미생물과 심비오박테리움 퇴비 (Symbiobacterium toebii) 등의 고온성 미생물 배양액에서 흔히 발견되는 TPL은 특히 대표적인 파킨슨병 치료제로서 주목받고 있는 고부가가치 의약용 아미노산인 엘-도파 및 바세도우씨 병의 치료제인 티로신의 생물학적 합성을 위한 산업용 생물 촉매로 이용된다.TPL is an α, β-elimination that hydrolyzes tyrosine to phenol and pyruvate, and a β-exchange reaction that produces phenol and serine from the same substrate. enzymes catalyzing a variety of reactions (Enei, et al., Agri. Biol. Chem., 36: 1869, 1972). In addition, an enzyme having a function of reversibly decomposing or synthesizing aromatic amino acids such as tyrosine and L-DOPA and derivatives thereof is also called tyrosinase (FIG. 1). Intestinal microorganisms, such as Citrobacter freundii and Erwinia herbicola , cultured in medium containing tyrosine as an inducer, and thermophilic microorganisms such as Symbiobacterium toebii Commonly found TPL is used as an industrial biocatalyst for the biological synthesis of tyrosine, a therapeutic agent for the high-value medicinal amino acids L-dopa and Vasedou's disease, which are particularly noteworthy as representative Parkinson's disease therapies.
한편, 최근 방향성 분자 진화 (directed molecular evolution)기술이 발달함에 따라, 이를 이용한 유용 균주 개발이나 벡터 개량뿐만 아니라, 항체공학이나 백신 개발, 유전자 치료, 신약개발, 생물 촉매 개량 등의 연구가 활발히 진행되고 있으며, 또한 산업용 생물 촉매로 유용한 TPL의 개량에 대한 연구의 중요성도 대두 되고 있다.On the other hand, with the recent development of directed molecular evolution technology, not only the development of useful strains or vector improvement, but also researches on antibody engineering, vaccine development, gene therapy, new drug development, biocatalyst improvement, etc. In addition, research on the improvement of TPL, which is useful as an industrial biocatalyst, has emerged.
방향성 분자 진화란, 자연계에서 오랜 시간에 걸쳐 일어나는 진화 과정을 모방하여 연구실의 인위적인 공간 내에서 단시간에 그 진화 과정을 수행하는 것을 말한다. 방향성 분자 진화를 위해서는 먼저 효소 변이체 라이브러리를 생성하고, 탐색을 통하여 기능 및 성질이 향상된 효소 변이체를 찾는 과정을 반복하여 물리적, 생화학적 특성이 개량된 변이체를 선발하여야 한다. 효소 변이체 라이브러리를 생성시키는 목적은 목적 효소에 돌연변이를 유발시킴으로써 다양한 염기서열 변이체 로 이루어진 집합군을 형성하여, 염기서열이 다른 다양한 성질의 효소군을 확보하기 위한 것이다. Directional molecular evolution refers to the evolution of evolution over time in the natural world and to its evolution in a short time in the artificial space of the laboratory. For directional molecular evolution, the enzyme variant library must be created, and the search for the enzyme variant with improved function and properties must be repeated to select variants with improved physical and biochemical properties. The purpose of generating the enzyme variant library is to form a collection group consisting of various nucleotide sequence variants by inducing mutations in the target enzyme, to secure a group of enzymes of various properties with different base sequences.
효소의 방향성 분자 진화는 기질 특이성과 기질에 대한 활성 및 조효소와 결합 능력, 열이나 유기 용매에서의 안정성, 광학 이성질체에 대한 선택성 등 여러 가지 방향으로 진행될 수 있다. 이러한 라이브러리 생성 기술은 계속 발전하고 있으며 변이유발 PCR (error-prone PCR), 화학적 변이유발, 자외선 조사, 돌연변이 유발 숙주 세포의 이용 등과 같은 무작위적 변이 (random mutagenesis)법과 DNA 셔플링 (DNA shuffling)과 같은 재조합기술을 통해 돌연변이를 유발하는 조합적 변이 (combinatorial mutagenesis) 등의 방법이 있다 (Kuchner and Arnold, Trends in Biotechnol., 15:523, 1997). 또한 손쉽게 돌연변이 라이브러리를 제조할 수 있는 키트가 상업적으로도 제품화되어 있어 목적에 맞게 이용할 수 있다.Directional molecular evolution of enzymes can proceed in many ways, including substrate specificity and activity to substrates and coenzymes and binding capacity, stability in heat or organic solvents, and selectivity to optical isomers. These library generation techniques continue to evolve and include random mutagenesis and DNA shuffling, such as error-prone PCR, chemical mutagenesis, UV irradiation, and the use of mutagenic host cells. Combinatorial mutagenesis and other methods of inducing mutations through the same recombination technique (Kuchner and Arnold, Trends in Biotechnol., 15: 523, 1997). In addition, kits for easily producing mutant libraries are commercially available and can be used for a purpose.
효소의 돌연변이체 라이브러리를 통하여 유전자의 다양성을 획득한 다음에는 원하는 성질을 가지는 변이를 탐색하는 기술이 필요하다. 일반적으로 라이브러리의 탐색 기술은 항생제에 대한 저항성, 특정 영양 요구성 균주를 이용한 탐색, 한천 배지상에서 투명환의 생성, 형광물질의 발현, 유색발현에 의한 고체상의 선별, 로보틱 시스템으로 자동화가 가능하고 소량의 활성차이를 민감하게 인식할 수 있는 웰플레이트 (wellplate) 방법이 있다 (Olsen, et al., Curr. Opin. Biotechnol., 11 (4):331, 2000).After obtaining gene diversity through the mutant library of enzymes, a technique is needed to search for variants with desired properties. In general, the search technology of the library can be automated by the resistance to antibiotics, the search using specific nutritionally demanding strains, the formation of transparent rings on agar medium, the expression of fluorescent substances, the solid phase selection by colored expression, and the robotic system. There is a wellplate method that can sensitively recognize the difference in activity (Olsen, et al., Curr. Opin. Biotechnol., 11 (4): 331, 2000).
이에 본 발명자들은 파키슨병 치료제로서 주목받고 있는 고부가가치 의약용 아미노산인 엘-도파(L-DOPA) 및 바세도우씨 병의 치료제인 티로신(tyrosine)을 고 효율로 합성하는 TPL을 변이 유발 PCR과 StEP 셔플링을 통하여 방향성 분자 진화시킨 결과, 야생형 TPL의 13번째, 83번째, 451번째 아미노산이 발린, 리신, 알라닌으로 각각 치환된 변이체 TPL인 2-9A5를 선별하고, 상기 2-9A5가 야생형 TPL에 비하여 높은 열안정성을 가질 뿐만 아니라, 활성도 크게 증가된 것을 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.Accordingly, the present inventors have carried out mutation-induced PCR and StEP to synthesize TPL, which synthesizes L-DOPA (L-DOPA), a high value-added medicinal amino acid, and tyrosine (Trosine), a treatment agent for Vasdou's disease. As a result of directional molecular evolution through shuffling, 2-9A5, a variant TPL substituted with valine, lysine, and alanine, respectively, was substituted for the 13th, 83rd, and 451th amino acids of the wild type TPL, and the 2-9A5 was selected from the wild type TPL. The present invention was completed by confirming that not only has high thermal stability but also significantly increased activity.
결국, 본 발명의 주된 목적은 야생형 TPL에 비해 내열성과 활성이 크게 개선된 변이체 TPL을 제공하는데 있다.In conclusion, the main object of the present invention is to provide a variant TPL having significantly improved heat resistance and activity compared to wild type TPL.
본 발명의 다른 목적은 상기 변이체 TPL을 코딩하는 유전자, 상기 유전자를 함유하는 발현벡터 및 상기 발현벡터를 박테리아, 곰팡이 및 효모로 구성된 군에서 선택된 숙주세포에 도입하여 수득되는 형질전환된 미생물을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a transformed microorganism obtained by introducing the gene encoding the variant TPL, the expression vector containing the gene and the expression vector into a host cell selected from the group consisting of bacteria, fungi and yeast. have.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 형질전환된 미생물을 이용하여 변이체 TPL을 제조하는 방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention to provide a method for producing a variant TPL using the transformed microorganism.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 서열번호 6의 아미노산 서열을 가지는 변이체 TPL을 제공한다. In order to achieve the above object, the present invention provides a variant TPL having the amino acid sequence of SEQ ID NO.
본 발명은 또한, 서열번호 6의 아미노산 서열을 가지는 변이체 TPL을 코딩하는 유전자 및 상기 유전자를 함유하는 발현벡터를 제공한다. The present invention also provides a gene encoding a variant TPL having the amino acid sequence of SEQ ID NO: 6 and an expression vector containing the gene.
본 발명에 있어서, 상기 유전자는 서열번호 5의 염기서열을 가지는 것을 특징으로 할 수 있고, 상기 발현벡터는 pHCEⅡB-mTTPL(2-9A5)인 것을 특징으로 할 수 있으나, 본 발명의 요지에 따라 서열번호 6의 아미노산 서열을 가지는 변이체 TPL이 발현될 수 있는 발현벡터라면, 이에 제한되는 것은 아니다.In the present invention, the gene may be characterized by having a nucleotide sequence of SEQ ID NO: 5, the expression vector may be characterized in that the pHCEIIB-mTTPL (2-9A5), the sequence according to the gist of the present invention If it is an expression vector capable of expressing the variant TPL having the amino acid sequence of No. 6, it is not limited thereto.
본 발명은 또한, 상기 발현벡터를 박테리아, 곰팡이 및 효모로 구성된 군에서 선택된 숙주세포에 도입하여 수득되는 형질전환 미생물을 제공한다. 상기 숙주세포는 대장균인 것을 특징으로 할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The present invention also provides a transformed microorganism obtained by introducing the expression vector into a host cell selected from the group consisting of bacteria, fungi and yeasts. The host cell may be characterized in that the E. coli, but is not limited thereto.
본 발명은 또한, (a) 상기 형질전환된 미생물을 배양하여 변이체 TPL을 발현시키는 단계; 및 (b) 상기 변이체 TPL이 발현된 미생물로부터 변이체 TPL을 분리하는 단계를 포함하는 변이체 TPL의 제조방법을 제공한다.The present invention also comprises the steps of (a) culturing the transformed microorganism to express variant TPL; And (b) provides a method for producing a variant TPL comprising the step of separating the variant TPL from the microorganism expressing the variant TPL.
이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
본 발명에서는 도 2에서 나타난 바와 같이, 심비오박테리움 퇴비(Symbiobacterium toebii) 유래의 야생형 TPL에 변이유발 PCR 방법과 StEP (Staggered Extension Process)에 의한 유전자 셔플링하는 방향성 분자 진화 방법으로 돌연변이를 유발하여 양질의 다양한 돌연변이 TPL 유전자 라이브러리를 제조한 다음, 유용한 방향족 아미노산의 합성을 위한 바이오촉매로서 활성과 열안정성이 모두 크게 개선된 변이체 TPL을 선별하였다. In the present invention, as shown in Figure 2, by inducing mutations in the wild-type TPL derived from Symbiobacterium toebii by a mutagenesis PCR method and a directional molecular evolution method of gene shuffling by StEP (Staggered Extension Process) A variety of high-quality mutant TPL gene libraries were prepared, and variant TPL was selected that greatly improved both activity and thermal stability as a biocatalyst for the synthesis of useful aromatic amino acids.
선별된 변이체 TPL의 염기서열을 제노텍(한국)에 의뢰하여 분석한 결과, 변이체 TPL을 코딩하는 유전자는 1,377bp 크기의 염기서열을 가지는 서열번호 5인 것 을 확인하였으며, 상기 염기서열로부터 서열번호 6의 아미노산 서열을 추정하였다. As a result of analyzing the base sequence of the selected variant TPL from Genotech (Korea), it was confirmed that the gene encoding the variant TPL was SEQ ID NO: 5 having a base sequence of size 1,377bp, and from the base sequence, SEQ ID NO: The amino acid sequence of 6 was estimated.
상기 서열번호 6을 가지는 신규한 내열성 및 고활성 변이체 TPL의 아미노산 서열을 야생형 TPL의 아미노산 서열과 비교한 결과, 야생형 TPL의 13번째 아미노산인 알라닌(alanine, A)은 발린(valine, V), 83번째 아미노산인 글루타메이트(glutamate, E)는 리신(lysine, K) 및 451번째 아미노산인 쓰레오닌(threonine, T)은 알라닌으로 각각 치환되었음을 확인하고, 상기 변이체 TPL을 변이체 TPL 2-9A5(또는 '2-9A5'로 약칭함)로 명명하였다.Comparing the amino acid sequence of the novel heat resistant and highly active variant TPL having SEQ ID NO: 6 with that of wild type TPL, alanine (A), the thirteenth amino acid of wild type TPL, was identified as valine (V), 83. The first amino acid glutamate (E) was confirmed that lysine (K) and the 451 th amino acid threonine (T) were each substituted with alanine, and the variant TPL was substituted with variant TPL 2-9A5 (or ' 2-9A5 '.
상기 2-9A5를 코딩하는 유전자를 포함하는 발현벡터를 제조하기 위해, 정제된 PCR 산물을 제한효소 NdeⅠ과 HindⅢ를 순차적으로 처리하여 도입 DNA를 만든 후, pHCEⅡB 항시 발현벡터를 사용하여 상기 유전자를 함유하는 발현벡터 pHCEⅡB-mTTPL(2-9A5)을 제조하였으며, 재조합 발현벡터 pHCEⅡB-mTTPL(2-9A5)에서 분리된 플라스미드 DNA의 염기서열을 확인한 결과, 상기 벡터에는 변이체 TPL을 코딩하는 유전자가 포함되어 있음을 확인하였다. In order to prepare an expression vector comprising the gene encoding 2-9A5, the purified PCR product was sequentially processed with restriction enzymes Nde I and Hind III to make introduction DNA, and then the pHCE IIB always contained the gene using an expression vector. The expression vector pHCEIIB-mTTPL (2-9A5) was prepared, and the nucleotide sequence of the plasmid DNA isolated from the recombinant expression vector pHCEIIB-mTTPL (2-9A5) was confirmed. As a result, the vector contains a gene encoding a variant TPL. It was confirmed that there is.
본 발명에서는 또한, 상기 발현벡터를 전기천공법을 이용하여 형질전환에 범용적으로 사용되는 숙주 미생물인 대장균 JM83에 도입하여 수득되는 형질전환된 미생물을 제조하였으며, 상기 형질전환된 미생물로부터 변이체 TPL인 2-9A5를 정제하여 효소활성 및 열안정성을 확인하였다. 그 결과, 효소활성은 야생형 TPL에 비하여 약 2.2배 증가하였으며, 65℃에서는 효소활성이 90% 이상 유지되었고, 70℃에서도 60% 이상의 효소활성을 나타냄으로써 약 8.5℃의 내열성이 증가하였음을 확인하였다.In the present invention, a transformed microorganism obtained by introducing the expression vector into Escherichia coli JM83, which is a host microorganism commonly used for transformation, was prepared by using the electroporation method. Purification of 2-9A5 confirmed enzyme activity and thermal stability. As a result, the enzyme activity was increased about 2.2 times compared to wild-type TPL, the enzyme activity was maintained at 90% or more at 65 ℃, it was confirmed that the heat resistance of about 8.5 ℃ was increased by showing at least 60% enzyme activity at 70 ℃. .
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. These examples are only for illustrating the present invention, it will be apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention is not to be construed as limited by these examples.
특히, 하기 실시예에서는 변이체 TPL을 코딩하는 재조합 벡터를 형질전환에 범용적으로 사용되는 숙주 미생물인 대장균 JM83에 도입하여 형질전환된 미생물 및 변이체 TPL의 제조방법에 대해서만 기술하고 있으나, 박테리아, 효모 및 곰팡이로 구성된 군에서 선택된 어느 하나의 세포를 숙주 세포로 하여 형질전환된 미생물 및 변이체 TPL을 제조할 수 있음은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.In particular, the following examples describe only a method for preparing transformed microorganisms and variant TPLs by introducing a recombinant vector encoding variant TPLs into Escherichia coli JM83, which is a host microorganism commonly used for transformation. It will be apparent to those skilled in the art that transformed microorganisms and variant TPLs can be prepared using any cell selected from the group consisting of fungi as host cells.
실시예1: 돌연변이 TPL 유전자 라이브러리 제조 Example 1 Preparation of Mutant TPL Gene Library
심비오박테리움 퇴비(Symbiobacterium toebii) 유래의 야생형 TPL에 변이유발 PCR 방법과 StEP에 의한 유전자 셔플링 방법 (Zhao, H., Methods in Enzymol., 388:42, 2004)으로 돌연변이를 유발하여 다양한 돌연변이 TPL 유전자 라이브러리를 제조하였다 (도 2). 도 2는 본 발명에서 사용한 돌연변이 유발법에 의하여, 돌연변이 TPL 유전자를 함유한 발현벡터의 제조과정을 개략하여 도시한 것이다.Mutation-induced mutations in wild-type TPL from Symbiobacterium toebii were induced by mutational PCR and StEP gene shuffling (Zhao, H., Methods in Enzymol ., 388: 42, 2004) TPL gene library was prepared (FIG. 2). Figure 2 is a schematic of the manufacturing process of the expression vector containing the mutant TPL gene by the mutagenesis method used in the present invention.
1) 변이 유발 PCR 방법을 이용한 무작위 돌연변이 라이브러리의 제조1) Preparation of random mutation library using mutation-induced PCR method
변이유발 PCR(error-prone PCR) 방법으로 돌연변이 라이브러리를 제조하기 위하여, GenemorphⅡ Random Mutagenesis Kit (스트라타진, 미국)를 사용하였다. 주형 DNA로는 심비오박테리움 퇴비 유래의 TPL 유전자를 사용하였고, 정방향 프라이머 (서열번호 1: 5'-CTCAAGACCCGTTTAGAGGCCC-3')와 역방향 프라이머 (서열번호 2: 5'-ATGCGTCCGGCGTAGAGGAT-3')를 사용하였다. 변이유발 PCR은 95℃에서 2분 동안 전 불활성화한 다음, 95℃에서 30초간 불활성화, 55℃에서 30초간 프라이머 결합, 72℃에서 2분간 DNA 합성 반응의 절차를 30회 반복하여 수행하였고, 마지막으로 72℃에서 10분 동안 DNA 합성반응을 추가로 수행하였다. 정제된 PCR 산물은 제한효소 NdeⅠ과 HindⅢ를 순차적으로 처리하여 도입 DNA로 사용하였다. 발현벡터로는 pHCEⅡB 항시적 발현벡터 (바이오리더스, 한국)를 사용하였는데, 상기 벡터를 도입 DNA와 동일한 제한효소로 처리한 다음, shrimp alkaline phosphatase (로쉬, 미국)로 탈인산화 시켰다. 준비된 도입 DNA와 발현벡터를 몰 비 4:1이 되도록 섞은 후, T4 DNA 리가제 (다카라, 일본)로 4℃에서 24시간 동안 반응시켰으며, 상기 반응액을 정제하여 변이체 TPL 유전자가 삽입된 발현벡터 pHCEⅡB-mTTPL을 제조하였다 (도 2). 상기 제조한 발현벡터를 전기천공법(electroporation)에 의하여 형질전환에 범용적으로 사용되는 숙주 미생물인 대장균 JM83에 형질전환시켜 돌연변이 TPL 라이브러리를 제조하였다.Genemorph II Random Mutagenesis Kit (Stratazine, USA) was used to prepare mutation libraries by error-prone PCR. As a template DNA, a TPL gene derived from Symbiobacterium compost was used, and a forward primer (SEQ ID NO: 1: 5'-CTCAAGACCCGTTTAGAGGCCC-3 ') and a reverse primer (SEQ ID NO: 2: 5'-ATGCGTCCGGCGTAGAGGAT-3') were used. . Mutagenesis PCR was inactivated for 2 minutes at 95 ° C, followed by 30 cycles of inactivation at 95 ° C for 30 seconds, primer binding at 55 ° C for 30 seconds, and DNA synthesis reaction at 72 ° C for 2 minutes. Finally, DNA synthesis was further performed at 72 ° C. for 10 minutes. The purified PCR product was used as introduction DNA by sequentially processing restriction enzymes Nde I and Hind III. As an expression vector, a pHCEIIB constitutive expression vector (Bioreaders, Korea) was used. The vector was treated with the same restriction enzyme as the introduced DNA, and then dephosphorylated with shrimp alkaline phosphatase (Rosh, USA). The prepared introduction DNA and the expression vector were mixed to a molar ratio of 4: 1, and then reacted with T4 DNA ligase (Takara, Japan) for 24 hours at 4 ° C. The reaction solution was purified to express the mutant TPL gene. Vector pHCEIIB-mTTPL was prepared (FIG. 2). The prepared expression vector was transformed into E. coli JM83, a host microorganism commonly used for transformation by electroporation, to prepare a mutant TPL library.
유전자를 도입하기 위한 세포 (competent cell)의 제조는 고품질의 라이브러리를 안정적으로 유지하기 위하여 매우 중요한 과정으로서 항시 새로운 세포를 제조하여 사용하였으며, 다음의 과정으로 수행하였다. 먼저 대장균 JM83의 단일 콜로 니를 4㎖의 LB 배지에 접종하여 37℃에서 하룻밤 배양하였고, 상기 배양액을 200㎖의 LB 배지에 0.5% (v/v)로 접종하여 37℃에서 진탕 배양하였다. 약 3시간 후 배양액의 OD600가 0.5~0.6이 되면 얼음에 박아 20분간 정치하였고, 미리 차갑게 식힌 원심 분리 용기에 배양액을 넣은 후, 4℃에서 5,000×g로 20분간 원심 분리를 하였다. 원심 분리 후, 상층액을 완전히 제거하고 세포 침전물에 차갑게 식힌 멸균 증류수를 가하여 현탁하였으며, 상기와 같은 조건으로 원심 분리하여 균체를 다시 모으고, 차가운 10% (v/v) 글리세롤을 가하여 현탁한 후, 4℃에서 5,000×g로 20분간 원심 분리하였다. 원심 분리된 세포 침전물에 10% (v/v) 글리세롤을 가하여 균체 농도 (OD600)가 100이 되게 한 다음, 50㎕씩 분주하여 사용하였다.Preparation of cells for the introduction of genes (competent cells) is a very important process in order to maintain a stable library of high quality was always used to prepare new cells, was carried out in the following process. First, a single colony of E. coli JM83 was inoculated in 4 ml of LB medium and incubated overnight at 37 ° C., and the culture was inoculated at 0.5 ° C. (v / v) in 200 ml of LB medium and shaken at 37 ° C. After about 3 hours, when the OD 600 of the culture medium reached 0.5 to 0.6, the mixture was put on ice and left to stand for 20 minutes. The culture solution was placed in a pre-cooled centrifuge container and centrifuged for 20 minutes at 5,000 × g at 4 ° C. After centrifugation, the supernatant was completely removed and suspended by adding cold sterile distilled water to the cell precipitate, and the cells were collected by centrifugation under the same conditions as above, and suspended by adding cold 10% (v / v) glycerol. Centrifugation for 20 minutes at 5,000 x g at 4 ° C. 10% (v / v) glycerol was added to the centrifuged cell precipitate so that the cell concentration (OD 600 ) was 100, and then 50 μl aliquots were used.
전기천공법은 상기 준비한 세포에 DNA를 섞어서 전기 충격 (18kV/cm, 25㎌)을 가한 후, SOC 배지(terrific broth) 1㎖를 첨가하여 37℃에서 130rpm으로 1시간 동안 배양하여 수행하였다.Electroporation was performed by mixing DNA to the cells prepared above, adding an electric shock (18 kV / cm, 25 μs), and adding 1 ml of SOC medium (terrific broth) to incubate at 37 ° C. at 130 rpm for 1 hour.
상기의 유전자 라이브러리 제조과정은 반복된 연구를 기초로 최적화된 것이며, 이후 분자 진화 연구에서 라이브러리 제조의 기반기술로 활용되고 있다. 제조된 변이 유발 PCR 라이브러리의 품질평가는 형질전환체 회수액을 다양한 배율로 희석하고, 50㎍/㎖ 앰피실린(ampicillin)을 함유하는 LB(Luria Bertani) 고체 배지에 도말하여 37℃에서 16시간 동안 배양한 후, 콜로니(colony) 수를 측정하는 방법에 의하여 수행하였다. 계산을 통하여 확인된 총 라이브러리의 크기는 약 1.2×105 개였으며, 이 중 10개의 콜로니를 무작위로 선별하여 콜로니 PCR을 수행한 결과, 대 부분 TPL 유전자를 함유하는 양질의 라이브러리임을 확인하였다.The gene library manufacturing process is optimized based on repeated research, and has been used as a base technology for library manufacturing in molecular evolution research. Quality assessment of the prepared mutagenic PCR library was carried out by diluting the transformant recovery solution at various magnifications, plating it on LB (Luria Bertani) solid medium containing 50 µg / ml ampicillin and incubating for 16 hours at 37 ° C. After that, it was performed by a method of measuring the number of colonies. The total library size determined by the calculation was about 1.2 × 10 5 , and 10 colonies were randomly selected and colony PCR was performed. As a result, it was confirmed that the library was a high-quality library containing most TPL genes.
2) 전체 무작위 돌연변이 라이브러리의 회수 2 ) recovery of the entire random mutation library
전체 무작위 돌연변이 라이브러리의 회수를 위해, 앰피실린이 포함된 LB 평판배지 (24cm × 24cm, 에스피엘, 한국)에 균체 농도가 약 50,000개가 되도록 도말하여 37℃에서 6시간 동안 배양한 후, 시료를 30℃ 배양기에 옮긴 다음, 다시 12시간을 더 배양하였으며, 생성된 콜로니는 2×TY(tryptone 16g, yeast extract 10g, NaCl 5g을 증류수에 녹여서 5N NaOH로 pH를 7로 보정하고 최종 부피가 1 리터가 되게 맞춘 후 멸균하여 사용함.) (15㎖), 50% 글리세롤 (9㎖), 20% 포도당 (3㎖) 및 멸균수 (3㎖)를 섞어 제조한 보존용액 (storage buffer) 10㎖에 현탁하여 회수하였다. 상기 시료는 다시 4℃에서 5,000×g로 20분간 원심 분리한 후 보존용액을 첨가하여 최종 OD600가 100~200이 되게 현탁 하였으며, 상기 시료를 400㎕씩 분주하여 -70℃에 보관하였고, 일부는 DNA를 분리하여 -20℃에 보관하였다. To recover the entire random mutant library, spread the cell concentration to about 50,000 cells in LB plate medium containing ampicillin (24 cm × 24 cm, Espiel, Korea) and incubate for 6 hours at 37 ° C. After transferring to the incubator at 12 ° C. for another 12 hours, the resulting colonies were dissolved in 2 × TY (16 g of tryptone, 10 g of yeast extract, and 5 g of NaCl) in distilled water to calibrate the pH to 7 with 5N NaOH, and the final volume was 1 liter. And then sterilized.) (15 ml), 50% glycerol (9 ml), 20% glucose (3 ml) and sterile water (3 ml) are suspended in 10 ml of storage buffer. Recovered. The sample was further centrifuged at 5,000 × g for 20 minutes at 4 ° C., and then added with a preservation solution to suspend the final OD 600 to 100-200. DNA was separated and stored at -20 ° C.
3) 변이유발 PCR에 의한 유전자 변이의 비율 조사 3 ) Investigation of the rate of genetic variation by mutagenesis PCR
변이유발 PCR에 의한 유전자 변이의 비율을 조사하기 위하여 라이브러리로부터 10개의 콜로니를 무작위로 취하여 염기서열을 분석한 결과, 돌연변이 비율은 1.377kb당 2~6개 염기로 1kb당 1~2개 아미노산의 변화가 일어날 것으로 예측되었다. 유전자 변이가 일어난 위치도 일부 구간에 편향되지 않고 전체 유전자에 고르 게 분포되어 있음을 확인하였다.In order to investigate the ratio of genetic variation by mutation-producing PCR, 10 colonies were randomly taken from the library and sequenced. As a result, the mutation rate was 2-6 bases per 1.377 kb, and the change of 1-2 amino acids per 1 kb. Was expected to happen. It was confirmed that the position where the gene mutation occurred was evenly distributed in all genes without bias in some sections.
4) 무작위 돌연변이 TPL 라이브러리의 스크리닝4) Screening of Random Mutant TPL Libraries
무작위 돌연변이 TPL 라이브러리를 스크리닝하기 위하여, 앰피실린이 함유된 LB 평판배지에 라이브러리를 도말한 후, 37℃에서 16시간 동안 배양하여 콜로니를 생성시켰다. 96-딥웰플레이트(deep-well plate, 바이오니아, 한국)에 앰피실린이 첨가된 LB 액체 배지를 넣고, 생성된 콜로니를 접종하여 37℃에서 20시간 동안 진탕 배양하였다 (Megagrow, 바이오니아, 한국). 상기 배양액을 4℃에서 3,000 rpm으로 15분 동안 원심 분리한 후, 균체를 50mM Tris 버퍼용액 (pH8)에 현탁하여 1회 세척한 다음, 다시 4℃에서 3,000 rpm으로 15분 동안 원심 분리하여 균체를 회수한 후, 50mM Tris 버퍼용액 (pH8) 40㎕에 현탁한 다음, Cellytic B (시그마, 미국)를 시료와 동량 첨가하여 혼합하여 37℃에서 30분간 세포를 용해시켜 효소액을 제조하였다. To screen for random mutant TPL libraries, the libraries were plated in LB plates containing ampicillin and then incubated at 37 ° C. for 16 hours to generate colonies. Into a 96-deep well plate (Bionia, Korea) was added LB liquid medium with ampicillin, and the resulting colonies were inoculated and shaken for 20 hours at 37 ℃ (Megagrow, Bioneer, Korea). After centrifugation of the culture solution at 3,000 rpm for 15 minutes at 4 ℃, the cells were suspended in 50mM Tris buffer solution (pH8) and washed once, followed by centrifugation at 3,000 rpm for 15 minutes at 4 ℃. After recovery, the suspension was suspended in 40 µl of 50mM Tris buffer solution (pH8), and then the same amount of Cellytic B (Sigma, USA) was added to the sample, mixed, and the cells were lysed at 37 ° C for 30 minutes to prepare an enzyme solution.
상기 효소액을 일정량 취해 65℃에서 10분간 열처리 한 다음, 상기 시료와 동량의 기질 용액 (2mM 티로신, 20uM 피리독살-5-포스페이트, 50mM Tris 버퍼용액 (pH8))을 첨가하여, 37℃에서 15분 동안 효소반응을 진행시킨 다음, 94℃에서 3분간 열처리하여 효소 반응을 중지시켰다. 효소 활성에 의하여 생성된 페놀량의 분석은 4-아미노안티피린 (aminoantypirine)에 의한 발색을 이용하였다 (Arnold, F.H. and Georgiou, G. Method in Molecular Biology, vol.230: Directed Enzyme Evolution: Screening and Selection Methods. Human Press Inc., Totowa, NJ). 상 기 과정은 효소 반응액을 원심 분리하여 세포 조각을 제거하고, 상등액에 상기 시료와 동량의 0.1N 수산화나트륨을 가한 후, 0.6% 4-아미노안티피린, 0.6% 과술폰산 칼륨 (potassium persulfonate)을 첨가하여 10분간 정치한 다음, Microplate reader (바이오래드, 미국)로 490nm에서의 흡광도를 측정하였다.After taking a certain amount of the enzyme solution and heat-treated at 65 ° C. for 10 minutes, an equal amount of substrate solution (2 mM tyrosine, 20 μM pyridoxal-5-phosphate, 50 mM Tris buffer solution (pH8)) was added thereto, followed by 15 minutes at 37 ° C. After the enzyme reaction was conducted, the enzyme reaction was stopped by heat treatment at 94 ° C. for 3 minutes. Analysis of the amount of phenol produced by enzymatic activity was performed by color development with 4-aminoantipyrine (Arnold, FH and Georgiou, G. Method in Molecular Biology, vol . 230: Directed Enzyme Evolution: Screening and Selection Methods Human Press Inc., Totowa, NJ). The process is centrifuged to remove the cell fragments, the same amount of 0.1 N sodium hydroxide with the sample to the supernatant, 0.6% 4-aminoantipyrine, 0.6% potassium persulfonate (potassium persulfonate) is added After standing for 10 minutes, the absorbance at 490 nm was measured using a Microplate reader (Biorad, USA).
그 결과, 전체 12,000개의 라이브러리를 스크리닝하였으며, 활성과 열안정성이 증가한 1-1C1, 1-2E12, 1-7A5, 1-20G12, 1-33D3, 1-39G3 및 1-39A9의 7개의 돌연변이체들을 선별하였다. 상기 돌연변이체 중, 1-1C1, 1-2E12, 1-20G12, 1-39A9의 4개는 야생형 TPL에 비하여 활성이 증가한 돌연변이체들로서, 37~70℃의 범위에서 활성을 조사하여 최종선별 하였으며, 37℃에서의 티로신 분해활성은 최대 104%까지 증가한 것으로 나타났다 (표 1). 나머지 1-7A5, 1-33D3 및 1-39G3의 3개는 야생형 TPL에 비하여 열안정성이 개선된 돌연변이체들로서, 37~70℃의 범위에서 30분간 열처리하여 활성이 반감되는 온도조건을 조사한 결과, 열안정성이 최대 5.6℃까지 증가하였음을 확인하였다 (표 1).As a result, a total of 12,000 libraries were screened and seven mutants of 1-1C1, 1-2E12, 1-7A5, 1-20G12, 1-33D3, 1-39G3, and 1-39A9 were found to have increased activity and thermal stability. Screened. Among the mutants, four of 1-1C1, 1-2E12, 1-20G12, and 1-39A9 were mutants having increased activity compared to wild-type TPL, and were finally selected by investigating their activity in the range of 37-70 ° C. Tyrosine degrading activity at 37 ° C. was increased by up to 104% (Table 1). The remaining three of 1-7A5, 1-33D3 and 1-39G3 are mutants with improved thermal stability compared to wild-type TPL. It was confirmed that the thermal stability increased up to 5.6 ° C (Table 1).
1 변이체 TPL의 조효소액의 티로신분해활성을 37℃에서 측정한 후, 동일조건에서 S. toelii 야생형 TPL의 활성과 비교하여 나타냄. 1 Tyrosine degrading activity of coenzyme solution of variant TPL was measured at 37 ° C., and compared with that of S. toelii wild type TPL under the same conditions.
2 변이체 TPL을 포함하는 조효소액을 30분 동안 열처리하여, 티로신분해활성이 반감되는 온도조건을 측정한 후, S. toelii 야행형 TPL의 활성이 반감되는 온도와의 차이를 나타냄. The coenzyme solution containing 2 variant TPL was heat-treated for 30 minutes to measure the temperature condition at which the tyrosine deactivation activity was halved, and the difference from the temperature at which the activity of S. toelii nocturnal TPL was halved.
5) StEP 셔플링을 통한 조합적 돌연변이 라이브러리 제조5) Preparation of combinatorial mutation libraries via StEP shuffling
무작위 돌연변이 라이브러리를 통해 활성이 증가된 4개의 변이주와 열안정성이 증가된 3개의 변이주를 선별하였으나, 활성이 증가된 것들은 열안정성의 개선이 미미하였으며, 열안정성이 개선된 돌연변이체는 효소활성의 변화가 없는 것으로 나타났다. 따라서 본 발명에서는 고활성이면서 동시에 높은 열안정성을 나타내는 돌연변이체 TPL을 제조할 목적으로, 상기 표 1의 돌연변이체들을 StEP 셔플링하는 방법 (Zhao, H., Methods in Enzymol., 388:42, 2004)으로 방향성 분자진화 연구를 수행하였다. The random mutation library selected four mutants with increased activity and three mutants with increased thermal stability, but those with increased activity showed little improvement in thermostability, and mutants with improved thermostability showed changes in enzyme activity. Appeared to be absent. Therefore, in the present invention, a method for shuffling the mutants of Table 1 with StEP for the purpose of preparing a mutant TPL that is highly active and exhibits high thermal stability (Zhao, H., Methods in Enzymol., 388: 42, 2004 Directional molecular evolution studies were conducted.
상기 7개의 돌연변이체에서 플라스미드 DNA를 분리하여 각 DNA를 몰 비가 동일하도록 혼합한 DNA를 주형으로 사용하여 StEP PCR 반응을 수행하였다. StEP PCR 반응에서는 정방향 프라이머 (서열번호 3: 5'-AACGGCGGCATGTCTTTCTATA-3')와 역방향 프라이머 (서열번호 4: 5'-ATGCCTGGCAGTTCCCTACTCT-3') 및 Vent DNA 중합효소 (엔이비, 미국)를 사용하였다. PCR 반응은 95℃에서 5분간 전 불활성화한 다음, 94℃에서 30초간 불활성화 반응, 55℃에서 5초간 프라이머 결합 및 DNA 합성반응을 40회 반복하여 수행하였다. 라이브러리 제조용 DNA의 양을 다량 확보하기 위하여 정제한 StEP PCR 산물을 주형으로 사용하여 추가 PCR을 수행하였다. PCR에 사용한 프라이머는 상기 StEP PCR에 사용한 것과 동일한 것들을 사용하였고, 94℃에서 5분간 전 불활성화한 다음, 95℃에서 30초간 불활성화, 53℃에서 30초간 프라이머 결합, 72℃에서 90초간 DNA 합성반응의 절차를 15회 반복하여 수행하였으며, 마지막으로 72℃에서 10분간 DNA 합성반응을 추가로 수행하였다. 이하의 라이브러리 제조단계와 회수는, 상기 실시예 1-1의 무작위 돌연변이 라이브러리 제조방법에서 기술한 것과 동일하게 수행하였다. 상기 방법으로 제조한 StEP 라이브러리의 전체 크기는 약 1.4×106 개였으며, 이 중 10개의 콜로니를 무작위로 선별하여 콜로니 PCR을 수행한 결과, 대부분 TPL 유전자를 함유하는 양질의 라이브러리임을 확인하였다. The plasmid DNA was isolated from the seven mutants, and StEP PCR reaction was performed using DNA mixed as a template for molar ratios. In the StEP PCR reaction, a forward primer (SEQ ID NO: 3'5'-AACGGCGGCATGTCTTTCTATA-3 '), a reverse primer (SEQ ID NO: 4'5'-ATGCCTGGCAGTTCCCTACTCT-3') and a Vent DNA polymerase (Envy, USA) were used. . The PCR reaction was inactivated at 95 ° C. for 5 minutes, followed by 40 cycles of inactivation at 94 ° C. for 30 seconds, primer binding at 55 ° C. for 5 seconds, and DNA synthesis. Further PCR was performed using the purified StEP PCR product as a template to ensure a large amount of DNA for library preparation. Primers used for PCR were the same as those used for the StEP PCR, inactivated for 5 minutes at 94 ℃, then inactivated for 30 seconds at 95 ℃, primer binding for 30 seconds at 53 ℃, DNA synthesis for 90 seconds at 72 ℃ The procedure of the reaction was repeated 15 times, and finally, a DNA synthesis reaction was further performed at 72 ° C for 10 minutes. The following library preparation steps and recovery were performed in the same manner as described in the random mutation library preparation method of Example 1-1. The total size of the StEP library prepared by the above method was about 1.4 × 10 6 , and 10 colonies were randomly selected and colony PCR was performed.
StEP에 의한 유전자의 재조합 정도를 조사하기 위하여 라이브러리로부터 10개의 콜로니를 무작위로 취하여 염기서열을 분석한 결과, 변이 유발 돌연변이에서 나타난 돌연변이 외에 추가 돌연변이는 나타나지 않았고, 변이 유발 돌연변이의 종류가 고르게 잘 분포되는 것으로 보아 StEP 셔플링으로 제조한 조합적 돌연변이 라이브러리가 양질의 것임을 확인하였다.In order to investigate the degree of recombination of StEP genes, 10 colonies were randomly taken from the library and analyzed for sequencing. No additional mutations were found in addition to the mutations in the mutagenesis mutations. It was confirmed that the combinatorial mutation library prepared by StEP shuffling was of good quality.
6) StEP 셔플링을 통한 조합적 돌연변이 라이브러리의 스크리닝 6 ) Screening of Combinatorial Mutant Libraries by StEP Shuffling
조합적 돌연변이 라이브러리를 스크리닝하기 위하여, 앰피실린이 함유된 LB 평판배지에 라이브러리를 도말한 후 37℃에서 16시간 동안 배양하여 콜로니를 생성하였다. 96-딥웰플레이트(deep-well plate, 바이오니아, 한국)에 앰피실린이 첨가된 LB 액체 배지를 넣고, 생성된 콜로니를 접종하여 37℃에서 20시간 동안 진탕 배양하였다 (Megagrow, 바이오니아, 한국). 이하의 방법은 상기 실시예 1-4의 무작위 돌연변이 TPL 라이브러리의 스크리닝과 동일한 방법으로 수행하였다. To screen combinatorial mutant libraries, the libraries were plated in LB plates containing ampicillin and incubated at 37 ° C. for 16 hours to produce colonies. Into a 96-deep well plate (Bionia, Korea) was added LB liquid medium with ampicillin, and the resulting colonies were inoculated and shaken for 20 hours at 37 ℃ (Megagrow, Bioneer, Korea). The following method was carried out in the same manner as the screening of the random mutant TPL library of Example 1-4.
그 결과, 총 2,000여 개의 돌연변이 라이브러리로부터 37℃에서의 티로신 분해활성이 최대 2.8배 개선된 돌연변이주인 2-9A5를 획득하였고, 열안정성이 최대 11.2℃ 개선된 변이주 2-1F3 및 2-9H3를 획득하였다(표 2). 그러나, 유용 방향족 아미노산의 합성을 위한 바이오촉매로서는 효소활성 및 열안정성이 모두 개선된 변이주의 선발이 요망되는바, 활성개선효과(약 2.8배) 및 열안정성 개선효과(6.7℃)가 모두 우수한 돌연변이주인 2-9A5를 본 발명에서의 최종 돌변이체로서 선별하였다 (표 2 및 도 4). As a result, 2-9A5, a mutant strain having up to 2.8-fold improvement in tyrosine degrading activity at 37 ° C, was obtained from a total of 2,000 mutation libraries, and mutant strains 2-1F3 and 2-9H3 having improved thermal stability up to 11.2 ° C were obtained. (Table 2). However, as a biocatalyst for the synthesis of useful aromatic amino acids, the selection of mutant strains with improved enzymatic activity and thermal stability is desired. Mutation with excellent activity improvement effect (about 2.8 times) and thermal stability improvement effect (6.7 ℃) Host 2-9A5 was selected as the final stone variant in the present invention (Table 2 and FIG. 4).
1 변이체 TPL의 조효소액의 티로신 분해활성을 37℃에서 측정한 후, 동일조건에서 S. toelii 야생형 TPL의 활성과 비교하여 나타냄. 1 Tyrosine degrading activity of coenzyme solution of variant TPL was measured at 37 ° C., and compared with that of S. toelii wild type TPL under the same conditions.
2 변이체 TPL을 포함하는 조효소액을 30분 동안 열처리하여, 티로신 분해활성이 반감되는 온도조건을 측정한 후, S. toelii 야생형 TPL의 활성이 반감되는 온도와의 차이를 나타냄. The coenzyme solution containing 2 variant TPL was heat-treated for 30 minutes, and the temperature condition at which tyrosine degradation activity was halved was measured, and the temperature was different from that at which the activity of S. toelii wild type TPL was halved.
하기의 실시예 2에서 표 2의 변이주들의 아미노산 서열을 분석한 결과, 활성 및 열안정성이 개선된 돌연변이체들이 StEP 셔플링과정에서 모듈형태로 재조합되어 있음을 확인하였다. 즉 2-9A5는 A13V, E83K, T451A의 돌연변이체를 함유하고 있었으며, 이중 A13V 및 E83K는 표 1에서 나타낸 열안정성 변이주로부터, T451A는 활성 변이주로부터 유래한 것임을 확인하였다. 이는 StEP 셔플링 방법이 유용 돌연변이 형질의 유전적 조합에 효과적으로 적용되고 있음을 방증하는 것이다. 한편 내열성이 10℃이상 개선되었으나, 활성개선은 약 12%인 2-8G3 변이주의 돌연변이체(A13V, T407A)의 경우는 모두 열안정성 변이주로부터 유래된 것임을 확인하였다 (도 4).As a result of analyzing the amino acid sequence of the variants of Table 2 in Example 2, it was confirmed that mutants having improved activity and thermostability were recombined in a modular form during StEP shuffling. That is, 2-9A5 contained mutants of A13V, E83K, and T451A. Among them, A13V and E83K were identified from the thermostable mutants shown in Table 1, and T451A was derived from the active mutants. This proves that the StEP shuffling method is effectively applied to the genetic combination of useful mutant traits. On the other hand, heat resistance was improved by more than 10 ℃, the activity improvement was confirmed that all of the mutants (A13V, T407A) of 2-8G3 mutant strains of about 12% are all derived from the thermostable mutant strains (Fig. 4).
실시예 2: 변이체 TPL (2-9A5)을 코딩하는 유전자의 염기서열 및 상기 유전자로부터 코딩되는 아미노산 서열의 결정 Example 2: Determination of the nucleotide sequence of a gene encoding variant TPL (2-9A5) and the amino acid sequence encoded from the gene
변이체 TPL인 2-9A5의 염기서열은 제노텍 (한국)에 의뢰하여 분석하였다. 그 결과, 본 발명에 따른 재조합 발현벡터 pHCEⅡB-mTTPL(2-9A5)에 함유된 2-9A5 유전자의 염기서열은 도 5의 서열번호 5로 기재되는 서열임을 확인하였다. 여기서, 도 5에 나타낸 아미노산 서열을 서열번호 6, 염기서열을 서열번호 5로 명명한다. The base sequence of the variant TPL 2-9A5 was analyzed by Genotech (Korea). As a result, it was confirmed that the nucleotide sequence of the 2-9A5 gene contained in the recombinant expression vector pHCEIIB-mTTPL (2-9A5) according to the present invention was the sequence described in SEQ ID NO: 5 of FIG. Here, the amino acid sequence shown in FIG. 5 is named SEQ ID NO: 6, and the nucleotide sequence is SEQ ID NO: 5.
상기 염기서열을 가지는 재조합 벡터 pHCEⅡB-mTTPL(2-9A5)에서 분리된 플라스미드 DNA에서 TPL을 코딩하는 1,377bp 크기의 유전자가 포함되어 있음을 확인하였다. 또한 상기 유전자의 염기서열로부터 서열번호 6의 변이체 2-9A5의 아미노산 서열을 추정하였다 (도 5). The plasmid DNA isolated from the recombinant vector pHCEIIB-mTTPL (2-9A5) having the nucleotide sequence was confirmed to contain a 1,377bp gene encoding TPL. In addition, the amino acid sequence of variant 2-9A5 of SEQ ID NO: 6 was estimated from the nucleotide sequence of the gene (FIG. 5).
도 5는 2-9A5의 염기서열 및 아미노산 서열을 나타낸 것으로, 아래쪽 부분이 서열번호 5의 염기서열이며, 위쪽 부분의 서열이 상기 염기서열로부터 코딩되는 서열번호 6의 아미노산 서열이고, 야생형 TPL과 비교하여 변화된 부분은 붉은색으로 나타내었다. 야생형 TPL의 아미노산 서열과 비교한 결과, 야생형 TPL의 13번째 아미노산인 알라닌(alanine, A)이 발린(valine, V), 83번째 아미노산인 글루타메이트(glutamate, E)가 리신(lysine, K) 및 451번째 아미노산인 쓰레오닌(threonine, T)이 알라닌으로 각각 치환되었음을 확인할 수 있었다. Figure 5 shows the nucleotide sequence and amino acid sequence of 2-9A5, the lower part is the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 5, the upper part is the amino acid sequence of SEQ ID NO: 6 encoded from the base sequence, compared with wild-type TPL The changed part is shown in red. Compared with the amino acid sequence of wild-type TPL, alanine (A), the 13th amino acid of wild-type TPL, valine (V), glutamate (E), the 83rd amino acid, lysine (K) and 451 The th amino acid threonine (T) was confirmed that each substituted with alanine.
실시예 3: 변이체 TPL (2-9A5)의 생산과 정제 Example 3: Production and Purification of Variant TPL (2-9A5)
야생형 TPL과 변이체 TPL인 2-9A5의 단일 콜로니를 각각 LB 액체배지 5㎖에 접종하여 37℃에서 밤새 배양한 다음, 앰피실린이 첨가된 LB 액체배지 200㎖에 재접종하여 37℃에서 24시간 동안 진탕 배양하였다. 상기 배양액에서 세포를 4℃에서 5,000rpm으로 10분간 원심 분리하여 회수한 다음, 50mM Tris 버퍼용액 (pH8)으로 한 번 세척하여 동일 완충액 5㎖에 현탁하였다. 상기 현탁액에 Cellytic B (시그마, 미국)를 시료와 동일한 양으로 첨가하고, DNase (로슈, 독일: 10U/ml)와 리소자임(lysozyme, 시그마, 미국: 100mg/㎖)을 각각 20㎕와 100㎕씩 첨가하여 37℃에서 30분간 반응시킨 후, 초음파세척기(sonicator)로 세포를 완전 분쇄하였다. 4℃에서 15,000rpm으로 30분간 원심 분리하여 세포 찌꺼기를 제거한 후, 상층액을 48℃에서 30분간 반응시켜 열에 약한 기주 대장균의 단백질을 변성시켰다. 다시 4℃에서 15,000rpm으로 30분간 원심 분리하여 상층액을 0.2㎛ 필터(filter)로 거른 후, 이를 조효소액으로 사용하였다. 준비한 조효소액을 Resouce Q 칼럼 (아머샴 바이오사이언스, 스웨덴)에 통과시캔 후, 활성이 있는 부분을 다시 Phenyl superose 칼럼(아머샴 바이오사이언스, 스웨덴)에 통과시켜, 야생형 TPL과 변이체 TPL을 순수 정제하였다.Single colonies of wild type TPL and variant TPL 2-9A5 were inoculated in 5 ml of LB liquid medium and incubated overnight at 37 ° C., and then inoculated in 200 ml of LB liquid medium containing ampicillin for 24 hours at 37 ° C. Shake culture was performed. The cells were collected by centrifugation at 5,000 rpm for 10 minutes at 4 ° C., and then washed once with 50 mM Tris buffer solution (pH8) and suspended in 5 ml of the same buffer. Cellytic B (Sigma, USA) was added to the suspension in the same amount as the sample, and 20 μL and 100 μL of DNase (Roche, Germany: 10 U / ml) and lysozyme (Sigma, USA: 100 mg / mL), respectively. After addition and reaction at 37 ° C. for 30 minutes, the cells were completely ground by an ultrasonic cleaner. Cell debris was removed by centrifugation at 15,000 rpm for 30 minutes at 4 ° C., and the supernatant was reacted for 30 minutes at 48 ° C. to denature the protein of host E. coli, which is weak to heat. The mixture was centrifuged at 15,000 rpm for 30 minutes at 4 ° C., and the supernatant was filtered with a 0.2 μm filter, which was then used as a crude enzyme solution. The prepared coenzyme solution is passed through a Resouce Q column (Amersham Bioscience, Sweden), and then the active part is passed through a Phenyl superose column (Amersham Bioscience, Sweden) to purify wild type TPL and variant TPL. It was.
실시예 4: 변이체 TPL (2-9A5)의 활성 및 열안정성 측정 Example 4: Determination of Activity and Thermal Stability of Variant TPL (2-9A5)
본 발명에서 변이체 TPL의 발현 숙주로 사용한 대장균의 조효소액에는 TPL의 활성에 영향을 미칠 수 있는 다양한 종류의 아미노산이 포함되어 있으며, 조효소액 중의 불안정한 단백질이나 단백질 분해효소는 TPL의 열안정성 관찰에 영향을 미칠수 있다. 따라서, 본 발명에서는 변이체 2-9A5의 활성 및 열안정성 개선효과를 정확하게 검증하기 위하여, 상기 실시예 2에서 순수 정제한 각 효소로부터 효소활성을 측정하였고, 각 온도별로 열처리 한 후 남아있는 TPL의 활성을 측정하였다.In the present invention, the coenzyme solution of E. coli, which is used as the expression host of the variant TPL, contains various kinds of amino acids that may affect the activity of TPL, and unstable proteins or protease in the coenzyme solution affect the thermal stability observation of TPL. Can be crazy Therefore, in the present invention, in order to accurately verify the activity and thermal stability improvement effect of variant 2-9A5, the enzyme activity was measured from each enzyme purified in Example 2, the activity of TPL remaining after heat treatment at each temperature Was measured.
구체적으로, 효소의 활성을 측정하기 위하여, 정제한 효소 5㎍을 70㎕ 50mM Tris 버퍼용액 (pH8)에 첨가하고 동량의 기질 용액 (2mM 티로신, 20uM 피리독살-5-포스페이트, 100 mM Tris 버퍼용액 (pH8))을 가하여 55℃에서 20분간 반응하였다. 효소의 활성중지는 94℃에서 5분간 열처리하여 수행하였다. 효소 활성에 의하여 생성된 페놀양의 분석은 상기에서 기술한 4-아미노안티피린 (aminoantypirine)에 의한 발색을 이용하였다. 야생형과 변이체 TPL의 비활성은 각각 1.46U/mg과 3.28U/mg이었으며, 돌연변이 TPL이 야생형보다 약 2.2배의 활성 증가를 보임을 확인하였다. Specifically, to measure the activity of the enzyme, 5 μg of purified enzyme was added to 70
상기 결과는, 상기 실시예 1-6의 활성 개선 효과가 2.8배인 것과는 차이가 나는데, 그 이유는 효소의 정제 정도가 다르기 때문인 것으로 판단되었다. 정제 전 후의 활성 차이가 있는 것은 정제과정 중 효소 활성의 실활 조건이 야기되었거나, 변이체 TPL이 야생형 TPL에 비하여 효소의 발현 양이 많기 때문에 정제 전의 효소 활성이 정제 후 보다 더 높게 나타나는 것으로 판단되었다. The results are different from those in which the activity improving effect of Example 1-6 was 2.8-fold, because it was determined that the degree of purification of enzymes was different. The difference in activity before and after purification resulted in the deactivation condition of enzyme activity during the purification process, or it was determined that the enzyme activity before purification was higher than after purification because the variant TPL had higher expression level of enzyme than wild type TPL.
변이체 TPL의 열안정성을 조사하기 위하여, 정제한 효소 5㎍을 70㎕ 50mM Tris 버퍼용액 (pH8)에 첨가하여 25~75℃에서 30분간 열처리한 후 동량의 기질 용액 (2mM 티로신, 20uM 피리독살-5-포스페이트, 100mM Tris 버퍼용액 (pH8))을 가하여 60℃에서 20분간 반응시켰으며, 효소 활성중지는 94℃에서 5분간 열처리하여 수행하였다. 효소 활성에 의하여 생성된 페놀양의 분석은 상기에서 기술한 4-아미노안티피린 (aminoantypirine)에 의한 발색을 이용하였다. 그 결과 야생형 TPL의 효소활성은 60℃까지 안정하게 유지되었으나 그 이상의 온도에서는 급격히 감소한 반면, 변이체 TPL의 효소 활성은 65℃에서는 90%이상 유지되었고 70℃에서도 60%이상이 유지되어, 약 8.5℃의 내열성 증가를 나타냄을 확인하였다 (도 6). To investigate the thermal stability of the variant TPL, 5 µg of purified enzyme was added to 70
본 발명과 유사하게 시트로박터 프룬디에서 유기 용매 및 내열성이 증가된 돌연변이 TPL이 보고된 바가 있으나 (대한민국 등록특허 10-0209785, 10-0184755), 40℃ 이상에서의 효과에 대해서는 보고된 바가 없었다. 그리고 심비오박테리움 퇴비에서 보고된 돌연변이 TPL의 경우 (대한민국 공개특허 10-2005-0044199), 내열성과 유기 용매 안정성이 증가된 것으로서, 내열성의 경우 고온에서 열처리하여 활성이 반감되는 온도 조건을 기준으로 하여 약 4~4.5℃ 정도의 열안정성이 증가된 반면, 본 발명의 2-9A5의 경우에는 내열성이 8.5℃ 가량 증가한 것으로, 상기 보고된 변이체보다 본 발명의 변이체는 열안정성이 개선되어 우수할 뿐만 아니라, 본 발명의 2-9A5는 효소활성이 개선된 돌연변이주와의 유전자 셔플링을 통하여 약 2.2-2.8배의 활성개선 효과를 동시에 나타내므로 더욱 우수한 내열성 및 고활성을 가짐을 확인할 수 있었다.Similarly to the present invention, mutant TPL with increased organic solvent and heat resistance has been reported in Citrobacter Prundi (Korea Patent No. 10-0209785, 10-0184755), but no effect has been reported above 40 ° C. . In the case of mutant TPL reported in Symbiobacterium compost (Korean Patent Publication No. 10-2005-0044199), heat resistance and organic solvent stability are increased, and heat resistance is based on a temperature condition in which activity is halved by heat treatment at high temperature. While the heat stability of about 4 ~ 4.5 ℃ is increased, in the case of 2-9A5 of the present invention, the heat resistance is increased by about 8.5 ℃, the variant of the present invention is better than the above-described variants improved thermal stability In addition, 2-9A5 of the present invention was found to have a more excellent heat resistance and high activity because it simultaneously exhibits about 2.2-2.8-fold improvement in activity through gene shuffling with the mutant strain with improved enzyme activity.
이상으로 본 발명 내용의 특정부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 것은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.The specific parts of the present invention have been described in detail above, and it should be apparent to those skilled in the art that such specific descriptions are merely preferred embodiments, and thus the scope of the present invention is not limited thereto. will be. Thus, the substantial scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents.
본 발명은 방향성 분자 진화기술을 이용하여 신규한 내열성 및 고활성 변이체 TPL, 이를 코딩하는 유전자, 상기 유전자를 함유하는 발현벡터, 상기 발현벡터 로 형질전환된 미생물 및 상기 형질전환된 미생물을 이용한 변이체 TPL의 제조방법을 제공하는 효과가 있다. 본 발명에 따른 변이체 TPL은 야생형 TPL의 13번째 아미노산인 알라닌(alanine, A)이 발린(valine, V), 83번째 아미노산인 글루타메이트(glutamate, E)가 리신(lysine, K) 및 451번째 아미노산인 쓰레오닌(threonine, T)이 알라닌으로 각각 치환된 것으로, 야생형 TPL보다 효소활성과 내열성이 크게 증대되어 파킨슨병 치료제인 엘-도파 및 바세도우씨병 치료제인 티로신 등을 산업적으로 생산하는 생물 촉매로써 매우 유용할 것이다.The present invention provides a novel heat resistant and highly active variant TPL using a directed molecular evolution technology, a gene encoding the same, an expression vector containing the gene, a microorganism transformed with the expression vector and a variant TPL using the transformed microorganism. It is effective to provide a method for producing. Variant TPL according to the present invention is the 13th amino acid alanine (alanine, A) of the wild type TPL (valine, V), the 83rd amino acid glutamate (glutamate, E) is the lysine (K) and 451st amino acid Threonine (T) is replaced by alanine, and the enzyme activity and heat resistance are significantly increased compared to wild type TPL, and it is a biocatalyst that produces L-dopa and Parkinson's disease, tyrosine, which is a treatment for Parkinson's disease. Would be very useful.
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