KR100781062B1 - A novel trehalose synthesizing fusion gene and a process for the trehalose production utilizing a thermostable fusion protein expressed from the gene - Google Patents

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KR100781062B1 KR1020060120416A KR20060120416A KR100781062B1 KR 100781062 B1 KR100781062 B1 KR 100781062B1 KR 1020060120416 A KR1020060120416 A KR 1020060120416A KR 20060120416 A KR20060120416 A KR 20060120416A KR 100781062 B1 KR100781062 B1 KR 100781062B1
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Abstract

A trehalose synthesizing fusion protein is provided to synthesize and hydrolyze maltooligosyltrehalose and increase the production efficiency of trehalose due to excellent heat-resistance. A maltooligosyltrehalose synthesis hydrolase(MhMTSHase) protein derived from Metallosphaera hakonesis(JCM8857) includes an amino acid sequence of SEQ ID : NO. 2. An MhMTSH gene encodes the MhMTSHase protein and includes a sequence of SEQ ID : NO. 1. A method for producing the protein comprises a step of culturing E. coli transformed by a recombinant vector including the MhMTSH gene. A method for producing trehalose comprises a step of adding substrate such as a water-soluble starch or a liquid corn starch to the MhMTSHase protein and then reacting it at a temperature of 65-75 deg.C under the pH of 5.0-6.0.

Description

새로운 트레할로스 생합성효소 융합유전자와 이로부터 발현된 내열성 융합효소단백질을 이용한 트레할로스 생산 방법{A novel trehalose synthesizing fusion gene and a process for the trehalose production utilizing a thermostable fusion protein expressed from the gene}A novel trehalose synthesizing fusion gene and a process for the trehalose production utilizing a thermostable fusion protein expressed from the gene}

도 1은 MhMTS 유전자와 MhMTH 유전자를 융합하여 서열번호 1로 표시되는 MhMTSH 융합유전자를 제조하는 방법을 도식화한 것이다.1 is a schematic diagram of a method for producing an MhMTSH fusion gene represented by SEQ ID NO: 1 by fusing an MhMTS gene and an MhMTH gene.

도 2는 MhMTSH 융합유전자를 대장균에서 대량 발현시킨 후 내열성 융합효소단백질(MhMTSHase)의 생합성을 SDS-PAGE 방법으로 확인한 결과이다.Figure 2 shows the results of confirming the biosynthesis of the heat-resistant fusion enzyme protein (MhMTSHase) after the mass expression of the MhMTSH fusion gene in E. coli by the SDS-PAGE method.

도 3은 도 2에서 대량 발현시켜 얻은 융합효소단백질(MhMTSHase)과 기질 말토펜타오스(G5)를 반응시킨 후, 얇은막크로마토그래피(그림A)와 HPIC(그림B)에 의해 트레할로스의 합성을 확인한 결과이다. 3 is a reaction of the fusion enzyme protein (MhMTSHase) obtained by mass expression in Figure 2 and the substrate maltopentaose (G5), and confirmed the synthesis of trehalose by thin layer chromatography (Fig. A) and HPIC (Fig. B). The result is.

도 4는 융합효소단백질(MhMTSHase)의 트레할로스 합성반응의 최적온도와 최적산도(pH)를 측정한 것이다. 각 온도(그림A) 및 pH (그림B)에서 말토펜타오스(G5)를 기질로 사용하여 트레할로스 합성반응을 실시하고 얇은막크로마토그래피 방법에 의해 트레할로스의 합성을 확인한 결과이다.Figure 4 is a measure of the optimum temperature and pH (pH) of the trehalose synthesis reaction of the fusion enzyme protein (MhMTSHase). Trehalose synthesis was carried out using maltopentaose (G5) as a substrate at each temperature (Fig. A) and pH (Fig. B), and trehalose was synthesized by thin layer chromatography.

도 5는 융합효소단백질(MhMTSHase)의 내열성을 측정한 결과이다. 그림A는 30분간의 사전저장 온도 조건이 효소활성에 미치는 영향을 측정한 것이고, 그림B는 70°C에서 48시간 저장 시 효소활성의 변화를 측정한 것이다.5 is a result of measuring the heat resistance of the fusion enzyme protein (MhMTSHase). Figure A shows the effect of 30 minutes prestorage temperature on enzyme activity. Figure B shows changes in enzyme activity after 48 hours storage at 70 ° C.

도 6은 여러 가지 말토올리고당을 기질로 사용하여 융합효소단백질(MhMTSHase)과의 반응을 실시하고, 얇은막크로마토그래피 방법에 의해 트레할로스의 합성을 확인한 결과이다. 6 is a result of confirming the synthesis of trehalose by the reaction with the fusion enzyme protein (MhMTSHase) using a variety of maltooligosaccharide as a substrate.

도 7은 내열성 융합효소단백질(MhMTSHase)을 1% 수용성 전분(soluble starch)을 기질로 사용하여 트레할로스 합성반응을 실시하고 얇은막크로마토그래피 방법에 의해 반응시간 별로 트레할로스의 합성을 확인한 결과이다. Figure 7 shows the results of trehalose synthesis using the heat-resistant fusion enzyme protein (MhMTSHase) 1% water-soluble starch (soluble starch) as a substrate, and by the reaction time thin film chromatography method.

본 발명은 고온균(hyperthermophilic archaebacterium) 메탈로스패라 하코네시스 (Metallosphaera hakonesis, JCM 8857)에서 분리한 두 개의 트레할로스 생합성 효소 유전자를 융합하여 새로운 유전자를 제조하고, 이로부터 발현되는 새로운 내열성 트레할로스 생합성 융합효소를 이용하여 트레할로스를 생산하는 방법에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로, 메탈로스패라 하코네시스에서 발현되는 트레할로스 생합성효소를 암호화하는 두 가지 유전자를 유전자 수준에서 융합하여 하나의 유전자로 제조하였으며, 그로부터 번역되는 내열성 트레할로스 생합성 융합효소를 이용하여 효과적으로 트레할로스를 생산하는 것이다.The present invention provides a new gene by fusion of two trehalose biosynthetic enzyme genes isolated from a hyperthermophilic archaebacterium Metallosphaera hakonesis (JCM 8857), and a new heat-resistant trehalose biosynthetic fusion enzyme expressed therefrom. To a method for producing trehalose. More specifically, two genes encoding trehalose biosynthesis expressed in Metallospara Hakonesis were fused at the gene level to produce a single gene, and efficiently produced trehalose using the heat-resistant trehalose biosynthetic fusion enzyme translated therefrom. It is.

트레할로스(α-D-glucopyranosyl-[1-1]-α-D-glucopyranose)는 곤충, 세균, 곰팡이, 효모 그리고 일부 식물체 등에서 발견되는 비환원성 이당류이다( Elbein, Adv . Carbohydr . Chem . Biochem . 30: 227-256, 1974). 트레할로스는 환원성 탄수화물의 저장형태이기도 하지만 주로 영양분의 고갈, 고온, 건조, 산소 결핍, 삼투압 등 다양한 종류의 바람직하지 못한 물리적 화학적 외부 충격에서 비롯되는 나쁜 영향으로부터 세포를 보호하는 역할을 하는 것으로 알려져 있다(Eleutherio et al., Cryobiology 30: 591-596, 1993). 트레할로스는 건조과정에서 단백질과 세포막의 인지질과 수소결합을 하여 세포의 구조를 그대로 유지하게 해 주며, 식품의 경우 고유의 풍미, 색상, 질감 등을 유지할 수 있게 한다(Crowe et al., Science 223: 701-703, 1984). 따라서 건조식품의 경우 색과 풍미를 보존하는 식품첨가제로서 이용할 수 있을 뿐만 아니라 가용수분을 감소시킴으로써 식품의 저장성을 향상시킬 수 있기도 하다.Trehalose (α-D-glucopyranosyl- [1-1] -α-D-glucopyranose) is a non-reducing disaccharide found in insects, bacteria, fungi, yeast and some plants (Elbein, Adv . Carbohydr . Chem . Biochem . 30 : 227-256, 1974). Trehalose is also a storage form of reducing carbohydrates, but it is known to protect cells from adverse effects resulting from various types of undesirable physical and chemical external impacts, such as depletion of nutrients, high temperatures, drying, oxygen deficiency, and osmotic pressure. Eleutherio et al., Cryobiology 30: 591-596, 1993). Trehalose maintains the structure of cells by hydrogen bonds with phospholipids of proteins and cell membranes during drying, and allows foods to retain their unique flavor, color, and texture (Crowe et al., Science 223: 701-703, 1984). Therefore, in the case of dried food can be used as a food additive to preserve the color and flavor as well as to improve the shelf life of the food by reducing the available water.

트레할로스 생합성 반응 경로는 효모와 대장균에서 가장 잘 알려져 있는데, 이들의 유전자는 이미 분리가 되었고 그 구조도 결정이 되었다(De Virgilio et al., Eur . J. Biochem . 212: 315-323, 1993; Kaasen et al., Gene 145: 9-15, 1994). 이외에도 Rhizobium sp. 등 근류균에서 트레할로스 합성 활성이 측정되었다(Mueller et al., Physiol . Plant . 90: 86-92, 1994). 이들 미생물들의 트레할로스 생합성에는 두 개의 단백질이 촉매하는 두 단계의 효소반응으로 구성되어 있다. 첫 번째 효소는 말토올리고실 트레할로스 합성효소 (maltooligosyltrehalose synthase, MTSase)로서, 말토올리고당(maltooligosaccharide)의 환원말단에 존재하는 α(1→4)글리코시딕 결합을 α(1→1) 글리코시딕 결합으로 전환시켜 말토올리고실 트레할로스(maltooligosyltrehalose)를 생성한다. 두 번째 효소는 말토올리고실 트레할로스 가수분해효소 (maltooligosyltrehalose trehalohydrolase: MTHase)로서, MTSase에 의해 생성된 말토올리고실 트레할로스의 말토올리고실 부위와 트레할로스 부위 간의 α(1→4) 글리코시딕 결합을 가수분해하여 포도당(glucose)의 단위가 2개 적어진 말토올리고당과 트레할로스를 생산한다.Trehalose biosynthetic reaction pathways are best known in yeast and Escherichia coli, whose genes have already been isolated and their structures determined (De Virgilio et al., Eur . J. Biochem . 212: 315-323, 1993; Kaasen et al., Gene 145: 9-15, 1994). In addition, Rhizobium sp. Trehalose synthesis activity was measured in dorsal mycorrhiza (Mueller et al., Physiol . Plant . 90: 86-92, 1994). Trehalose biosynthesis of these microorganisms consists of two stages of enzyme reaction catalyzed by two proteins. The first enzyme is maltooligosyltrehalose synthase (MTSase), which binds α (1 → 4) glycosidic bonds at the reduced end of maltooligosaccharides to α (1 → 1) glycosidic bonds. Conversion to produce maltooligosyltrehalose. The second enzyme is maltooligosyltrehalose trehalohydrolase (MTHase), which hydrolyzes α (1 → 4) glycosidic bonds between the maltooligosil and trehalose sites of maltogosil trehalose produced by MTSase. This results in maltooligosaccharides and trehalose, which have two fewer units of glucose.

이들 두 개의 유전자로부터 얻은 두 가지 효소를 한 반응용기에 동시에 넣고 초기기질과 반응시킬 경우, 첫 번째 효소로부터 생산된 중간생산물, 즉 말토올리고실 트레할로스(maltooligosyltrehalose)가 일단은 용액 중으로 확산(diffusion)되므로, 일정 농도에 이를 때까지 두 번째 효소와 반응하기 어렵게 된다. 장시간 각각의 효소를 필요한 일정 농도로 유지하여야 하며, 최종생성물의 양에 제약이 있을 수 있고, 따라서 생산량의 일관성을 유지하기 힘들다.When two enzymes from these two genes are put into one reaction vessel at the same time and reacted with the initial substrate, the intermediate product produced from the first enzyme, maltooligosyltrehalose, is once diffused into solution. As a result, it becomes difficult to react with the second enzyme until a certain concentration is reached. Each enzyme should be maintained at the required concentration for a long time, and there may be a limitation in the amount of the final product, thus making it difficult to maintain consistent yields.

유전자 재조합 기술을 이용하여 두 개의 유전자를 하나의 유전자로 융합하면, 두 개의 효소가 하나의 효소 단백질로 융합되어 있는 형태로 만드는 것이 가능하다. 이 경우 융합단백질이 두 가지 효소활성을 동시에 가지며 첫 번째 효소활성 부위에서 생성된 중간산물이 확산됨이 없이 그대로 두 번째 효소활성에 의해서 최종산물인 트레할로스로 전환될 수 있다. If two genes are fused to one gene using genetic recombination technology, it is possible to make a form in which two enzymes are fused to one enzyme protein. In this case, the fusion protein has two enzymatic activities at the same time and can be converted into the final product trehalose by the second enzymatic activity without diffusion of the intermediate produced at the first enzymatic activity site.

실제로 본 발명의 연구자 일부가 참여하여 브레비박테리움(Brevibacterium helvolum)에서 분리한 두 효소 BvMTS와 BvMTH의 유전자를 연결하여 융합단백질 BvMTSH를 만들어 트레할로스 생산을 확인한 경우가 있다(Kim et al., Appl . Environ Microbiol. 66: 4620-4624). 그러나 많은 경우 융합유전자로부터 융합단백질은 만들어지나, 융합단백질이 두 가지 효소활성을 동시에 가지며 또한 각각의 효 소반응에 비해 반응속도 등이 우수한 경우는 그 예가 많지 않다. 그 이유는 융합단백질의 두 효소활성을 이루는 각각의 부위(domain)의 정확한 삼차구조를 이루는데 상호 간의 영향이 없어야 하기 때문이며, 또한 두 부위에 기질과 반응산물의 이동 및 결합에 어떤 영향도 없어야 하기 때문이다.Indeed, some researchers of the present invention participated in Brevibacterium helvolum ) has been linked to the genes of two enzymes, BvMTS and BvMTH, to form the fusion protein BvMTSH to confirm trehalose production (Kim et al., Appl . Environ Microbiol . 66: 4620-4624). However, in many cases, fusion proteins are made from fusion genes, but there are few cases where fusion proteins have two enzymatic activities at the same time and the reaction rate is superior to the respective reactions. The reason is that there should be no mutual influence in forming the correct tertiary structure of each domain that constitutes the two enzymatic activities of the fusion protein, and also there should be no influence on the transfer and binding of the substrate and the reaction product at the two sites. Because.

일반적으로 트레할로스 합성 유전자들을 분리하면, 이들을 대장균 또는 효모에 전이(transformation)하여 단백질로 발현시킨 후, 미생물들을 용해(lysis)하고 이 단백질들을 순수 분리(purification)하여 사용해야 한다. 미생물 자체에서 유래된 다른 단백질들이 기질과 반응하여 불필요한 부산물들을 생산하기 때문이다. 산업용으로 사용하는 효소를 순수분리하기 위해서는 고비용의 시설과 기술이 필요하다.Generally, when trehalose synthetic genes are separated, they must be transformed into E. coli or yeast and expressed as proteins, followed by lysis of microorganisms and purification of these proteins. This is because other proteins derived from the microorganisms themselves react with the substrate to produce unnecessary byproducts. The pure separation of enzymes for industrial use requires expensive facilities and technologies.

고온균(thermophilic microorganism)에서 분리하여 생산한 내열성 트레할로스 합성 효소들을 사용하여 고온(60°C 이상)에서 반응을 진행하게 되면, 미생물 유래의 효소들을 모두 열변성(denaturation)시켜 불활성화 시킬 수 있다. 그러므로 별도의 순수분리 과정 없이 미생물 용해액(lysate)를 반응에 직접 사용할 수 있다. 또한 고온에서는 트레할로스 생산 반응의 속도를 크게 증가시킬 수 있다. 특히 최저가 기질로 사용하는 전분(starch) 등의 해리속도를 높여 동시에 많은 효소반응이 일어날 수 있게 된다.When the reaction is carried out at high temperature (above 60 ° C) using heat-resistant trehalose synthase produced by separation from thermophilic microorganism, all enzymes derived from microorganisms can be thermally denatured and inactivated. Therefore, microbial lysates can be used directly in the reaction without a separate pure separation process. At higher temperatures it is also possible to significantly increase the rate of trehalose production reactions. In particular, it increases the rate of dissociation of starch, which is used as the lowest substrate, and at the same time, many enzyme reactions can occur.

현재 트레할로스는 효모 배양액에서 추출하여 식품 첨가제로 일부 사용하고 있는데 그 가격이 고가여서 실용화가 되지 않고 있다. 본 발명자들은 트레할로스를 생합성하는 새로운 융합유전자를 제시하고, 이 유전자를 대량 발현시켜 얻은 내열 성 효소를 이용하여 트레할로스 합성의 효율을 높이고자 하는 목적을 세우고 연구를 수행하였다.Currently, trehalose is extracted from yeast culture and used as a food additive, but its price is expensive and it has not been put to practical use. The present inventors have proposed a new fusion gene for biosynthesis of trehalose, and conducted a study aiming to increase the efficiency of trehalose synthesis using a heat-resistant enzyme obtained by mass expression of this gene.

본 발명의 주된 목적은 고온균 메탈로스패라 하코네시스(Metallosphaera hakonesis, JCM 8857) 으로부터 분리한 트레할로스 생합성효소의 두 가지 유전자들을 융합하여 새로운 하나의 유전자(MhMTSH)로 만들었으며, 이 융합유전자로부터 얻어지는 새로운 내열성 트레할로스 생합성 융합효소단백질들을 제공하는 것이다. The main object of the present invention is thermophilic metallospara Hakonesis (Metallosphaera hakonesis, JCM 8857), fused two genes of trehalose biosynthesis isolated fromMhMTSHTo provide new heat-resistant trehalose biosynthetic fusion enzyme proteins from this fusion gene.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 MhMTSH 유전자를 포함하는 재조합 발현 벡터 및 상기 벡터로 형질전환된 대장균을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is the MhMTSH It is to provide a recombinant expression vector containing the gene and E. coli transformed with the vector.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 대장균을 배양하여 상기 단백질을 생산하는 방법 및 상기 방법에 의해 생산된 단백질을 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide a method for producing the protein by culturing E. coli and a protein produced by the method.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 단백질을 이용하여 트레할로스를 생산하는 방법 및 상기 방법에 의해 생산된 트레할로스에 관한 것이다.Another object of the present invention relates to a method for producing trehalose using the protein and to trehalose produced by the method.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 서열번호 2의 아미노산 서열을 가지는 메탈로스패라 하코네시스 (Metallosphaera hakonesis, JCM 8857) 유래 말토올리고실트레할로스 합성가수분해효소(MhMTSHase) 단백질을 제공한다.In order to achieve the object of the present invention, the present invention provides a metal oligo siltrehalose synthase (MhMTSHase) protein derived from Metallosphaera hakonesis (JCM 8857) having an amino acid sequence of SEQ ID NO: 2.

또한, 본 발명은 상기 MhMTSHase 단백질을 코딩하는 MhMTSH 유전자를 제공한다. 상기 MhMTSH 유전자는 메탈로스패라 하코네시스 (Metallosphaera hakonesis, JCM 8857)로부터 분리된 MhMTS 유전자와 MhMTH 유전자를 융합하여 제조한 서열번호 1의 염기 서열을 가지는 트레할로스 생합성효소 융합구조유전자 (MhMTSH)이다. 또한, 상기 서열의 변이체가 본 발명의 범위 내에 포함된다. 변이체는 염기 서열은 변화되지만, 서열번호 1의 염기 서열과 유사한 기능적 특성을 갖는 염기 서열이다. 구체적으로, MhMTSH 유전자는 서열번호 1의 염기 서열과 70% 이상, 더욱 바람직하게는 80% 이상, 더 더욱 바람직하게는 90% 이상, 가장 바람직하게는 95% 이상의 서열 상동성을 가지는 염기 서열을 포함할 수 있다.The invention also MhMTSH encoding the protein MhMTSHase Provide the gene. MhMTSH Los parametric Hakone gene metal sheath (Metallosphaera hakonesis , JCM 8857) is a trehalose biosynthetic enzyme fusion structure gene ( MhMTSH ) having a nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1 prepared by fusing the MhMTS gene and MhMTH gene. In addition, variants of such sequences are included within the scope of the present invention. A variant is a nucleotide sequence that changes in base sequence but has similar functional properties to that of SEQ ID NO: 1. Specifically, MhMTSH The gene may comprise a nucleotide sequence having at least 70%, more preferably at least 80%, even more preferably at least 90%, most preferably at least 95% homology with the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1.

폴리뉴클레오티드에 대한 "서열 상동성의 %"는 두 개의 최적으로 배열된 서열과 비교 영역을 비교함으로써 확인되며, 비교 영역에서의 폴리뉴클레오티드 서열의 일부는 두 서열의 최적 배열에 대한 참고 서열(추가 또는 삭제를 포함하지 않음)에 비해 추가 또는 삭제(즉, 갭)를 포함할 수 있다. 상기 %는 동일한 핵산 염기가 두 서열 모두에 존재하는 위치의 수를 확인하여 정합 위치의 수를 산출하고, 그 정합 위치의 수를 비교 영역 내의 위치의 총 수로 나누고, 그 결과에 100을 곱하여 서열 상동성 %를 산출함으로써 계산된다. 비교를 위한 서열의 최적 배열은 공지된 연산방식의 컴퓨터에 의한 임플러먼테이션에 의해(예를 들면, GAP, BESTFIT, FASTA 및 TFAST in the Wisconsin Genetics Software Package, Genetics Computer Group (GCG), 575 Science Dr., Madison, WI, or BlastN and BlastX available from the National Center for Biotechnology Information), 또는 검사에 의해 이루어질 수 있다.The "% sequence homology" for a polynucleotide is identified by comparing two optimally arranged sequences with a comparison region, wherein part of the polynucleotide sequence in the comparison region is the reference sequence (addition or deletion) for the optimal alignment of the two sequences. It may include the addition or deletion (ie, gap) compared to). The% identifies the number of positions where identical nucleic acid bases are present in both sequences, yielding the number of matching positions, dividing the number of matching positions by the total number of positions in the comparison region, and multiplying the result by 100 to display the sequence Calculated by calculating the percent of same sex. Optimal alignment of sequences for comparison is by computerized implementation of known algorithms (e.g. GAP, BESTFIT, FASTA and TFAST in the Wisconsin Genetics Software Package, Genetics Computer Group (GCG), 575 Science). Dr., Madison, WI, or BlastN and BlastX available from the National Center for Biotechnology Information), or by examination.

본 발명에서 제조한 트레할로스 생합성효소 융합유전자의 구조유전자 부분은 두 개의 효소 단백질을 융합된 형태로 암호화하고 있다. 융합유전자의 첫 번째 유 전자 부위는 말토올리고실트레할로스 합성효소(MhMTSase) 유전자 부분이고, 두 번째 유전자 부위는 말토올리고실트레할로스 가수분해효소(MhMTHase) 유전자이다. 이로부터 번역되는 내열성 융합효소단백질은 내열성 말토올리고실트레할로스 합성가수분해효소(MhMTSHase)이다. 이 융합효소단백질은 말토올리고실트레할로스 합성 및 가수분해 반응을 동시에 할 수 있는 융합효소단백질로서, 내열성이 우수하여 트레할로스 생산효율이 높일 수 있는 장점을 가지고 있다.The structural gene portion of the trehalose biosynthetic enzyme fusion gene prepared in the present invention encodes two enzyme proteins in a fused form. The first gene region of the fusion gene is the maltooligosiltrehalose synthase (MhMTSase) gene portion, and the second gene region is the maltooligosiltrehalose hydrolase (MhMTHase) gene. The heat-resistant fusion enzyme protein translated therefrom is heat-resistant maltooligosiltrehalose synthase (MhMTSHase). The fusion enzyme protein is a fusion enzyme protein capable of simultaneously synthesizing and synthesizing maltogosiltrehalose, and has excellent heat resistance and has an advantage of increasing trehalose production efficiency.

본 발명에서는 유전자 재조합(recombination) 방법을 이용하여 두 개의 유전자를 하나의 새로운 유전자로 연결하여, 이로부터 합성되는 내열성 트레할로스 생합성효소를 하나의 새로운 융합효소로 조제하였다. 이렇게 합성된 융합효소는 각각의 효소활성을 모두 가지고 있었고, 각각의 효소를 이용하여 트레할로스를 합성하는 경우에 비하여 효소반응을 단일단계로 줄일 수 있었으며, 내열성이 높은 것으로 분석되었다.In the present invention, two genes were linked to one new gene using a gene recombination method, and a heat-resistant trehalose biosynthesis synthesized therefrom was prepared as one new fusion enzyme. The synthesized fusion enzyme had all the enzyme activities, and it was possible to reduce the enzymatic reaction in a single step as compared with the case of synthesizing trehalose using each enzyme, and it was analyzed that the heat resistance was high.

본 발명은 유전자를 융합하는 단계, 융합유전자로부터 융합단백질의 과다발현 단계, 그리고 내열성 융합단백질을 이용하여 트레할로스 생합성하는 단계로 이루어진다.The present invention consists of fusion of genes, overexpression of fusion proteins from fusion genes, and trehalose biosynthesis using heat-resistant fusion proteins.

본 발명자들은 고온균(hyperthermophilic archaebacterium) 메탈로스패라 하코네시스 (Metallosphaera hakonesis, JCM 8857)으로부터 두 개의 트레할로스 생합성 관련 효소유전자를 분리하였다(Seo et al., J. Microbiol. Biotechnol . 29(1), in print, 2007). 첫 번째 유전자는 구조유전자 부분이 2,142 bp인 메탈로스패라 하코네시스 말토올리고실트레할로스 합성효소 유전자(MhMTS, GenBank accession number AY444508)이다. 이로부터 번역되는 메탈로스패라 하코네시스 말토올리고실트레할로스 합성효소(MhMTSase)는 아미노산 713개로 구성된 약 83.8 kDa의 분자량을 갖는 단백질이다. 이 효소는 말토올리고당(maltooligosaccharide)의 환원말단에 존재하는 α(1→4)글리코시딕 결합을 α(1→1) 글리코시딕 결합으로 전환시켜 말토올리고실 트레할로스(maltooligosyl trehalose)를 생성한다.The inventors of the present invention have reported that the hyperthermophilic archaebacterium Metallospara Hakonesis ( Metallosphaera) Two trehalose biosynthesis related enzyme genes were isolated from hakonesis , JCM 8857 (Seo et al., J. Microbiol. Biotechnol . 29 (1), in print, 2007). The first gene is the metallospara Hakonesis maltooligosiltrehalose synthase gene ( MhMTS , GenBank accession number AY444508), whose structural gene portion is 2,142 bp. Metallospara Hakonesis maltooligosiltrehalose synthetase (MhMTSase) translated therefrom is a protein having a molecular weight of about 83.8 kDa consisting of 713 amino acids. This enzyme converts α (1 → 4) glycosidic bonds at the reduced end of maltooligosaccharide to α (1 → 1) glycosidic bonds to produce maltooligosyl trehalose.

두번째 유전자는 구조유전자 부분이 1,679 bp인 말토올리고실트레할로스 가수분해효소 유전자(MhMTH, GenBank accession number AY444509)이다. 이로부터 번역되는 메탈로스패라 하코네시스 말토올리고실트레할로스 가수분해효소 (MhMTHase)는 아미노산 558개로 구성된 약 63.7 kDa의 분자량을 갖는 단백질이다. 이 효소는 MhMTSase에 의해 생성된 말토올리고실 트레할로스의 말토올리고실 부위와 트레할로스 부위간의 α(1→4) 글리코시딕 결합을 가수분해하여 포도당의 단위가 2개 적어진 말토올리고당과 트레할로스를 생성한다.The second gene is the maltooligosiltrehalose hydrolase gene ( MhMTH , GenBank accession number AY444509) whose structural gene portion is 1,679 bp. Metallospara Hakonesis maltooligosiltrehalose hydrolase (MhMTHase) translated therefrom is a protein having a molecular weight of about 63.7 kDa consisting of 558 amino acids. The enzyme hydrolyzes α (1 → 4) glycosidic bonds between the maltooligolic and trehalose sites of maltooligolic trehalose produced by MhMTSase to produce maltooligosaccharides and trehalose with two fewer glucose units. .

본 발명의 또 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 본 발명의 MhMTSH 유전자를 포함하는 재조합 발현 벡터를 제공한다.In order to achieve another object of the present invention, the present invention is MhMTSH Provided is a recombinant expression vector comprising a gene.

트레할로스의 산업적 생산을 위해서는 각각의 유전자를 대장균 등에서 발현시켜 별도 생산하여 각각의 서로 다른 2개의 연쇄효소반응을 시행하여야 한다. 본 발명에서는 두 개의 유전자를 중합효소연쇄반응(polymerase chain reaction, PCR) 및 유전자 재조합방법을 이용하여 하나의 유전자로 제조하였다(도 1). 이를 대장균 발현벡터인 pRSET-B 플라스미드(Invitrogen Inc.)에 삽입하여 두 부분의 트레할로스 생합성 효소활성을 동시에 갖는 하나의 융합효소 (MhMTSHase)를 생합성할 수 있 도록 DNA construct를 제작하였다. 본 발명의 MhMTSH 유전자는 원핵세포 또는 진핵세포에서 발현할 수 있다.For industrial production of trehalose, each gene must be expressed in Escherichia coli and produced separately, and each of two different chain enzyme reactions must be performed. In the present invention, two genes were prepared as one gene using a polymerase chain reaction (PCR) and a gene recombination method (FIG. 1). The DNA construct was constructed by inserting it into the pRSET-B plasmid (Invitrogen Inc.), which is an E. coli expression vector, to biosynthesize one fusion enzyme (MhMTSHase) having two parts of trehalose biosynthetic enzyme activity. MhMTSH of the invention The gene may be expressed in prokaryotic or eukaryotic cells.

박테리아에 이용하기에 바람직한 벡터는 pQE70, pQE60 및 pQE-9(Qiagen); pBS 벡터, PHAGESCRIPT 벡터, Bluescript 벡터, pNH8A, pNH16a, pNH18A, pNH46A(Stratagene); ptrc99a, pKK223-3, pKK233-3, pDR540, pRIT5(Pharmacia); 및 pRSET-B(Invitrogen Inc.)를 포함한다. 바람직한 진핵세포 벡터는 pWLNEO, pSV2CAT, pOG44, pXT1 및 pSG(Stratagene); 및 pSVK3, pBPV, pMSG 및 pSVL(Pharmacia)이다. 기타 적당한 벡터는 당업자에게 용이하게 명백할 것이다. 본 발명에서는 대장균 발현 벡터 중의 하나인 pRSET-B(Invitrogen Inc.) 벡터를 이용하였다.Preferred vectors for use in bacteria include pQE70, pQE60 and pQE-9 (Qiagen); pBS vector, PHAGESCRIPT vector, Bluescript vector, pNH8A, pNH16a, pNH18A, pNH46A (Stratagene); ptrc99a, pKK223-3, pKK233-3, pDR540, pRIT5 from Pharmacia; And pRSET-B from Invitrogen Inc. Preferred eukaryotic vectors include pWLNEO, pSV2CAT, pOG44, pXT1 and pSG (Stratagene); And pSVK3, pBPV, pMSG and pSVL from Pharmacia. Other suitable vectors will be readily apparent to those skilled in the art. In the present invention, pRSET-B (Invitrogen Inc.) vector, which is one of E. coli expression vectors, was used.

발현 벡터는 바람직하게는 하나 이상의 선택성 마커를 포함할 것이다. 상기 마커는 진핵세포 배양에 대해 디히드로폴레이트 환원효소 또는 네오마이신 내성을 포함하며, 대장균 및 기타 박테리아에서 배양을 위해 테트라사이클린 또는 앰피실린 내성 유전자를 포함한다.The expression vector will preferably comprise one or more selectable markers. The markers include dihydrofolate reductase or neomycin resistance to eukaryotic cultures and include tetracycline or ampicillin resistance genes for culture in E. coli and other bacteria.

본 발명의 또 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 본 발명의 재조합 발현 벡터로 형질전환된 대장균을 제공한다.In order to achieve another object of the present invention, the present invention provides E. coli transformed with the recombinant expression vector of the present invention.

재조합 구축물은 감염, 형질도입, 트랜스펙션, 트랜스벡션, 전기천공 및 형질전환과 같은 주지된 기술을 이용하여 배양된 숙주 세포 내로 도입될 수 있다. 숙주의 대표적인 예는 박테리아 세포, 예를 들면, 대장균, 스트렙토마이세스 및 살모넬라 티피무리움 세포; 진균 세포, 예를 들면, 효모 세포; 곤충 세포, 예를 들 면, 초파리 S2 및 스포돕테라 Sf9 세포; 동물 세포, 예를 들면, CHO, COS 및 Bowes 흑색종 세포; 및 식물 세포를 포함하나, 이에 제한되지 않는다. 숙주 세포에 대한 적당한 배양 배지 및 조건은 당업계에 공지되어 있다. 본 발명에서는 숙주 세포로서 대장균 BL21을 이용하였다.Recombinant constructs can be introduced into cultured host cells using well known techniques such as infection, transduction, transfection, transfection, electroporation, and transformation. Representative examples of hosts include bacterial cells such as Escherichia coli, Streptomyces and Salmonella typhimurium cells; Fungal cells such as yeast cells; Insect cells, such as Drosophila S2 and Spodhodera Sf9 cells; Animal cells such as CHO, COS and Bowes melanoma cells; And plant cells. Suitable culture media and conditions for host cells are known in the art. In the present invention, Escherichia coli BL21 was used as a host cell.

본 발명의 또 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 본 발명의 재조합 발현 벡터로 형질전환된 대장균을 배양하는 단계를 포함하는 본 발명의 단백질을 생산하는 방법을 제공한다. 대장균을 배양하는데 필요한 배지, 배양 온도, 배양 시간 등은 당업계에 주지된 방법을 이용한다.In order to achieve another object of the present invention, the present invention provides a method for producing a protein of the present invention comprising the step of culturing E. coli transformed with the recombinant expression vector of the present invention. The medium, incubation temperature, incubation time, etc. required for culturing E. coli utilize methods well known in the art.

본 발명의 또 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 상기 방법에 의해 생산된 말토올리고실트레할로스 합성가수분해효소(MhMTSHase) 단백질을 제공한다. 제작된 융합유전자를 대장균에서 발현시키고, 대장균을 용해(lysis)한 후 SDS-PAGE 전기영동을 이용하여 융합효소단백질(MhMTSHase)이 생합성 됨을 확인하였다(도 2). 그리고 말토펜타오스(G5)를 기질로 사용하여 대장균 용해액 (total fraction)과 반응시킨 후, 얇은막크로마토그래피(thin layer chromatography, TLC)와 HPIC(high pH ion chromatography)로 분석하여 트레할로스가 생산됨을 확인하였다(도 3).In order to achieve another object of the present invention, the present invention provides a maltooligosiltrehalose synthetase (MhMTSHase) protein produced by the above method. The produced fusion gene was expressed in E. coli, and after lysis (E. coli), it was confirmed that the fusion enzyme protein (MhMTSHase) biosynthesis using SDS-PAGE electrophoresis (Fig. 2). In addition, maltopentaose (G5) was used as a substrate and reacted with the E. coli lysis (total fraction), and then analyzed by thin layer chromatography (TLC) and HPIC (high pH ion chromatography) to produce trehalose. It was confirmed (FIG. 3).

이 융합효소단백질은 내열성이 매우 높은 것으로 분석되었다. 이 융합효소단백질의 트레할로스 합성반응 최적온도는 65-75°C로 밝혀졌으며, 최적산도(pH)는 pH 5.0-6.0으로 나타났다(도 4). 그리고 융합효소단백질를 여러 온도에서 30분간의 사전 저장한 후 70°C, pH 5.5에서 효소반응을 실시한 결과 70°C까지의 사전 저장에 의해 활성의 변화가 없었고, 80°C이상의 경우부터 크게 감소하는 것으로 나타 났다(도 5). 70°C에서 48시간 저장시 효소활성이 78% 정도 유지되고 있다.This fusion enzyme protein was analyzed to be very heat resistant. The optimum temperature of trehalose synthesis reaction of this fusion enzyme protein was found to be 65-75 ° C, the optimum pH (pH) was found to be pH 5.0-6.0 (Fig. 4). After the pre-storage of the fusion enzyme protein at various temperatures for 30 minutes, the enzyme reaction was carried out at 70 ° C and pH 5.5. It was shown (Fig. 5). The enzyme activity is maintained at 78% when stored for 48 hours at 70 ° C.

본 발명의 또 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 상기 방법에 의해 생산된 말토올리고실트레할로스 합성가수분해효소(MhMTSHase) 단백질에 기질을 첨가하여 반응하는 단계를 포함하는 트레할로스를 생산하는 방법을 제공한다. 상기 생산 방법에서, 상기 기질은 수용성 전분 또는 액상 옥수수 전분일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 또한, 상기 반응은 65-75℃의 온도 및 5.0-6.0의 pH에서 수행될 수 있다. 발현된 내열성 융합효소단백질의 트레할로스 합성능을 검정하기 위하여 여러 가지 말토올리고당을 기질로 하여 트레할로스 합성반응을 실시하였다. 그 결과, 내열성 융합효소단백질은 여러 가지 말토올리고당으로부터 트레할로스를 생산하는 것을 확인할 수 있었다(도 6).In order to achieve another object of the present invention, the present invention provides a method for producing trehalose comprising the step of reacting by adding a substrate to maltooligosiltrehalose synthase (MhMTSHase) protein produced by the above method do. In the production method, the substrate may be, but is not limited to, water soluble starch or liquid corn starch. In addition, the reaction can be carried out at a temperature of 65-75 ℃ and pH of 5.0-6.0. In order to assay the trehalose synthesis ability of the expressed heat-resistant fusion enzyme protein, trehalose synthesis reaction was carried out using various maltooligosaccharides as substrates. As a result, it was confirmed that the heat-resistant fusion enzyme protein produced trehalose from various maltooligosaccharides (FIG. 6).

트레할로스 생산에 산업적으로 이용이 가능한 기질로서 자연계에 가장 풍부한 말토당류(maltodextrin)은 전분(starch)이다. 융합효소단백질의 수용성 전분을 기질로 하고 트레할로스를 생산하는 것을 확인하였다(도 7).Maltodextrin, the most abundant in nature as an industrially available substrate for trehalose production, is starch. Water-soluble starch of the fusion enzyme protein as a substrate was confirmed to produce trehalose (Fig. 7).

또한, 본 발명은 상기 트레할로스를 생산하는 방법에 의해 생산된 트레할로스를 제공한다.The present invention also provides trehalose produced by the method of producing trehalose.

이하, 본 발명은 실시예를 통하여 보다 상세히 설명하나 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지는 않는다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the scope of the present invention is not limited by these Examples.

<실시예 1> 트레할로스 생합성 유전자의 융합Example 1 Fusion of Trehalose Biosynthesis Gene

메탈로스패라 하코네시스(Metallosphaera hakonesis, JCM 8857)로부터 분리된 두 개의 내열성 트레할로스 생합성 관련 유전자(Seo et al., J. Microbiol . Biotechnol . 29(1), in print, 2007)인 MhMTS (GenBank accession number AY444508)와 MhMTH (GenBank accession number AY444509)를 유전자 재조합(recombination) 기술을 이용하여 하나의 융합유전자(fusion gene) MhMTSH로 연결하였다. 두 개의 유전자가 중첩되지 않는 하나의 융합유전자로 제조하기 위하여 도 1에 나타낸 것과 같은 올리고뉴클레오티드 프라이머를 합성하고, 중합효소반응 (polymerase chain reaction, PCR)을 실시하였다. 도 1에 표시한 4 개의 올리고뉴클레오티드 프라이머들의 염기서열은 아래와 같다. Metallosphaera hakonesis, two heat resistant trehalose biosynthesis genes isolated from JCM 8857) (Seo et al. , J. Microbiol. Biotechnol. 29 (1), in print, 2007) of MhMTS (GenBank accession number AY444508) and MhMTH (GenBank accession number AY444509) was linked to one fusion gene, MhMTSH , using gene recombination technology. Oligonucleotide primers such as those shown in FIG. 1 were synthesized to produce one fusion gene in which two genes do not overlap, and a polymerase chain reaction (PCR) was performed. The base sequences of the four oligonucleotide primers shown in FIG. 1 are as follows.

프라이머 1 : 5'-CGGAAAGAATTC ATGCTAGTCGCAACCTAT-3'(서열번호 3)Primer 1: 5'-CGGAAA GAATTC ATG CTAGTCGCAACCTAT-3 '(SEQ ID NO: 3)

프라이머 2 : 5'-GAATTTGCGCCAAACAT ACCTTTCATCAAAACC-3'(서열번호 4)Primer 2: 5'-GAATTTGCGCCAAA CAT ACC TTTCATCAAAACC-3 '(SEQ ID NO: 4)

프라이머 3 : 5'-GGTTTTGATGAAAGGT ATGTTTGGCGCAAATTC-3'(서열번호 5)Primer 3: 5'-GGTTTTGATGAAA GGT ATG TTTGGCGCAAATTC-3 '(SEQ ID NO: 5)

프라이머 : 5'-CGGAAAGAATTCTTAGGTTTCCTCAACCTC-3‘(서열번호 6)Primer: 5'-CGGAAA GAATTC TTAGGTTTCCTCAACCTC-3 '(SEQ ID NO: 6)

프라이머 1은 MhMTS 유전자 ORF (open reading frame)의 번역개시 코돈인 ATG(굵은 문자로 표시)를 포함한 5‘쪽 서열을 넣었는데, 앞부분에 EcoRI 제한효소 인지서열(밑줄로 표시)을 첨가하였다. 프라이머 3은 MhMTH 유전자 ORF의 5’에 상응하는 부분을 넣었는데, 앞부분에 MhMTS 유전자의 ORF에서 번역정지 코돈 TAA를 제외한 3‘쪽 서열을 첨가하였다. 프라이머 2는 프라이머 3의 상보적인 염기서열로 제작하였다. 프라이머 4는 MhMTH 유전자 ORF의 3’쪽 서열의 상보적 서열을 넣었는데, MhMTH 유전자의 번역정지 코돈 TAA 바로 다음에 EcoRI 제한효소 인지서열(밑줄로 표시)을 첨가하였다.Primer 1 contained a 5 'sequence including ATG (in bold), a translation start codon of the MhMTS gene ORF (open reading frame), and an Eco RI restriction enzyme recognition sequence (underlined) was added to the front. Primer 3 was added to the p sequence, except for three translation stop codon TAA in the ORF of gene MhMTS, the front part I put the portions corresponding to "the 5 MhMTH gene ORF. Primer 2 was prepared with the complementary nucleotide sequence of primer 3. Primer 4 contained the complementary sequence of the 3 'side of the MhMTH gene ORF, and immediately after the translational stop codon TAA of the MhMTH gene, an Eco RI restriction enzyme recognition sequence (underlined) was added.

MhMTS 유전자를 주형으로 하여 프라이머 1과 프라이머 2를 가지고 PCR을 수행하여, 5‘쪽에 EcoRI 인지서열을 가지며 3’쪽에 MhMTH의 5‘쪽 일부분이 연결된 DNA 절편(fragment)를 얻었다. MhMTH 유전자를 주형으로 하여 프라이머 3과 프라이머 4를 가지고 PCR을 수행하여, 5’쪽에 MhMTS의 3‘쪽 일부분과 3‘쪽에 EcoRI이 연결된 DNA 절편(fragment)를 얻었다. 두 PCR 산물은 3’쪽과 5‘쪽에 서로 상보적인 33개의 염기서열을 갖게 된다.PCR was performed with primers 1 and 2 using the MhMTS gene as a template to obtain a DNA fragment having an Eco RI recognition sequence on the 5 'side and a 5' portion of the MhMTH on the 3 'side. PCR was carried out using primers 3 and 4 using the MhMTH gene as a template to obtain DNA fragments in which a portion of MhMTS 3 'on the 5' side and Eco RI were connected to the 3 'side. The two PCR products have 33 sequences complementary to each other on the 3 'and 5' sides.

각각의 PCR 산물을 혼합한 후, 프라이머 1과 프라이머 4를 이용하여 다시 한번 PCR 하여 MhMTSH 융합유전자를 제조하였다. 가열(boiling)에 의해 PCR 산물의 두 가닥을 변성(denaturation)하고 냉각하여 다시 어닐링(reannealing)시키면 MhMTS의 3’쪽과 MhMTH의 5‘쪽 공통된 염기서열이 상보적으로 결합한 형태를 얻을 수 있다. 이를 Taq DNA 중합효소에 의해 완전한 두 가닥의 DNA로 만들고, 프라이머 1과 프라이머 4를 이용하여 PCR 증폭하여 MhMTSH 융합유전자를 제조하였다.After the PCR products were mixed, PCR was further performed using primers 1 and 4 to prepare MhMTSH fusion genes. By denaturing the two strands of the PCR product by heating, cooling, and reannealing again, a common nucleotide sequence of the 3 'side of MhMTS and the 5' side of MhMTH can be obtained. This was made into two complete DNA strands by Taq DNA polymerase, and PCR amplification using primers 1 and 4 to prepare a MhMTSH fusion gene.

MhMTSH 융합유전자는 서열번호 1로 표시되는 염기서열을 갖게 되며, MhMTS 유전자의 번역종결부위가 없어지고 MhMTS의 마지막 아미노산 다음에 MhMTH 유전자의 번역개시부위가 연결되어 있는 융합유전자의 구조를 가진다. 제조한 트레할로스 생합성효소 융합유전자의 구조유전자 부분은 3,816 bp이며, 두 개의 효소 단백질이 융합된 형태로 암호화하고 있다. 융합유전자의 첫 번째 유전자 부위는 말토올리고실트레할로스 합성효소 유전자(MhMTS) 부분이고, 두 번째 유전자 부위는 말토올리고실트레할로스 가수분해효소 유전자(MhMTH)이다. MhMTSH fusion gene will have the nucleotide sequence shown in SEQ ID NO: 1, has the structure of a fusion gene with a translation termination site of the gene MhMTS is gone and the translation start site of the gene MhMTH connected to the last amino acid of the following MhMTS. The structural gene portion of the prepared trehalose biosynthetic enzyme fusion gene is 3,816 bp, encoding the two enzyme proteins in the fused form. The first gene region of the fusion gene is the maltooligosiltrehalose synthase gene ( MhMTS ) portion, and the second gene region is the maltooligosiltrehalose hydrolase gene ( MhMTH ).

<실시예 2> MhMTSHase 융합효소단백질의 생합성Example 2 Biosynthesis of MhMTSHase Fusionase Protein

MhMTSH 융합유전자를 대장균 발현벡터 pRSET-B (Invitrogen Inc.)에 삽입하여 DNA construct (pRMhMTSH)를 제작하였다. 제조한 융합유전자를 삽입한 재조합 플라스미드 pRMhMTSH를 대장균 BL21에 전이(transformation)하고, 12시간 배양한 후, IPTG (isopropyl-β-D-thiogalactoside)를 최종농도 0.7 mM이 되도록 첨가하고 4시간 더 배양하여 융합 효소단백질의 발현을 유도하였다. The DNA construct (pRMhMTSH) was prepared by inserting the MhMTSH fusion gene into E. coli expression vector pRSET-B (Invitrogen Inc.). The recombinant plasmid pRMhMTSH containing the prepared fusion gene was transformed into Escherichia coli BL21, incubated for 12 hours, and then IPTG (isopropyl-β-D-thiogalactoside) was added to a final concentration of 0.7 mM and further cultured for 4 hours. Expression of the fusion enzyme protein was induced.

도 2는 발현된 융합효소단백질을 SDS-PAGE 전기영동하여 확인한 결과이다. 도 2의 M은 단백질 분자량 마커이고, 도 2의 C는 외래유전자를 포함하지 않은 pRSET-B 플라스미드만을 대장균에서 유도 발현시킨 것이다. 도 2의 T, S는 MhMTSH 유전자를 포함하는 pRMhMTSH 플라스미드를 대장균에서 유도 발현시키고, total fraction (T) 및 soluble fraction (S)으로 분리하여 SDS-PAGE로 분석한 결과이다. Total fraction에서 보듯이, MhMTSH 융합유전자를 포함하는 pRMhMTSH 플라스미드를 대장균에서 유도 발현시킨 경우, MhMTSHase 융합효소단백질은 특이적으로 다량 발현되었다.Figure 2 is the result confirmed by SDS-PAGE electrophoresis of the expressed fusion enzyme protein. 2, M is a protein molecular weight marker, and C in FIG. 2 is induced expression of only pRSET-B plasmid containing no foreign gene in E. coli. T and S of FIG. 2 are pRMhMTSH plasmids containing the MhMTSH gene in E. coli, induced expression, and separated into total fraction (T) and soluble fraction (S) and analyzed by SDS-PAGE. As shown in the total fraction, when the pRMhMTSH plasmid containing the MhMTSH fusion gene was induced in E. coli, the MhMTSHase fusion enzyme protein was expressed in large quantities.

제조한 트레할로스 생합성효소 융합유전자로부터 생산되는 융합효소단백질은 아미노산 1,271개로 구성된 약 147.5 kDa의 분자량을 갖는 말토올리고실트레할로스 합성가수분해효소(MhMTSHase)이다. 이 융합효소 단백질의 아미노산 서열은 서열번호 2로 표시하였다.The fusion enzyme protein produced from the prepared trehalose biosynthesis fusion gene is maltooligosiltrehalose synthase (MhMTSHase) having a molecular weight of about 147.5 kDa composed of 1,271 amino acids. The amino acid sequence of this fusion enzyme protein is shown by SEQ ID NO.

<실시예 3> MhMTSHase 융합효소단백질의 효소활성 검증Example 3 Verification of Enzyme Activity of MhMTSHase Fusion Enzyme Protein

대장균에서 발현시킨 MhMTSHase 융합효소단백질의 트레할로스 합성능을 알아보기 위하여 다섯 개의 포도당(glucose)이 연쇄하여 연결된 말토펜타오스(maltopentaose, G5)를 기질로 하여 트레할로스 합성실험을 실시하였다. 반응조건은 20 mM 아세트산나트륨 완충용액(pH 5.5) 조건 하에서 말토펜타오스를 5 mM의 농도로 조절하고, 초음파로 파쇄한 대장균 조효소(total fraction) 용액(lysate) 10 μl를 첨가하여 전체 반응부피를 50 μl로 하였다. 이를 70℃에서 1시간 반응시키고, 100℃에서 10분 동안 처리하여 반응을 종결하였다.To investigate the trehalose synthesis ability of the MhMTSHase fusion enzyme protein expressed in E. coli, trehalose synthesis experiments were carried out using maltopentaose (G5) linked with five glucose chains. The reaction conditions were adjusted to a concentration of 5 mM maltopentaose under 20 mM sodium acetate buffer (pH 5.5) and 10 μl of the total fraction of Escherichia coli co-enzyme (lysate) was added to the total reaction volume. 50 μl. It was reacted at 70 ° C. for 1 hour and treated at 100 ° C. for 10 minutes to terminate the reaction.

도 3은 말토펜타오스를 기질로 하여 트레할로스 합성실험을 실시한 후 얇은막크로마토그래피 방법 및 HPIC에 의해 트레할로스 합성을 확인한 결과이다. 도 3의 M은 기준물질(standard)로서 글루코스(glucose, G1), 트레할로스(trehalose, T), 말토오스(maltose, G2), 말토트리오스(maltotriose, G3), 말토테트라오스(maltotetraose, G4), 말토펜타오스(maltopentaose, G5), 말토헥사오스(maltohexaose, G6), 말토헵타오스(maltoheptaose, G7)의 혼합물이다. 도 3의 T 와 S는 도 2의 total fraction (T)과 total fraction을 원심분리하여 얻은 soluble fraction (S)을 각각 이용하여, 말토펜타오스를 기질로 사용하면서 트레할로스 합성실험을 실시한 결과이다. 이 실험에서 MhMTSHase 융합효소단백질이 말토펜타오스를 기질로 이용하여 트레할로스를 생산하는 것을 확인하였다. 3 is a result of confirming trehalose synthesis by thin layer chromatography method and HPIC after conducting trehalose synthesis experiment using maltopentaose as a substrate. 3, M is a standard (glucose, G1), trehalose (trehalose, T), maltose (G2), maltotriose (G3), maltotetraose (maltotetraose (G4), It is a mixture of maltopentaose (G5), maltohexaose (G6), maltoheptaose (G7). Figure 3 T and S are the results of the trehalose synthesis experiment using maltopentaose as a substrate using the total fraction (T) and the soluble fraction (S) obtained by centrifuging the total fraction of Figure 2, respectively. In this experiment, it was confirmed that MhMTSHase fusion enzyme protein produces trehalose using maltopentaose as a substrate.

이 실험에서 트레할로스 뿐 아니라 여러 길이의 당류가 잔여하게 되는 것은 기질의 길이가 짧아지면서 이당류인 말토오스(maltose, G2) 또는 삼당류인 말토트리오스(maltotriose, G3)가 되면 더 이상 효소반응의 기질로 사용되는 효율이 저하되기 때문이다(실시예 5, 도 6 참조). 그러므로 전분 (starch) 등 긴 사슬의 포도당 중합체를 기질로 사용하면 이들 잔여 다당류의 비율을 최소화할 수 있게 된다(실시예 6, 도 7 참조).In this experiment, not only trehalose but also sugars of various lengths remain shortened as the length of the substrate becomes shorter, and the disaccharide maltose (G2) or trisaccharide maltotriose (G3) is no longer used as a substrate for enzymatic reaction. This is because the efficiency to be lowered (see Example 5, Fig. 6). Therefore, the use of long chain glucose polymers such as starch as a substrate can minimize the proportion of these residual polysaccharides (see Example 6, Figure 7).

<실시예 4> MhMTSHase 융합효소단백질의 내열성 및 활성 최적조건<Example 4> Optimum conditions for heat resistance and activity of MhMTSHase fusion enzyme protein

MhMTSHase 융합효소단백질의 기본 반응조건을 조사하였다. 먼저 20 mM 아세트산나트륨 완충용액을 사용하여 산도(pH)를 5.5로 설정하고 1 mM의 말토펜타오스를 기질로 하여 반응을 실시하면서 효소특성을 조사하였다. 초음파로 파쇄한 대장균 조효소(total fraction) 용액 10 μl를 첨가하여 전체 반응부피를 50 μl로 하였다. 이를 1시간 반응시키고, 100°C에서 10분 동안 처리하여 반응을 종결하였다.Basic reaction conditions of MhMTSHase fusion enzyme protein were investigated. First, the acidity (pH) was set to 5.5 using 20 mM sodium acetate buffer and 1 mM maltopentaose was used as a substrate. The total reaction volume was made 50 μl by adding 10 μl of the ultrasonically disrupted E. coli coenzyme (total fraction) solution. It was reacted for 1 hour and treated at 100 ° C. for 10 minutes to terminate the reaction.

온도를 변화하면서 실시한 실험에서, MhMTSHase 융합효소단백질의 트레할로스 합성반응 최적온도는 70°C 전후로 밝혀졌으며, 최적산도(pH)는 pH 5.0-6.0으로 나타났다(도 4). 이 실험에서 산도 조절을 위한 완충용액으로서, 0.1 M McIlvaine 완충액 (pH 4-5), 0.1 M 인산나트륨 완충액 (pH 5-8), 그리고 0.1 M 중탄산나트륨 완충액 (pH 8-9)를 각각 사용하였다.In experiments with varying temperatures, the optimum temperature for trehalose synthesis of MhMTSHase fusion enzyme protein was found to be around 70 ° C, and the optimum acidity (pH) was found to be pH 5.0-6.0 (Figure 4). In this experiment, 0.1 M McIlvaine buffer (pH 4-5), 0.1 M sodium phosphate buffer (pH 5-8), and 0.1 M sodium bicarbonate buffer (pH 8-9) were used as buffers for pH control. .

그리고 융합효소단백질을 여러 온도에서 30분 간의 사전 저장한 후 70°C, pH 5.5에서 효소반응을 실시한 한 결과, 70°C까지의 사전 저장에 의해 활성에 의미 있는 변화가 없었고, 80°C이상의 경우부터 크게 감소하는 것으로 나타났다(도 5). 그리고 70°C에서 48시간 저장시 효소활성이 78% 정도 유지되고 있다. 그러므로 고온균에서 분리한 두 유전자를 융합하여 제작한 MhMTSHase 융합효소단백질은 융합 전 각각의 유전자로부터 생성되는 각각의 효소단백질이 가진 내열성(Seo et al., J. Microbiol . Biotechnol . 29(1), in print, 2007)을 그대로 보존하고 있는 것으로 나타났다.After pre-storing the fusion enzyme protein at various temperatures for 30 minutes, the enzyme reaction was carried out at 70 ° C and pH 5.5.Therefore, there was no significant change in activity by pre-storage up to 70 ° C. From the case it was shown to decrease significantly (Fig. 5). And the enzyme activity is maintained about 78% when stored for 48 hours at 70 ° C. Therefore, the MhMTSHase fusion enzyme protein produced by fusion of two genes isolated from high temperature bacteria has the heat resistance of each enzyme protein produced from each gene before fusion (Seo et al., J. Microbiol . Biotechnol . 29 (1), in print, 2007).

<실시예 5> MhMTSHase 융합효소단백질을 이용한 트레할로스 합성의 기질 특이성 조사<Example 5> Substrate specificity of trehalose synthesis using MhMTSHase fusion enzyme protein

MhMTSHase 융합효소단백질의 트레할로스 합성의 기질 특이성을 알아보기 위하여 여러 가지 말토올리고당을 기질로 하여 트레할로스 합성실험을 실시하였다. 반응조건은 20 mM 아세트산나트륨 완충용액(pH 5.5) 조건하에서 여러 가지 길이의 말토올리고당을 1 mM의 농도로 각각 첨가하고 초음파로 파쇄한 대장균 조효소(total fraction) 용액 10 μl를 첨가하여 전체 반응부피를 50 μl로 하였다. 이 를 70℃에서 1시간 반응시키고, 100°C에서 10분 동안 처리하여 반응을 종결하였다.To investigate the substrate specificity of trehalose synthesis of MhMTSHase fusion enzyme protein, trehalose synthesis experiments were conducted using various maltooligosaccharides as substrates. Under the conditions of 20 mM sodium acetate buffer (pH 5.5), maltooligosaccharides of various lengths were added at a concentration of 1 mM, and 10 μl of the total fraction of Escherichia coli co-enzyme was added. 50 μl. It was reacted at 70 ° C. for 1 hour and treated at 100 ° C. for 10 minutes to terminate the reaction.

도 6은 여러 가지 말토올리고당을 기질로 하여 트레할로스 합성실험을 실시한 후 얇은막크로마토그래피 방법에 의해 트레할로스 합성을 확인한 결과이다. 도 6의 M은 기준물질(standard)로서 글루코스(glucose, G1), 트레할로스(trehalose, T), 말토오스(maltose, G2), 말토트리오스(maltotriose, G3), 말토테트라오스(maltotetraose, G4), 말토펜타오스(maltopentaose, G5), 말토헥사오스(maltohexaose, G6), 말토헵타오스(maltoheptaose, G7)의 혼합물이다. 도 6의 T3부터 T7까지는 각각 말토트리오스, 말토테트라오스, 말토펜타오스, 말토헥사오스, 말토헵타오스를 각각 기질로 사용하여 트레할로스 합성실험을 실시한 결과이다. 도 6에서 보듯이 MhMTSHase 융합효소단백질은 말토펜타오스 뿐만 아니라 여러 가지 말토올리고당을 기질로 이용하여 트레할로스를 생산하는 것을 확인하였다.6 is a result of confirming trehalose synthesis by a thin layer chromatography method after the trehalose synthesis experiment using a variety of maltooligosaccharide as a substrate. 6, M represents glucose (glucose, G1), trehalose (T), maltose (G2), maltotriose (G3), maltotetraose (maltotetraose, G4), It is a mixture of maltopentaose (G5), maltohexaose (G6), maltoheptaose (G7). From T3 to T7 of FIG. 6, maltotriose, maltotetraose, maltopentaose, maltohexaose and maltoheptaose are the results of trehalose synthesis experiments, respectively. As shown in FIG. 6, the MhMTSHase fusion enzyme protein was confirmed to produce trehalose using maltopentaose as well as various maltooligosaccharides as a substrate.

<실시예 6> MhMTSHase 융합효소단백질을 이용한 수용성 전분으로부터의 트레할로스 합성Example 6 Trehalose Synthesis from Water Soluble Starch Using MhMTSHase Fusion Enzyme Protein

전분(starch)은 트레할로스 생산에 산업적으로 이용이 가능한 기질로서 자연계에 가장 풍부한 말토당류(maltodextrin)이다. 수용성 전분을 기질로 하고 본 발명에서 개발한 융합효소단백질을 이용하여 트레할로스를 생산할 수 있는지 확인하였다.(도 7). 1% 수용성 전분을 20 mM 아세트산나트륨 완충용액(pH 5.5)에 첨가하 고 초음파로 파쇄한 대장균 조효소(total fraction) 용액 10 μl를 첨가하여 전체 반응부피를 50 μl로 하였다. 이를 70℃에서 반응시키고, 1~24 시간 별로 100°C에서 10분 동안 처리하여 반응을 종결하였다.Starch is the most abundant maltodextrin in the natural world as an industrially available substrate for trehalose production. Using water soluble starch as a substrate, it was confirmed whether trehalose can be produced using the fusion enzyme protein developed in the present invention (FIG. 7). 1% water-soluble starch was added to 20 mM sodium acetate buffer (pH 5.5), and 10 μl of the solubilized E. coli coenzyme (total fraction) solution was added to make the total reaction volume 50 μl. This was reacted at 70 ° C., and treated at 100 ° C. for 10 minutes for 1 to 24 hours to terminate the reaction.

도 7에서 보듯이, 반응시간이 길어질수록 트레할로스의 생산이 증가하였다. 전분은 긴사슬의 말토다당류(maltodextrin)이므로 트레할로스를 한 분자를 생산하는 각 단계 마다 새로운 기질을 끊임없이 제공한다는 것이다. 그리고 전분 거대분자에는 많은 사슬의 말토소당류(maltooligosaccharide)가 분지(branching)되어 있어 많은 효소반응이 동시에 일어날 수 있다.As shown in Figure 7, the longer the reaction time, the production of trehalose increased. Starch is a long chain maltodextrin, which constantly provides new substrates for each step of producing one molecule of trehalose. In addition, many starch macromolecules (maltooligosaccharides) are branched to the starch macromolecule, so that many enzymatic reactions can occur simultaneously.

실험 목적 상, 말토펜타오스 등의 소당류를 사용할 경우 분석에서 나타난 이당류인 말토오스(maltose, G2) 또는 삼당류인 말토트리오스(maltotriose, G3) 등의 부산물은, 전분을 기질로 사용될 때는 거의 나타나지 않았다 (도 7). 그리고 대장균을 용해(lysis)하여 얻은 조효소제(total fraction)을 사용하더라도 반응을 고온에서 진행할 수 있어, 대장균이 자체적으로 생산한 당류가공 효소단백질(sugar-modifying enzymes)들을 열변성시켜 불활성화함으로써 불필요한 부산물의 생산을 극소화할 수 있음이 증명되었다(도 7).For experimental purposes, by-products such as maltose (G2), which is a disaccharide, and maltotriose (G3), which are trisaccharides, were rarely found when using starch as a substrate. (FIG. 7). And even when using a total fraction obtained by lysis of E. coli, the reaction can proceed at high temperature, which is unnecessary by inactivating heat-denatured sugar-modifying enzymes produced by E. coli. It was demonstrated that the production of by-products can be minimized (FIG. 7).

본 발명에 따르면, 본 발명은 메탈로스패라 하코네시스 (Metallosphaera hakonesis, JCM 8857)에서 트레할로스 생합성효소를 암호화하는 두 개의 유전자를 융합한 새로운 융합유전자 및 그로부터 합성되는 새로운 내열성 트레할로스 생합성 융합효소단백질에 관한 것이다. 본 발명에서 제조한 융합유전자 및 그로부터 번역 되어 생성되는 융합효소단백질은 자연에 존재하지 않는 새로운 것이고, 기존에 보고된 두 가지 효소를 이용하여 트레할로스를 생합성하는 방법을 개선하여 두 가지 반응을 동시에 할 수 있는 새로운 효소 제재를 제공하고 있다. According to the present invention, the present invention is a metallospera Hakonesis (Metallosphaera hakonesis, JCM 8857), a new fusion gene fusion of two genes encoding trehalose biosynthesis and a new heat-resistant trehalose biosynthetic fusion enzyme protein synthesized therefrom. The fusion gene prepared in the present invention and the fusion enzyme protein produced therefrom are new ones that do not exist in nature, and two reactions can be simultaneously performed by improving the method of biosynthesizing trehalose using two previously reported enzymes. To provide new enzyme formulations.

본 발명에서 제조한 융합효소단백질은 내열성이 우수한 장점을 갖고 있기 때문에, 수용성 전분(soluble starch) 또는 액상 옥수수 전분(liquefied corn starch) 등의 분해효율을 높일 수 있는 70°C 정도의 고온 조건하에서 반응을 진행함으로써 트레할로스 생산효율을 크게 높일 수 있다. 또한 이 융합효소단백질의 내열성은 효소제재의 보존성을 크게 향상시켜 트레할로스 생산에 소요되는 비용을 절감할 수 있다. 실시예 6(도 7)에서 증명한 바와 같이, 대장균을 용해(lysis)하여 얻은 조효소제(total fraction)을 사용하더라도, 반응을 고온에서 진행할 수 있어 대장균이 자체적으로 생산한 당류가공 효소단백질(sugar-modifying enzymes)들을 열변성을 통하여 불활성화시킴으로써 불필요한 부산물의 생산을 극소화할 수 있다.Since the fusion enzyme protein prepared in the present invention has an advantage of excellent heat resistance, the fusion enzyme protein is reacted under high temperature conditions of about 70 ° C. to increase the decomposition efficiency of soluble starch or liquefied corn starch. By proceeding trehalose production efficiency can be significantly increased. In addition, the heat resistance of the fusion enzyme protein can greatly improve the preservation of the enzyme preparation can reduce the cost of trehalose production. As demonstrated in Example 6 (FIG. 7), even when using a total fraction obtained by dissolving E. coli, the reaction can proceed at a high temperature so that E. coli produced a self-producing sugar protein (sugar) Inactivating -modifying enzymes through thermal denaturation can minimize the production of unwanted byproducts.

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Claims (13)

서열번호 2의 아미노산 서열을 가지는, 메탈로스패라 하코네시스 (Metallosphaera hakonesis, JCM 8857) 유래 말토올리고실트레할로스 합성가수분해효소(MhMTSHase) 단백질. Metallospara Hakonesis having the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 (Metallosphaera hakonesis, JCM 8857) derived maltooligosiltrehalose synthetic hydrolase (MhMTSHase) protein. 제1항의 MhMTSHase 단백질을 코딩하는 MhMTSH 유전자.MhMTSH encoding the MhMTSHase protein of claim 1 gene. 제2항에 있어서, 서열번호 1의 염기 서열을 가지는 MhMTSH 유전자.The MhMTSH of claim 2 having a nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1 gene. 삭제delete 제2항 또는 제3항의 MhMTSH 유전자를 포함하는 재조합 발현 벡터. MhMTSH of claim 2 or 3 Recombinant expression vector comprising a gene. 제5항의 재조합 발현 벡터로 형질전환된 대장균.Escherichia coli transformed with the recombinant expression vector of claim 5. 제6항의 대장균을 배양하는 단계를 포함하는 제1항의 단백질을 생산하는 방법.The method of producing the protein of claim 1 comprising culturing the E. coli of claim 6. 제7항의 방법에 의해 생산된 말토올리고실트레할로스 합성가수분해효소(MhMTSHase) 단백질.Maltooligosiltrehalose synthase (MhMTSHase) protein produced by the method of claim 7. 제8항에 있어서, 상기 단백질의 최적 온도는 65-75℃이며, 최적 pH는 5.0-6.0인 것을 특징으로 하는 단백질.The protein of claim 8, wherein the optimal temperature of the protein is 65-75 ° C. and the optimal pH is 5.0-6.0. 제8항의 단백질에 기질을 첨가하여 반응하는 단계를 포함하는 트레할로스를 생산하는 방법.A method of producing trehalose comprising the step of adding a substrate to the protein of claim 8 for reaction. 제10항에 있어서, 상기 기질은 수용성 전분 또는 액상 옥수수 전분인 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 10 wherein the substrate is water soluble starch or liquid corn starch. 제10항에 있어서, 상기 반응은 65-75℃의 온도 및 5.0-6.0의 pH에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 10, wherein the reaction is carried out at a temperature of 65-75 ° C. and a pH of 5.0-6.0. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항의 방법에 의해 생산된 트레할로스.A trehalose produced by the method of any one of claims 10-12.
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