본 발명의 제1면은 초고온성 단백질분해효소를 생산하는 지오바실러스 카우스토필러스 C-2(KACC 91153P) 균주에 관한 것이다.
본 발명의 제2면은 초고온성 단백질분해효소를 생산하는 지오바실러스 카우스토필러스 C-2(KACC 91153P) 균주의 배양물에 관한 것이다.
본 발명의 제3면은
1) 지오바실러스 카우스토필러스 C-2(KACC 91153P) 균주를 배양하여 배양물을 수득하고;
2) 상기 배양물로부터 초고온성 단백질분해효소를 수득하는:
단계를 포함하는, 초고온성 단백질분해효소의 생산방법에 관한 것이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명자들은 축산농가의 퇴비로부터 특정의 미생물 균주(C-2 균주)를 분리해내었다. 상기 C-2 균주는 최적생육온도(optimum growth temperature: O.G.T)가 60 ℃로, 90 ℃ 이상의 초고온에서도 생육가능한 초고온균으로 확인되었다. C-2 균주는 탈지유(1%) 배지에서 투명환을 형성하여 단백질분해효소를 생성하는 것으로 확인되었다. 이에 단백질분해효소의 활성도, 기질에 대한 온도별 특성, 온도 안정성, 계면활성제에 대한 특성 및 금속이온에 대한 특성을 조사하고 아래와 같은 결과를 얻었다.
① 단백질분해효소의 활성도
C-2 균주를 60 ℃, 80 ℃, 90 ℃ 및 100 ℃의 온도에서 배양한 후 조효소를 추출하고 단백질분해효소의 활성도를 측정한 결과, C-2 균주를 90 ℃에서 배양하여 추출한 단백질분해효소의 활성이 가장 높은 것으로 나타났다. 따라서 C-2 균주를 85~95 ℃, 특히 90 ℃의 온도에서 배양하여 조효소를 추출하여 사용하는 것이 가장 높은 활성도를 얻을 수 있다는 점에서 바람직하다.
② 단백질분해효소의 기질에 대한 온도별 특성
90 ℃에서 추출한 조효소가 기질 반응도가 가장 높으며 35~90 ℃에서 일정한 반응도를 나타내는 것으로 확인되었다.
③ 단백질분해효소의 온도 안정성
90 ℃에서 추출한 단백질분해효소의 경우 35~90 ℃ 범위 내에서 매우 안정적인 높은 활성을 나타내며, 100 ℃에서 추출한 단백질분해효소의 경우 100 ℃까지 온도 안정성을 갖는 것으로 확인되었다. 상기 결과로부터 C-2 균주가 생성하는 단백질분해효소는 초고온성 단백질분해효소임이 확인되었다.
④ 단백질분해효소의 계면활성제에 대한 특성
90 ℃에서 추출한 단백질분해효소는 이온성 계면활성제(예: EDTA, SDS)의 경우 농도가 증가할수록 활성이 증가하는 반면, 비이온성 계면활성제(예: Triton X-100, Tween 80)는 농도가 증가할수록 활성이 감소하는 경향을 나타내었다.
⑤ 단백질분해효소의 금속이온에 대한 특성
90 ℃에서 추출한 단백질분해효소는 망간(Mn2+) 존재 하에서 200% 이상의 효소 활성 증가를 나타내었다.
한편, 본 발명에 따른 초고온성 단백질분해효소를 생산하는 C-2 균주를 분류·동정하기 위하여, 형태학적 특징 조사, 균체 지방산 조성 및 퀴논종 분석, 16S rDNA 염기서열 분석 및 DNA-DNA 상동성 분석을 실시하고 아래와 같은 결과를 얻었다.
① 형태학적 특징 조사
C-2 균주는 그램 양성, 간상(길이 2.5 ㎛, 두께 0.5 ㎛)의 형태를 나타내며, 포자를 형성하는 유포자 세균이었다. 콜로니는 백색 또는 크림색을 나타내고 불규칙한 형태를 나타내었다.
② 균체지방산 조성 및 퀴논종 분석
C-2 균주의 주요 지방산은 이소-15:0(54.61%), 이소-16:0(13.37%), 이소-17:0(16.59)으로 총 지방산 중 84.6%를 차지하여 기지의 지오바실러스 종과 공통의 특징을 나타내었다. 퀴논종은 메나퀴논(MK)-7을 나타내어 C-2 균주는 지오바실러스 속에 속하는 특징을 나타내었다.
③ 16S rDNA 염기서열 분석
C-2 균주의 16S rDNA 염기서열을 분석한 결과 C-2 균주는 지오바실러스 속에 속하는 균주임이 확인되었다. 특히 지오바실러스 써모레오보란스(Geobacillus thermoleovorans)와 99.05%, 지오바실러스 카우스토필러스와 98.22%의 상동성을 나 타내었다.
④ DNA-DNA 상동성 분석
C-2 균주와 지오바실러스 속의 여러 종의 DNA-DNA 상동성 실험을 실시한 결과, 지오바실러스 카우스토필러스와 80%의 상동성을, 지오바실러스 써모레오보란스와 58%의 상동성을 나타내었다.
상기의 결과로부터 본 발명의 C-2 균주를 '지오바실러스 카우스토필러스'로 동정하고, 2005년 1월 14일자로 농촌진흥청 농업미생물자원센터(KACC)에 기탁완료하고 수탁번호 제KACC 91153P호를 부여받았다.
본 발명에 따른 지오바실러스 카우스토필러스 C-2 균주는 초고온성 단백질분해효소를 생산하므로, 퇴비 제조, 유기성 고형물 처리 등과 같이 고온처리를 필요로 하는 매우 다양한 공정에서 유용하게 활용될 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예에 의해 구체적으로 설명하나, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐 본 발명의 범위를 어떤 식으로든지 제한하고자 하는 것은 아니다,
실시예 1: C-2 균주의 선발
퇴비 시료로는 충청남북도 축산 농가 10개 지역에서 각각 제조한 가축분뇨 퇴비를 채취하여 사용하였다. 각 퇴비 시료를 10 g씩 정량하여 멸균수 90 ㎖에 넣고 균질화기(Ace M-10, Nihonseiki, Japan)로 15,000 rpm에서 2 분간 충분히 분산 시킨 후 9 ㎖ 멸균수가 든 시험관에 넣어 10-5, 10-6, 10-7배로 순차적으로 희석하였다. 순차적으로 희석한 최종 희석수로부터 100 ㎕의 토양시료를 희석한 영양육즙배지(nutrient agar medium)에 각각 분주한 후 평판도말법으로 고르게 도말하였다. 모든 시료는 60 ℃에서 3 일간 배양한 후, 형성된 콜로니를 계수하고 형성된 콜로니로부터 해부현미경(Zoom 2000, Leica)을 이용하여 10개의 퇴비시료에서 균주를 순수 분리하였다. 순수 분리된 세균에 대해 60 ℃에서 단백질 분해능을 조사한 결과, 가장 높은 활성을 나타내는 C-2 균주를 선발하였다.
실시예 2: C-2 균주의 최적생육온도 측정
상기 분리된 C-2 균주의 최적생육온도(O.G.T)를 알아보기 위해 45 ℃~80 ℃ 온도 범위 내에서 생육도(OD595 ㎚)를 측정하였다. 그 결과를 도 1에 나타내었으며, C-2 균주의 최적생육온도는 60 ℃인 것으로 나타났다.
실시예 3: C-2 균주의 초고온에서의 생육능 확인
90 ℃ 이상의 초고온에서 평판배지를 이용하여 생균수를 측정할 경우 고온에서 한천배지가 건조되어 콜로니 형성 확인이 불가능하므로, 본 실시예에서는 Kogure(문헌 [1984, An improved direct viable count method for aquatic bacteria, Arch . Hydrobiol. 102, 117-122])가 제안한 형광현미경을 이용한 직접생균수측정법(direct viable count: DVC)으로 생균수를 측정하였다. 직접생균수 측 정에 사용되는 아크리딘 오렌지(AO) 형광색소보다 DNA에 친화성이 높은 에티디움 브로마이드(EB)를 이용하였다. DVC법에 사용되는 DNA 합성저해제로는 날리딕산(nalidixic acid)(100 ㎍/㎖), 피페미드산(pipemidic acid)(50 ㎍/㎖), 피로미드산(piromidic acid)(50 ㎍/㎖)의 혼합액을 사용하였으며, 영양기질로는 희석육즙배지(10-1 NB)를 첨가하였다.
최적생육온도 60 ℃에서 48 시간 동안 전배양한 C-2 균주 배양액을 90 ℃, 100 ℃ 및 120 ℃에서 2 시간씩 열처리한 후 상기 영양기질과 DNA 합성저해제를 첨가한 후 에티디움 브로마이드(EB)로 염색하여 형광현미경(DMLS, Leica) 하에서 관찰하였다. 이때, 90 ℃, 100 ℃ 및 120 ℃의 열처리 후 생존한 생세포는 유기영양물을 기질로 이용하여 세포합성을 하지만 DNA 합성저해제로 인해 세포분열이 억제되어 신장·비대화되나 열에 의해 사멸한 세포는 신장·비대화되지 않는 차이점으로 생균수와 사균을 판별하여 측정하였다. 생균수는 20개 이상의 화상에서 평균값을 구하였다.
그 결과를 도 2에 나타내었다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 60 ℃에서 생균수는 4.0×106 세포/㎖이었는데 90 ℃에서 2 시간 열처리 후에는 5.8×105 세포/㎖의 생존력을 나타내었고, 100 ℃의 열처리 후 생균수는 2.3×105 세포/㎖, 120 ℃ 열처리 후 1.8×105 세포/㎖의 생존력을 나타내어, C-2 균주는 초고온성 세균임이 확인되었다.
실시예 4: C-2 균주의 단백질분해효소 생성능 조사
탈지유 1%를 기질로 첨가한 영양배지에 C-2 균주를 접종하고 최적생육온도 60 ℃에서 48 시간 배양하면서 단백질분해효소 생성능을 조사하였다. 그 결과를 도 3에 나타내었다. 도 3에 나타난 바와 같이, C-2 균주는 단백질분해효소를 생성하여 5 ㎜ 이상의 커다란 투명환을 형성하였다.
실시예 5: C-2 균주의 단백질분해효소 활성도 측정
C-2 균주를 60 ℃, 80 ℃, 90 ℃ 및 100 ℃의 각 온도에서 배양한 후 조효소를 추출하고 단백질분해효소의 활성도를 Anson의 방법(문헌 [1983, The estimation of pepsin, trypsin, papain, and cathepsin with hemoglobin, The Journal of General Physiology, 79-89])에 따라 측정하였다. 그 결과를 도 4에 나타내었으며, C-2 균주를 90 ℃에서 배양하여 추출한 단백질분해효소의 역가가 105 유닛/㎖로 효소 활성이 가장 높게 나타났다.
실시예 6: 단백질분해효소의 기질에 대한 온도별 특징 조사
단백질분해효소의 기질(Na-카제인)에 대한 온도별 반응도를 조사하기 위하여, 60 ℃, 80 ℃, 90 ℃ 및 100 ℃에서 추출한 조효소를 35 ℃~100 ℃ 범위에서 활성도를 비교하였다. 그 결과를 도 5에 나타내었으며, 90 ℃에서 추출한 조효소가 기질 반응도가 가장 높고 35 ℃~90 ℃에서 일정한 반응도를 나타내며, 100 ℃에 서 추출한 조효소는 90 ℃에서 추출한 조효소 보다 비교적 낮은 기질 반응도를 나타내지만 100 ℃의 고온에서도 기질반응이 일정하게 유지되었다.
실시예 7: 단백질분해효소의 온도 안정성 조사
단백질분해효소의 온도 안정성을 조사하기 위하여, 60 ℃, 80 ℃, 90 ℃ 및 100 ℃에서 추출한 조효소를 35 ℃~100 ℃ 범위에서 온도 안정성을 비교하였다. 그 결과를 도 6에 나타내었다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 90 ℃에서 추출한 단백질분해효소의 경우 35 ℃~90 ℃ 범위 내에서 매우 안정적인 높은 활성을 나타내었으며, 100 ℃에서 추출한 단백질분해효소의 경우 100 ℃까지 온도 안정성을 나타내는 것으로 확인되었다. 상기 결과로부터 C-2 균주가 생성하는 단백질분해효소는 초고온성 단백질분해효소임이 확인되었다.
실시예 8: 단백질분해효소의 계면활성제에 대한 특징 조사
단백질분해효소의 계면활성제(EDTA, SDS, Triton X-100, Tween 80)에 대한 활성도를 조사하기 위하여, 단백질분해효소 활성이 가장 높은 90 ℃에서 추출한 조효소를 대상으로 계면활성제에 대한 단백질분해효소의 활성도를 측정하였다. 그 결과를 도 7에 나타내었다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 이온성 계면활성제(EDTA, SDS)의 경우 농도가 증가할수록 활성이 증가하는 반면, 비이온성 계면활성제(Triton X-100, Tween 80)는 농도가 증가할수록 활성이 감소하는 경향을 나타내었다.
실시예 9: 단백질분해효소의 금속이온에 대한 특징 조사
단백질분해효소의 금속이온(칼륨, 나트륨, 칼슘, 마그네슘, 구리, 아연, 철 및 망간)에 대한 활성도를 조사하기 위하여, 단백질분해효소 활성이 가장 높은 90 ℃에서 추출한 조효소를 대상으로 금속이온에 대한 효소의 활성도를 측정하였다. 그 결과를 도 8에 나타내었다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 망간 존재 하에서 200% 이상의 효소 활성 증가를 나타내었다.
실시예 10: C-2 균주의 분류 · 동정
1) 형태학적 특징
C-2 균주의 형태학적 특징을 조사하기 위하여, 전자현미경(SEM) 사진을 촬영하였다. 그 결과를 도 9에 나타내었다. 도 9에 나타난 바와 같이, C-2 균주는 그램 양성, 간상(길이 2.5 ㎛, 두께 0.5 ㎛)의 형태를 나타냈으며 포자를 형성하는 유포자 세균이었다. 콜로니는 백색 또는 크림색을 나타내고 불규칙한 형태를 나타내었다(표 1 참조).
C-2 균주의 형태학적 특징
특징 |
C-2 균주 |
그람 염색성 |
양성 |
세포 형태 |
간상형 |
세포 크기 |
2.5 ㎛×0.5 ㎛ |
콜로니 색 |
백색, 크림색 |
콜로니 형태 |
불규칙한 형태 |
포자 |
양성 |
2) 균체 지방산 조성 및 퀴논종 분석
균체 지방산 조성과 퀴논종을 분석하고, 그 결과를 표 2에 나타내었다.
C-2 균주의 세포 지방산 조성 및 퀴논종
지방산 |
총 세포 지방산의 % |
이소 14:0 |
1.14 |
14:0 |
0.58 |
이소 15:0 |
54.61 |
안트이소 15:0 |
3.19 |
15:0 |
2.21 |
이소 14:0 3OH |
0.32 |
이소 16:0 |
13.37 |
이소 15:0 2OH/16:1w7c |
0.31 |
16:0 |
1.94 |
이소 17:1w5c |
0.73 |
이소 17:0 |
16.59 |
안트이소 17:0 |
5.02 |
16:1 w7c/ 이소 15 2OH |
0.31 |
퀴논종 |
MK-7 |
표 2에 나타낸 바와 같이, 주요 지방산은 이소-15:0(54.61%), 이소-16:0(13.37%), 이소-17:0(16.59)으로 총 지방산 중 84.6%를 차지하여 기지의 지오바실러스 종과 공통의 특징을 나타내었으며, 퀴논종은 메나퀴논(MK)-7을 나타내어 C-2 균주는 지오바실러스 속에 속하는 특징을 나타내었다.
3) 16S rDNA 염기서열 분석
C-2 균주로부터 염색체 DNA를 추출하여 16S rDNA-PCR 증폭산물에 대해 염기서열(1500 bp)을 해석한 후 DDBJ/EMBL/GenBank의 데이터베이스와 상동성을 비교하였다. 그 결과, C-2 균주는 지오바실러스 속에 속하는 균주임을 확인되었다. 특히 지오바실러스 써모레오보란스와 99.05%, 지오바실러스 카우스토필러스와 98.22%의 상동성을 나타내었다. 도 10은 지오바실러스 종 중에서 C-2 균주의 위치를 보여주는 계통수이다.
4) DNA-DNA 상동성 분석
C-2 균주와 지오바실러스 속의 여러 종의 DNA-DNA 상동성 분석을 Seldin & Dubnau(1985)(문헌 [Deoxyribonucleic acid homology among Bacillus polymyxa, Bacillus macerans, Bacillus azotofixans, and other nitrogen-fixing Bacillus strains. Int . J. Syst . Bacteriol . 35, 151-154])의 방법에 의해 실시하였다. 즉, 농업미생물자원센터(KACC)의 지오바실러스 속 표준균주(G. stearothermophilus KACC10843, G. thermocatenulatus KACC11364, G. vulcani KACC11367, G. uzenensis KACC11368, G. subterraneus KACC11369, G. kaustophilus KACC11373, G. thermoleovorans KACC11374, G. lituanicus KACC11510)와 C-2 균주의 DNA-DNA 상동성 분석실험을 수행하였다. 그 결과를 도 11에 나타내었다(1: Geobacillus sp. C-2, 2: G. stearothermophilus KACC10843, 3: G. thermocatenulatus KACC11364, 4: G. vulcani KACC11367, 5: G. uzenensis KACC11368, 6: G. subterraneus KACC11369, 7: G. kaustophilus KACC11373, 8: G. thermoleovorans KACC11374, 9: G. lituanicus KACC11510). 도 11에 나타난 바와 같이, C-2 균주는 지오바실러스 카우스토필러스와 80%의 상동성을 나타내고, 지오바실러스 써모레오보란스와 58%의 상동성을 나타내었다. 상기 결과로부터, C-2 균주는 '지오바실러스 카우스토필러스'로 동정되었다.
5) C-2 균주의 기탁
본 발명에 따른 지오바실러스 카우스토필러스 C-2 균주는 2005년 1월 14일자로 농촌진흥청 농업미생물자원센터(KACC)에 기탁완료하고 수탁번호 제KACC 91153P호를 부여받았다.