KR100811545B1 - [-]- Degenerate Primers for Searching [NiFe]-Hydrogenase using Polymerase Chain Reaction - Google Patents

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Abstract

본 발명은 서열번호 1에 나타낸 염기서열로 이루어진 포워드 프라이머 및 서열번호 2에 나타낸 염기서열로 이루어진 리버스 프라이머로 구성된 [니켈-철]-수소화효소 유전자 증폭용 디제너레이트 프라이머와, (1) 수소생산균주로부터 게놈 DNA를 분리하는 단계; (2) 상기 게놈 DNA를 주형으로 하고 상기 디제너레이트 프라이머를 이용하여 중합효소연쇄반응을 실시하는 단계 및 (3) [니켈-철]-수소화효소 유전자의 증폭 여부를 확인하는 단계를 포함한 [니켈-철]-수소화효소 유전자를 탐색하는 방법에 관한 것이다. The present invention provides a [nickel-iron] -hydrogenase gene amplification degenerate primer consisting of a forward primer consisting of a nucleotide sequence shown in SEQ ID NO: 1 and a reverse primer consisting of a nucleotide sequence shown in SEQ ID NO: 2, and (1) hydrogen production. Separating genomic DNA from the strain; (2) performing the polymerase chain reaction using the genomic DNA as a template and the degenerate primer, and (3) confirming the amplification of the [nick-iron] -hydrogenase gene. -Iron] -methods of searching for hydrogenase genes.

[니켈-철]-수소화효소, 디제너레이트 프라이머, 중합효소연쇄반응  [Nickel-iron] -hydrogenase, degenerate primers, polymerase chain reaction

Description

[니켈-철]-수소화효소 유전자 탐색을 위한 중합효소연쇄반응용 디제너레이트 프라이머{Degenerate Primers for Searching [NiFe]-Hydrogenase using Polymerase Chain Reaction}Degenerate Primers for Searching [NiFe] -Hydrogenase using Polymerase Chain Reaction}

도 1은 30개의 [니켈-철]-수소화효소의 작은 서브유닛의 아미노 말단(N-teminus)에 위치한 분비신호 서열들을 얼라인먼트한 그림이다.Figure 1 is an illustration of the alignment of secretory signal sequences located at the amino terminus (N-teminus) of a small subunit of 30 [nickel-iron] -hydrogenases.

도 2는 Escherichia coli의 게놈 DNA를 주형으로 하고 본 발명에 따른 디제너레이트 프라이머를 이용한 디제너레이트 중합효소연쇄반응법을 통하여 얻은 아가로스젤 전기영동 그림이다.2 Escherichia It is agarose gel electrophoresis picture obtained by using the gegen DNA of coli as a template and the degenerate polymerase chain reaction method using the degenerate primer according to the present invention.

도 3은 Hydrogenovibrio marinus의 게놈 DNA를 주형으로 하고 본 발명에 따른 디제너레이트 프라이머를 이용한 디제너레이트 중합효소연쇄반응법을 통하여 얻은 아가로스젤 전기영동 그림이다.3 Hydrogenovibrio Agarose gel electrophoresis picture obtained by degenerate polymerase chain reaction using gelatin DNA of marinus as a template and degenerate primer according to the present invention.

도 4는 Ralstonia eutropha의 게놈 DNA를 주형으로 하고 본 발명에 따른 디제너레이트 프라이머를 이용한 디제너레이트 중합효소연쇄반응법을 통하여 얻은 아가로스젤 전기영동 그림이다.4 is Ralstonia It is agarose gel electrophoresis picture obtained by degenerate polymerase chain reaction using genomic DNA of eutropha as a template and degenerate primer according to the present invention.

본 발명은 [니켈-철]-수소화효소 유전자 탐색을 위한 중합효소연쇄반응용 디제너레이트 프라이머에 관한 것으로, 보다 자세하게는 [니켈-철]-수소화효소 유전자 증폭용 디제너레이트 프라이머 및 이를 이용하여 수소생산균주로부터 [니켈-철]-수소화효소 유전자를 탐색하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a degenerate primer for polymerase chain reaction to search for a [nickel-iron] -hydrogenase gene, and more specifically, a degenerate primer for amplifying a [nickel-iron] -hydrogenase gene and using the same. The present invention relates to a method for searching for a [nickel-iron] -hydrogenase gene from a hydrogen producing strain.

현재 화석연료로 인한 환경문제와 에너지 위기 극복을 위한 에너지원으로서 ‘수소’를 주목하고 있다. 수소는 물과 유기 물질의 구성성분으로부터 제조되므로 원료물질의 고갈 우려가 적고, 단위 중량 당 에너지만이 발생하는 청정 에너지이고, 연료 전지 등 이용 기술의 실용화 가능성도 크다. 태양광을 에너지로 이용하는 광합성 미생물은 수소를 발생시킬 뿐만 아니라 공기 중 이산화탄소를 저감시키는 적극적인 환경처리 기술이다. 미생물에 의한 수소 발생 연구는 이미 1800년대 말부터 시작되었으며, 조류(algae)와 세균(bacteria)을 이용하여 기초 연구가 수행되고 있다. 이러한 생물학적 수소 생산은 많은 장점을 가지고 있다. 환경친화적이며, 재생하여 사용 가능하며, 또한 음식물 쓰레기나 하수 슬러지 처리 시에 사용 가능하다.At present, we are focusing on hydrogen as an energy source for overcoming environmental problems and energy crisis caused by fossil fuels. Since hydrogen is produced from the constituents of water and organic substances, there is little fear of depletion of raw materials, clean energy generated only per unit weight, and there is a great possibility of practical use of technologies such as fuel cells. Photosynthetic microbes that use sunlight as energy are active environmental treatment technologies that not only generate hydrogen but also reduce carbon dioxide in the air. Research into hydrogen evolution by microorganisms has already begun since the late 1800s, and basic research is being carried out using algae and bacteria. This biological hydrogen production has many advantages. It is environmentally friendly, can be recycled and used for food waste and sewage sludge treatment.

일반적인 조류는 빛을 받아서 광합성 작용에 의해 공기 중 이산화탄소를 고정하고, 동시에 물을 분해하여, 산소와 동시에 수소를 발생한다. 이처럼 조류가 수소를 발생할 수 있는 이유는 수소 생산을 돕는 수소화효소(hydrogenase)를 갖고 있기 때문이다. 생물학적인 수소 생산에서 수소화효소가 주요 역할을 한다. 수소화효소는 수소분자의 가역적인 산화반응(H2 ↔ 2H+ + 2e-)을 촉매하며, 미생물의 에너지 대사에 중요한 역할을 한다. 그러나 현재 기술로는 상용화하기 위해 해결 해야 할 많은 도전이 있다. 그 중에서도 반응에 관여하는 수소화효소가 동시에 발생하는 산소에 매우 민감하여 수소 발생을 저해하기 때문에 무산소조건이 수소생산에 필수적이며 이는 비효율적인 공정이 된다. 이에, 수소생산의 효율을 증대시키기 위해 많은 연구자들이 수소화효소에 관심을 가지고 개량화 연구를 수행하고 있으며, 이를 위하여 수소화효소들을 검출하고 탐색하는 기술의 개발이 필요하다.Common algae receive light to fix carbon dioxide in the air by photosynthesis, and simultaneously decompose water to generate oxygen and hydrogen at the same time. The reason algae can generate hydrogen is because they have hydrogenases that help them produce hydrogen. Hydrogenases play a major role in biological hydrogen production. Hydrogenase catalyzes the reversible oxidation of hydrogen molecules (H2 ↔ 2H + + 2e-) and plays an important role in the energy metabolism of microorganisms. However, there are many challenges that must be solved with the current technology for commercialization. Among them, anoxic conditions are essential for hydrogen production because hydrogenases involved in the reaction are very sensitive to oxygen generated at the same time and thus inhibit hydrogen generation, which becomes an inefficient process. Therefore, in order to increase the efficiency of hydrogen production, many researchers are interested in hydrogenase and carry out improvement studies. For this purpose, it is necessary to develop a technology for detecting and searching for hydrogenases.

수소화효소는 수소를 활성화하는 부분(hydrogen-activating site)의 구성에 따라 [철]-수소화효소([Fe]-hydrogenase), [니켈-철]-수소화효소 및 금속이온이 없는 수소화효소(metal-free hydrogenase)로 분류된다. 이 중 [니켈-철]-수소화효소는 [철]-수소화효소에 비해 활성도는 낮아도, 기질에 대한 친화도가 높다는 장점을 가지고 있다. 그럼에도 [니켈-철]-수소화효소는 [철]-수소화효소에 비하여 알려진 바가 거의 없다.Hydrogenases are [iron] -hydrogenases, [nickel-iron] -hydrogenases, and metal ions, depending on the composition of the hydrogen-activating site. free hydrogenase). Among these, [nickel-iron] -hydrogenase has a merit of having high affinity for a substrate even though its activity is lower than that of [iron] -hydrogenase. Nevertheless, [nickel-iron] -hydrogenase is little known compared to [iron] -hydrogenase.

본 발명자들은 수소 에너지의 유용성을 인지하고, 다양한 수소생산균주로부터 [니켈-철]-수소화효소의 유전자를 수득하기 위하여, 공지된 [니켈-철]-수소화효소의 유전자 큰 서브유닛의 카르복실 말단의 보존적인 구간 서열과 분비서열을 얼라인먼트하여 신규한 [니켈-철]-수소화효소 증폭용 프라이머를 제작하였고, 수소생산균주의 게놈 DNA를 주형으로 하고 상기 프라이머를 이용하여 중합효소연쇄반응을 실시한 결과, [니켈-철]-수소화효소를 탐색할 수 있다는 것을 확인하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다. The inventors recognize the utility of hydrogen energy and obtain the gene of [nick-iron] -hydrogenase from various hydrogen producing strains, the carboxyl terminus of the gene large subunit of the known [nick-iron] -hydrogenase A new [nickel-iron] -hydrogenase amplification primer was prepared by aligning the conserved region sequence and secretion sequence of the enzyme. The genomic DNA of the hydrogen-producing strain was used as a template, and the polymerase chain reaction was carried out using the primer. , [Nickel-Iron] -hydrogenase can be explored to complete the present invention.

본 발명은 한 관점으로서, 서열번호 1에 나타낸 염기서열로 이루어진 포워드 프라이머 및 서열번호 2에 나타낸 염기서열로 이루어진 리버스 프라이머로 구성된 [니켈-철]-수소화효소 유전자 증폭용 디제너레이트 프라이머를 제공한다.In one aspect, the present invention provides a degenerate primer for amplifying a [Nickel-iron] -hydrogenase gene comprising a forward primer consisting of a nucleotide sequence shown in SEQ ID NO: 1 and a reverse primer consisting of a nucleotide sequence shown in SEQ ID NO: 2 .

다른 관점으로서, (1) 수소생산균주로부터 게놈 DNA를 분리하는 단계; (2) 상기 게놈 DNA를 주형으로 하고 상기 디제너레이트 프라이머를 이용하여 중합효소연쇄반응을 실시하는 단계 및 (3) [니켈-철]-수소화효소 유전자의 증폭 여부를 확인하는 단계를 포함한 [니켈-철]-수소화효소 유전자를 탐색하는 방법을 제공한다.In another aspect, the method comprises the steps of: (1) separating genomic DNA from a hydrogen producing strain; (2) performing the polymerase chain reaction using the genomic DNA as a template and the degenerate primer, and (3) confirming the amplification of the [nick-iron] -hydrogenase gene. -Iron]-provides a method for searching for hydrogenase genes.

“[니켈-철]-수소화효소”는 [철]-수소화효소에 비해 활성도는 낮아도, 기질에 대한 친화도가 높다는 장점을 가지며 철 뿐만 아니라 니켈 이온을 포함하는 삼차원적인 구조를 하고 있다. [니켈-철]-수소화효소는 큰 서브유닛(large subunit)과 작은 서브유닛(small subunit)의 2개의 서브유닛으로 이루어져 있다. 일반적으로 큰 서브유닛은 크기가 약 1800bp로 보존적(conserved) 서열을 주로 포함하고 있으며, 작은 서브유닛은 크기가 약 1100bp로 다양한(variable) 서열들이 주로 존재한다. 이 중 작은 서브유닛에 외막과 내막사이, 즉 페리플라즘(periplasm)으로의 위치를 신호하는 분비 신호(secretion signal) 서열이 존재하며, 분비가 일어나기 전에 작은 서브유닛과 큰 서브유닛이 결합한다. 결합된 [니켈-철]-수소화효소는 트윈-아르기닌의 전달경로(twin-arginine translocation pathway)를 통해 막으로 이동된다."[Nickel-iron] -hydrogenase" has the advantage of having a high affinity for the substrate even if the activity is lower than the [iron] -hydrogenase, and has a three-dimensional structure containing nickel as well as iron. [Nickel-iron] -hydrogenases consist of two subunits: a large subunit and a small subunit. In general, large subunits mainly contain conserved sequences of about 1800bp in size, and small subunits mainly contain variable sequences of about 1100bp in size. Among these small subunits, there is a secretion signal sequence that signals the position between the outer membrane and the inner membrane, ie periplasm, and the small subunit and the large subunit bind before secretion occurs. The bound [nickel-iron] -hydrogenase is transported to the membrane via the twin-arginine translocation pathway.

본 발명자들은 공지된 [니켈-철]-수소화효소의 유전자 중 큰 서브유닛의 카르복실 말단의 보존적인 구간 서열과 분비 서열을 얼라인먼트(alignment)하여 신규 한 [니켈-철]-수소화효소 증폭용 프라이머를 제작하였는데 여기서, 증폭이란 일반적으로 중합효소연쇄반응법에 의하여 [니켈-철]-수소화효소 유전자가 폭발적으로 대량 생산되는 것을 의미한다.The present inventors align the conserved segment sequence and secretory sequence of the carboxyl terminus of a large subunit of the known [nickel-iron] -hydrogenase genes, and thus a novel [nick-iron] -hydrogenase amplification primers. In this case, the amplification generally means that the [nickel-iron] -hydrogenase gene is mass-produced by the polymerase chain reaction method.

중합효소연쇄반응법(PCR)은 유전자 검출 방법 중 하나로 특정 디옥시리보핵산(DNA) 영역을 시험관 내에서 효소에 의해 증폭하는 방법이다. 중합효소연쇄반응법이 등장하기 전, 디옥시리보핵산 검출을 위해서는 30억 개의 염기쌍으로 이루어지는 사람의 게놈 디옥시리보핵산의 재조합 유전자 기술을 이용한 유전자 클로닝(cloning)이 필요하였다. 이러한 이유에서 대장균이나 파지에 대한 지식이 많이 필요하였으며, 시간과 노력이 많이 들어 검출의 임상 보급에 장애가 되어 있었다. 중합효소연쇄반응법은 이와 같은 복잡한 단계를 불과 수 시간의 효소 반응으로 바꾸었으며, 그 응용성이 매우 높은 디옥시리보핵산 검출의 중심이 되는 기법이 되었고, 분자생물학적인 접근을 필요로 하는 모든 생명과학 분야에서 필수적인 기술이 되었다.Polymerase chain reaction (PCR) is one of gene detection methods that amplify specific deoxyribonucleic acid (DNA) regions by enzymes in vitro. Prior to the polymerase chain reaction, deoxyribonucleic acid detection required cloning of genes using recombinant gene technology of human genome deoxyribonucleic acid consisting of 3 billion base pairs. For this reason, much knowledge of E. coli or phage was required, and a lot of time and effort was hindering the clinical dissemination of detection. Polymerase chain reaction transformed this complex step into a few hours of enzymatic reactions, and became the center of detection for highly applicable deoxyribonucleic acid, and in all life sciences requiring a molecular biological approach. Has become an essential skill.

한편, “ 디제너러시(degeneracy)”는 한 종류의 아미노산이 복수의 코돈(codon)에 대응하는 현상을 말한다. 디제너러시로 인하여 어떤 특이한 아미노산 서열을 코드하는 유전자의 염기서열은 결정할 수 없지만, 가능성이 있는 염기서열 모두를 포함하는 올리고뉴클레오티드(oligonucleotide)를 합성할 수 있다. 예를 들어 프롤린-시스테인-알지닌(Pro-Cys-Arg)의 트리펩타이드(tripeptide)를 생각해 보면, 이 아미노산 서열에 대응하는 코돈은 프롤린이 4종류, 시스테인이 2종류, 알지닌이 6종류로 4× 2× 6 = 48종류이다. 실제로 48 종류의 코돈의 조합으로 디제 너레이트 올리고뉴클레오티드를 합성할 때는 복수의 뉴클레오티드에 대응하는 위치에서는 해당 아미디티(amidite)를 혼합하여 합성한다. 따라서 디제너레이트 올리고뉴클레오티드의 조합의 종류는 코돈의 조합보다 많아질 수도 있지만(64종류), 이 올리고뉴클레오티드 혼합물 중 한 종류는 트리펩타이드를 코드하는 유전자와 완전히 일치한다. 만일 조합의 수가 그다지 많지 않고 적당한 길이의 디제너레이트 올리고뉴클레오티드를 디자인할 수 있다면, 이 올리고뉴클레오티드는 비교적 특이성 높은 프라이머로서 작용할 것이다. 이 같은 디제너레이트 올리고뉴클레오티드를 프라이머로 사용하여 중합효소연쇄반응을 하면 아미노산 서열정보를 바탕으로 그 단백질을 코드하는 유전자의 DNA 단편이 얻어질 가능성이 있다. 이와 같은 목적으로 디자인된 프라이머를 디제너레이트 프라이머, 중합효소연쇄반응을 디제너레이트 중합효소연쇄반응법이라고 한다. 이 방법은 기지의 아미노산 서열로부터 그 유전자를 클로닝하는 기술이지만 현재는 풍부하게 축적된 핵산의 일차구조(염기서열) 정보를 기초로 유전자군을 검색할 때 널리 이용된다.Meanwhile, “degeneracy” refers to a phenomenon in which one type of amino acid corresponds to a plurality of codons. Degeneracy may not determine the nucleotide sequence of a gene encoding a specific amino acid sequence, but it is possible to synthesize oligonucleotides containing all possible nucleotide sequences. For example, if you consider a tripeptide of Pro-Cys-Arg, codons corresponding to this amino acid sequence have four types of proline, two types of cysteine, and six types of arginine. 4x2x6 = 48 types. In fact, when synthesizing a dinerate oligonucleotide by a combination of 48 types of codons, the amidite is mixed at a position corresponding to a plurality of nucleotides. Therefore, the combination of degenerate oligonucleotides may be larger than the combination of codons (64 types), but one of these oligonucleotide mixtures is completely identical to the gene encoding the tripeptide. If the number of combinations is not so large and a degenerate oligonucleotide of suitable length can be designed, this oligonucleotide will act as a relatively specific primer. When polymerase chain reaction is carried out using such a degenerate oligonucleotide as a primer, DNA fragments of genes encoding the protein may be obtained based on amino acid sequence information. The primer designed for this purpose is called degenerate primer and the polymerase chain reaction is called degenerate polymerase chain reaction. This method is a technique for cloning the gene from a known amino acid sequence, but is now widely used when searching for a group of genes based on primary structure (base sequence) information of abundantly accumulated nucleic acids.

이상과 같이 본 발명에서는 공지된 [니켈-철]-수소화효소의 유전자 중 큰 서브유닛의 카르복실 말단의 보존적인 구간 서열의 아미노산 서열과 분비 서열의 아미노산 서열을 얼라인먼트(alignment)하고 그 아미노산 서열을 기반으로 하여 이들을 코딩하는 염기 서열을 제작하였다. 본 발명은 이렇게 제작된 서열번호 1에 나타낸 염기서열로 이루어진 포워드 프라이머 및 서열번호 2에 나타낸 염기서열로 이루어진 리버스 프라이머로 구성된 [니켈-철]-수소화효소 유전자 증폭용 프라이머를 제공한다.As described above, the present invention aligns the amino acid sequence of the conserved region sequence of the carboxyl terminus of the large subunit of the gene of the [Nickel-iron] -hydrogenase and the amino acid sequence of the secretory sequence. Based on the base sequences encoding them were prepared. The present invention provides a primer for amplifying a [Nickel-iron] -hydrogenase gene comprising a forward primer consisting of a nucleotide sequence shown in SEQ ID NO: 1 and a reverse primer consisting of a nucleotide sequence shown in SEQ ID NO: 2.

포워드 프라이머:Forward Primer:

5'- ATG CGX CGX AGY TTY CTX AAR TAY TGY AGY -3' (서열번호: 1)5'- ATG CGX CGX AGY TTY CTX AAR TAY TGY AGY -3 '(SEQ ID NO: 1)

리버스 프라이머:Reverse primer:

5'- RTG XGT XGA RCA XGC XAG RCA XGG RTC -3' (서열번호 : 2)5'- RTG XGT XGA RCA XGC XAG RCA XGG RTC -3 '(SEQ ID NO: 2)

여기에서 X는 Inosine이고, R는 A 또는 G, Y는 C 또는 T임Where X is Inosine, R is A or G, Y is C or T

상기 프라이머를 이용하여 임의의 균주에 [니켈-철]-수소화효소 유전자가 존재하는지 여부를 확인할 수 있다. 이에 따라 본 발명은 (1) 수소생산균주로부터 게놈 DNA를 분리하는 단계; (2) 상기 게놈 DNA를 주형으로 하고 제1항에 따른 포워드 프라이머 및 리버스 프라이머를 이용하여 중합효소연쇄반응을 실시하는 단계 및 (3) [니켈-철]-수소화효소 유전자의 증폭 여부를 확인하는 단계를 포함한 [니켈-철]-수소화효소 유전자를 동정하는 방법을 제공한다.The primer can be used to determine whether the [nickel-iron] -hydrogenase gene is present in any strain. Accordingly, the present invention comprises the steps of (1) separating genomic DNA from the hydrogen production strain; (2) performing the polymerase chain reaction using the genomic DNA as a template and the forward primer and the reverse primer according to claim 1, and (3) confirming the amplification of the [nickel-iron] -hydrogenase gene. Provided are methods for identifying [nickel-iron] -hydrogenase genes, including steps.

상기 제조방법의 단계 (1)는 수소생산균주로부터 게놈 DNA를 분리하는 단계이다. 여기서, “수소생산균주”란 수소를 생산하는 것으로 공지된 균주 뿐만 아니라 수소를 생산할 것으로 추정되는 균주를 모두 포함한다. 수소생산균주로부터 게놈 DNA를 분리하는 방법은 통상적인 세포로부터 게놈 DNA를 분리하는 방법과 유사하기 때문에 당업계에서 상업적으로 입수 가능한 게놈 DNA 분리 키트를 이용하여 용이하게 수소생산균주로부터 게놈 DNA를 분리할 수 있다.Step (1) of the production method is a step of separating genomic DNA from the hydrogen producing strain. Here, "hydrogen producing strain" includes both strains known to produce hydrogen, as well as strains that are expected to produce hydrogen. Since the method of separating genomic DNA from the hydrogen producing strain is similar to the method of separating genomic DNA from conventional cells, the genomic DNA can be easily separated from the hydrogen producing strain using a commercially available genomic DNA separation kit. Can be.

상기 제조방법의 단계 (2)는 앞서 분리된 게놈 DNA를 주형으로 하고, 서열번호 1에 나타낸 염기서열로 이루어진 포워드 프라이머 및 서열번호 2에 나타낸 염기서열로 이루어진 리버스 프라이머를 이용하여 중합효소연쇄반응을 실시하는 단계이 다. 여기서, 상기 게놈 DNA의 염기서열 중에서 서열번호 1에 나타낸 염기서열과 상보적인 염기서열에 포워드 프라이머가, 상기 게놈 DNA의 염기서열 중에서 서열번호 2에 나타낸 염기서열과 상보적인 염기서열에 리버스 프라이머가 각각 혼성화한 후 증폭이 일어나게 된다. 이 단계에서 중합효소연쇄반응은 DNA 이중나선이 풀리는 온도(annealing temperature)는 55℃에서 40 초 동안, DNA 가닥들의 증폭 온도(extension temperature)는 72℃에서 3분 동안의 조건으로 실시하는 것이 바람직하다.Step (2) of the preparation method is a polymerase chain reaction using a genomic DNA isolated as a template, using a forward primer consisting of a nucleotide sequence shown in SEQ ID NO: 1 and a reverse primer consisting of a nucleotide sequence shown in SEQ ID NO: 2 It is a step to carry out. Here, a forward primer is included in a base sequence complementary to the nucleotide sequence shown in SEQ ID NO: 1 in the nucleotide sequence of the genomic DNA, and a reverse primer is provided in a nucleotide sequence complementary to the nucleotide sequence shown in SEQ ID NO: 2 in the nucleotide sequence of the genomic DNA, respectively. After hybridization, amplification occurs. In this step, the polymerase chain reaction is preferably performed under conditions where the annealing temperature of DNA double helix is 40 seconds at 55 ° C. and the extension temperature of DNA strands is 3 minutes at 72 ° C. .

한편, 상기 단계 (2)에서의 증폭 과정은 게놈 DNA의 염기서열 중에 [니켈-철]-수소화효소 유전자가 존재하는 경우에만 일어난다. 따라서, 단계 (2)통하여 얻은 중합효소연쇄반응 산물을 전기영동한 결과 [니켈-철]-수소화효소 유전자의 분자량에 해당하는 밴드(band)가 관찰된다면, 즉 단계 (1)을 통하여 [니켈-철]-수소화효소 유전자가 증폭된다면, 단계 (1)에서 선택된 수소생산균주는 [니켈-철]-수소화효소 유전자를 발현하고, 수소를 생산할 것으로 확정할 수 있다.On the other hand, the amplification process in step (2) occurs only when the [nickel-iron] -hydrogenase gene is present in the nucleotide sequence of genomic DNA. Therefore, if a band corresponding to the molecular weight of the [nickel-iron] -hydrogenase gene is observed by electrophoresis of the polymerase chain reaction product obtained through step (2), that is, the [nickel- If the iron] -hydrogenase gene is amplified, the hydrogen producing strain selected in step (1) expresses the [nickel-iron] -hydrogenase gene and can be confirmed to produce hydrogen.

이하, 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.Hereinafter, the examples are only for illustrating the present invention in more detail, and the scope of the present invention is not limited by these examples in accordance with the gist of the present invention, those skilled in the art. Will be self-evident.

실시예 1: 디제너레이트 프라이머의 설계 및 제작 Example 1 Design and Preparation of Degenerate Primer

기존에 수소를 생산하는 것으로 알려진 미생물들의 [니켈-철]-수소화효소 유전자를 데이터베이스에서 검색한 후 30 종류의 [니켈-철]-수소화효소의 작은 서브 유닛의 분비신호 서열과 큰 서브유닛의 카르복실 말단의 보존적인 서열을 얼라인먼트(alignment)하여 새로운 [니켈-철]-수소화효소 유전자를 검출하기 위한 디제너레이트 프라이머를 설계 및 제작하였다(도 1).After searching the database for the [nickel-iron] -hydrogenase genes of microorganisms known to produce hydrogen, the secretion signal sequence of small subunits of 30 kinds of [nickel-iron] -hydrogenases and the large subunit Degenerate primers were designed and constructed to align conservative sequences at the terminal ends to detect new [nickel-iron] -hydrogenase genes (FIG. 1).

포워드 프라이머:Forward Primer:

5'- ATG CGX CGX AGY TTY CTX AAR TAY TGY AGY -3' (서열번호: 1)5'- ATG CGX CGX AGY TTY CTX AAR TAY TGY AGY -3 '(SEQ ID NO: 1)

리버스 프라이머:Reverse primer:

5'- RTG XGT XGA RCA XGC XAG RCA XGG RTC -3' (서열번호 : 2)5'- RTG XGT XGA RCA XGC XAG RCA XGG RTC -3 '(SEQ ID NO: 2)

여기에서 X는 Inosine이고, R는 A 또는 G, Y는 C 또는 T임Where X is Inosine, R is A or G, Y is C or T

실시예 2: 디제너레이트 프라이머를 이용한 다양한 수소생산 균주로부터 [니켈-철]-수소화효소 유전자의 검출 확인 Example 2 Detection of [nickel-iron] -hydrogenase genes from various hydrogen producing strains using degenerate primers

Escherichia coli의 염색체(chromosome)를 주형(template)으로, Taq DNA polymerase (Bioneer), 10x reaction buffer with MgCl2(Bioneer), 디제너레이트 프라이머로 구성된 샘플로, DNA 이중나선이 풀리는 온도(annealing temperature)는 55℃에서 40 초 동안, DNA 가닥들의 증폭단계 온도(extension temperature)는 72℃에서 3분 동안의 조건으로 중합효소연쇄반응을 실시하였다. 중합효소연쇄반응의 결과, 약 2900bp 크기의 E. coli의 [니켈-철]-수소화효소의 밴드(band)를 성공적으로 얻었으며 (도 2) 획득된 유전자 서열을 대장균 벡터에 넣어 시퀀싱(sequencing)한 결과 데이터베이스의 E. coli의 [니켈-철]-수소화효소 유전자 서열과 일치함을 확인하였다. Esherichia Coli 's chromosome as a template, consisting of Taq DNA polymerase (Bioneer), 10x reaction buffer with MgCl2 (Bioneer), and degenerate primers, with an annealing temperature of 55 For 40 seconds at the ℃, the extension temperature of the DNA strands (extension temperature) was subjected to the polymerase chain reaction under the conditions of 3 minutes at 72 ℃. As a result of the polymerase chain reaction, a band of [nick-iron] -hydrogenase of E. coli having a size of about 2900 bp was successfully obtained (FIG. 2). As a result, it was confirmed that the sequence of the [nickel-iron] -hydrogenase gene of E. coli in the database.

다른 수소생산 미생물들에 대하여서도 제작한 디제너레이트 프라이머가 성공 적으로 적용이 되는지 확인하기 위하여 똑같은 방법으로 Hydrogenovibrio marinusRalstonia eutropha 균주를 이용하여 실험을 수행하였다. 각 균주를 배양한 후, Wizard Genomic DNA Purification Kit(Promega)의 방법ㆍ절차에 따라서 염색체를 분리해 내고 E. coli 균주로 앞서 실험한 방법과 동일하게, 두 균주의 염색체를 주형으로 하여 중합효소연쇄반응을 시행하였다. 중합효소연쇄반응의 결과, 각각 동일한 약 2900 bp 크기의 [니켈-철]-수소화효소 유전자 밴드가 성공적으로 검출되었다(도 3 및 도 4). 또한 획득된 유전자 서열을 대장균 벡터에 넣어 시퀀싱하여 두 균주의 [니켈-철]-수소화효소 유전자 서열을 밝힐 수 있었다. Hydrogenovibrio was used in the same manner to verify the successful application of degenerate primers for other hydrogen-producing microorganisms. marinus and Ralstonia Experiments were performed using eutropha strains. After culture for each strain, to separate the chromosomes according to the method and procedure of the Wizard Genomic DNA Purification Kit (Promega) E. coli In the same manner as the previous experiment with the strain, the polymerase chain reaction was performed using the two chromosomes as templates. As a result of the polymerase chain reaction, the same [nick-iron] -hydrogenase gene bands of about 2900 bp in size were successfully detected (FIGS. 3 and 4). In addition, by sequencing the obtained gene sequence into the E. coli vector, it was possible to reveal the [nick-iron] -hydrogenase gene sequence of the two strains.

본 발명의 디제너레이트 프라이머는 기존에 알려진 [니켈-철]-수소화효소의 유전자 뿐만 아니라, 여러 다양한 수소생산 균주로부터도 새로운 [니켈-철]- 수소화효소의 유전자를 탐색하는데 사용이 가능하다. 이렇게 획득된 수소화효소는 단백질공학기술을 이용한 수소화효소 개량연구에 활용될 수 있으며 이를 바탕으로 생물학적 수소생산의 효율성을 증대시킬 수 있을 것이다. 또한 바이오연료 전지(biofuel cell)와 바이오센서(biosensor)의 개발에 전기적인 촉매(electrocatalyst)로서도 응용되어질 것이다. 현재 연료전지에서 많이 사용되는 화학적 반응 대신에, 수소화효소를 사용하게 되면, 더 간단한 공정과정과 오염이 없는 청정연료전지로 개발되어질 것이다. 추가로, 혐기성 미생물에 의해 유도된 생물부식(biocorrosion)에서도 활용이 가능할 것이다.The degenerate primer of the present invention can be used to search for a gene of a new [nickel-iron] -hydrogenase from a variety of hydrogen producing strains as well as a gene of a known [nickel-iron] -hydrogenase. The obtained hydrogenase can be used for hydrogenation enzyme improvement research using protein engineering technology and can increase the efficiency of biological hydrogen production based on this. It will also be used as an electrocatalyst in the development of biofuel cells and biosensors. Instead of the chemical reactions that are now commonly used in fuel cells, the use of hydrases could lead to simpler processes and clean fuel cells without contamination. In addition, it may be used in biocorrosion induced by anaerobic microorganisms.

서열목록 전자파일 첨부 Attach sequence list electronic file

Claims (3)

서열번호 1에 나타낸 염기서열로 이루어진 포워드 프라이머 및 서열번호 2에 나타낸 염기서열로 이루어진 리버스 프라이머로 구성된 [니켈-철]-수소화효소 유전자 증폭용 프라이머.A primer for amplifying a [Nickel-iron] -hydrogenase gene comprising a forward primer consisting of a nucleotide sequence shown in SEQ ID NO: 1 and a reverse primer consisting of a nucleotide sequence shown in SEQ ID NO: 2. (1) 수소생산균주로부터 게놈 DNA를 분리하는 단계; (2) 상기 게놈 DNA를 주형으로 하고 제1항에 따른 포워드 프라이머 및 리버스 프라이머를 이용하여 중합효소연쇄반응을 실시하는 단계 및 (3) 전기 영동에서 [니켈-철]-수소화효소의 분자량에 해당하는 밴드를 확인하여 [니켈-철]-수소화효소 유전자의 증폭 여부를 확인하는 단계를 포함한 [니켈-철]-수소화효소 유전자를 동정하는 방법.(1) separating genomic DNA from the hydrogen producing strain; (2) performing the polymerase chain reaction using the genomic DNA as a template and the forward primer and the reverse primer according to claim 1, and (3) the molecular weight of [nickel-iron] -hydrogenase in electrophoresis. Method of identifying the [nickel-iron] -hydrogenase gene comprising the step of confirming the amplification of the [nickel-iron] -hydrogenase gene by checking the band. 제 2항에 있어서,The method of claim 2, 단계 (2)의 중합효소연쇄반응은 DNA 이중나선이 풀리는 온도(annealing temperature)는 55℃에서 40초 동안, DNA 가닥들의 증폭 온도(extension temperature)는 72℃에서 3분 동안의 조건으로 실시하는 것을 특징으로 하는 [니켈-철]-수소화효소 유전자를 동정하는 방법. In the polymerase chain reaction of step (2), the DNA double helix was released at an annealing temperature of 55 ° C. for 40 seconds, and the DNA strand extension temperature was 72 ° C. for 3 minutes. A method for identifying a [nickel-iron] -hydrogenase gene characterized by the above.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPS6421409A (en) * 1987-07-17 1989-01-24 Oki Electric Ind Co Ltd Method for adjusting positioning of collimator lens

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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Applied and Environmental Microbiology, Vol.64(8), pp.2770-2779 (1998)
화학공학의 이론과 응용, 제12권 제1호 제409면 초록

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