KR101063960B1 - Novel mannose-6-phosphate isomerase and variants thereof and uses thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 신규한 만노스-6-인산 이성화효소(mannose 6-phosphate isomerase) 효소 및 그 변이 효소 및 그 효소를 이용한 엘-리보스를 제조하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 만노스-6-인산 이성화효소 및 그 변이 효소 그리고 그 해당 유전자를 포함하는 재조합 발현 벡터, 이로 형질전환된 미생물 및 이들을 이용하여 만노스-6-인산 이성화효소 또는 그 돌연변이체를 대량으로 얻는 제조방법과 상기 만노스-6-인산 이성화효소 또는 그 돌연변이체를 이용하여 엘-리보스를 고수율로 얻는 생산방법에 관한 것이다. The present invention relates to a novel mannose-6-phosphate isomerase enzyme, a mutant enzyme thereof, and a method for producing el-ribose using the enzyme, and more particularly, to mannose-6-phosphate isomerization. Recombinant expression vectors comprising the enzyme, its mutant enzyme and its genes, microorganisms transformed therewith, and methods for producing mannose-6-phosphate isomerase or mutants thereof in large quantities, and the mannose-6-phosphate isomerization The present invention relates to a production method for obtaining el-ribose in high yield using an enzyme or a mutant thereof.

Description

신규한 만노스-6-인산 이성화효소 및 그 변이체 및 그 용도{Novel mannose 6-phosphate isomerase and mutant thereof and use of the same}Novel mannose 6-phosphate isomerase and mutant etc. and use of the same

본 발명은 신규한 만노스-6-인산 이성화효소(mannose 6-phosphate isomerase) 효소 및 그 변이 효소 및 그 효소를 이용한 엘-리보스를 제조하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 만노스-6-인산 이성화효소 및 그 변이 효소 그리고 그 해당 유전자를 포함하는 재조합 발현 벡터, 이로 형질전환된 미생물 및 이들을 이용하여 만노스-6-인산 이성화효소 또는 그 돌연변이체를 대량으로 얻는 제조방법과 상기 만노스-6-인산 이성화효소 또는 그 돌연변이체를 이용하여 엘-리보스를 고수율로 얻는 생산방법에 관한 것이다. The present invention relates to a novel mannose-6-phosphate isomerase enzyme, a mutant enzyme thereof, and a method for producing el-ribose using the enzyme, and more particularly, to mannose-6-phosphate isomerization. Recombinant expression vectors comprising the enzyme, its mutant enzyme and its genes, microorganisms transformed therewith, and methods for producing mannose-6-phosphate isomerase or mutants thereof in large quantities, and the mannose-6-phosphate isomerization The present invention relates to a production method for obtaining el-ribose in high yield using an enzyme or a mutant thereof.

엘-리보스(L-ribose)는 많은 엘-형태(L-type)의 핵산당 의약품들의 합성 시작물질로서, 항바이러스제인 메틸-엘-리보플라노사이드(methyl-L-riboflanoside; "Bezimidavir"TM) 등의 합성에 사용되며, 엘-리보스 및 그 유도체의 세계시장은 2001년 약 11억불이었다. L-ribose is the starting material for the synthesis of many L-type saccharide drugs, the antiviral methyl-L-riboflanoside ("Bezimidavir" TM). ), And the global market for el-ribose and its derivatives was about $ 1.1 billion in 2001.

또한, 최근에는 새로운 항포진제(Antiherpes)로 개발되고 있는 비더블유1263더블유94(BW1263W94, Glaxo Wellcome)와 B형 간염 치료제로 개발되고 있는 엘-에프엠에이유(L-FMAU, Bukwang & Triangle)등의 핵심 중간체로서 그 수요가 급증하고 있어, 산업적으로 이용가능한 제조방법을 개발하는 것은 동분야 많은 연구진들의 관심의 대상이다.In addition, non-double oil 1263 double oil 94 (BW1263W94, Glaxo Wellcome), which has recently been developed as a new anti-herpes drug, and L-FMAU, Bukwang & Triangle, which is being developed for the treatment of hepatitis B, etc. As demand is rising as a key intermediate, the development of industrially available manufacturing methods is of interest to many researchers in the field.

엘-리보스는 주로 엘-아라비노스, 엘-자일로스, 디-글루코스, 디-갈락토스, 디-리보스 또는 디-만노-1,4-락톤으로부터 화학 합성법으로 생산되어 왔다(Akagi, M., et al ., Chem . Pharm . Bull .( Tokyo ) 50:866, 2002; Takahashi, H., et al ., Org. Lett . 4:2401, 2002; Yun, M., et al ., Tetrahedron Lett . 46:5903, 2005). 그러나, 이러한 화학적 합성 방법은 그 생산 과정에 있어 여러 가지 심각한 문제점을 가진다.L-ribose has been produced by chemical synthesis mainly from L-arabinose, L-xylose, di-glucose, di-galactose, di-ribose or di-manno-1,4-lactone (Akagi, M., et. al ., Chem . Pharm . Bull . ( Tokyo ) 50: 866, 2002; Takahashi, H., et al ., Org. Lett . 4: 2401, 2002; Yun, M., et al ., Tetrahedron Lett . 46: 5903, 2005). However, this chemical synthesis method has several serious problems in its production process.

실제로 고온 및 고압을 요구하는 작업 환경상의 위험성, 화학 반응 후 부가적인 당류의 생성으로 인한 복잡한 리보스의 분리 및 정제 과정, 그리고 이 과정에서 생성되는 화학적 폐기물로 인한 환경오염 문제 등이 유발되고 있다.Indeed, there are risks in the working environment that require high temperatures and pressures, the separation and purification of complex ribose due to the formation of additional sugars after chemical reactions, and the environmental pollution caused by chemical waste generated in this process.

상기와 같은 단점을 극복하기 위하여, 최근에는 리비톨 또는 엘-리불로오스로부터 생물학적 엘-리보스를 제조하는 방법이 연구되고 있다.In order to overcome such drawbacks, a method of preparing biological el-ribose from ribitol or el-ribulose has recently been studied.

또한, 엔에이디-의존적인 만니톨-1-탈수소효소(NAD-dependent mannitol-1-dehydrogenase)를 포함하는 재조합 대장균을 사용하여 100g/ℓ 리비톨로부터 발효 72시간 만에 55% 전환 수율을 얻었지만 엘-리보스의 생산성은 엘-아라비노스로부터 만드는 화학 합성법보다 약 28배가 낮았다(Woodyer R. N., et al ., Appl . Environ . Microbiol. 74:2967, 2008; Jumppanen, J., et al ., U.S. patent 6,140,498). In addition, using recombinant E. coli containing NDA-dependent mannitol-1-dehydrogenase, 55% conversion yield was obtained from 100 g / L ribitol in 72 hours after fermentation. The productivity of ribose is about 28 times lower than chemical synthesis made from L-Arabinose (Woodyer RN, et. al ., Appl . Environ . Microbiol. 74: 2967, 2008; Jumppanen, J., et al ., US patent 6,140,498).

한편, 엘-리보스의 생물학적인 생산 연구 방법으로는 클리비지엘라 뉴모니아(Klebsiella pneumonia) 유래 아라비노스 이성화효소, 슈도모나스 슈체리(Pseudomonas stutzeri) 유래 람노스 이성화효소(L-rhamnose isomerase), 스트렙토마이세스 루비지노시스(Streptomyces rubiginosus) 유래 자일로스 이성화효소(D-xylose isomease) 및 락토코코스 락티스(Lactococcus lactis) 유래 갈락토스-6-인산 이성화효소(galactose-6-phosphate isomerase)를 이용하고 있으나, 상기 효소들을 광범위한 기질 특이성을 지니고 있어서 엘-리블로스를 엘-리보스로 전환시킬 수는 있지만 그 전환속도는 매우 느리다.Meanwhile, El-biological production methods of research ribose is keulribiji Ella pneumoniae (Klebsiella pneumonia) arabinose isomerase derived from Pseudomonas shoe Cherry (Pseudomonas stutzeri ) L-rhamnose isomerase, Streptomyces Ruby Geonosis (Streptomyces rubiginosus) derived from xylose isomerase (D-xylose isomease) and Lactobacillus Cocos Lactis (Lactococcus lactis ) -derived galactose-6-phosphate isomerase, but these enzymes have broad substrate specificity, so they can convert L-riblos to el-ribose, but the conversion rate is Very slow

최근 본 발명자들은 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtilis) 유래의 만노스-6-인산 이성화효소를 이용하여 엘-리불로오스를 엘-리보스로 전환하여 생산성이 낮은 문제를 극복하였다(Yeom S. J., et al ., Appl . Environ . Microbiol . 75:4705, 2009). 그러나, 바실러스 서브틸리스 유래의 만노스-6-인산 이성화효소는 중온균 유래의 효소로서 열 안정성의 문제와 반응 온도가 낮기 때문에 다량의 기질 용해에 한계가 있다. 따라서, 이를 극복하기 위해 엘-리보스 생산성이 높고, 열 안정성이 높으면서 기질 용해도의 한계를 극복한 경제적인 생물학적인 방법의 개발이 시급하다.Recently, the inventors of the Bacillus subtilis ( Bacillus) subtilis ) overcomes the problem of low productivity by converting el-ribulose to el-ribose using mannose-6-phosphate isomerase (Yeom SJ, et. al ., Appl . Environ . Microbiol . 75: 4705, 2009). However, mannose-6-phosphate isomerase derived from Bacillus subtilis is an enzyme derived from mesophilic bacteria and has a limitation in dissolving a large amount of substrate because of low thermal stability and low reaction temperature. Therefore, in order to overcome this, it is urgent to develop economical biological methods that have high L-ribose productivity, high thermal stability, and overcome the limitations of substrate solubility.

또한, 본 발명자들은 고온균 지오바실러스 써모디니트리피칸스(Geobacillus thermodenitrificans) 유래의 만노스-6-인산 이성화효소를 이용하여 엘-리불로오스를 엘-리보스로 전환하였으나(Yeom S. J., et al ., Biotechnol . Lett . 31:1273, 2009), 이 역시 효과적인 산업화를 위해서는 비활성이 더 높은 효소가 요구된다.
In addition, the inventors hot bacterium Bacillus Geo Thermo di NITRY pecan switch (Geobacillus mannose-6-phosphate isomerase from thermodenitrificans was used to convert L-ribulose to L-ribose (Yeom SJ, et. al ., Biotechnol . Lett . 31: 1273, 2009), which also requires higher inactivation enzymes for effective industrialization.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하고 상기의 필요성에 의하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은 신규한 만노스-6-인산 이성화효소를 제공하는 것이다.The present invention solves the above problems and the object of the present invention is to provide a novel mannose-6-phosphate isomerase.

본 발명의 다른 목적은 상기 만노스-6-인산 이성화효소의 돌연변이체를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a mutant of the mannose-6-phosphate isomerase.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 만노스-6-인산 이성화효소를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide a method of preparing the mannose-6-phosphate isomerase.

본 발명의 또 다른 목적은 고수율의 엘-리보스의 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for producing high yield of el-ribose.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 서열번호 1에 기재된 만노스 6-인산 이성화효소 (mannose 6-phosphate isomerase)를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a mannose 6-phosphate isomerase described in SEQ ID NO: 1.

또한 본 발명은 상기 본 발명의 만노스 6-인산 이성화효소의 142번 잔기의 아미노산을 아르지닌(Arg)에서 아스파라긴(Asn)으로 변환시킨 R142N 돌연변이 만노스 6-인산 이성화효소를 제공한다.The present invention also provides an R142N mutant mannose 6-phosphate isomerase obtained by converting the amino acid of residue 142 of the mannose 6-phosphate isomerase of the present invention from arginine (Arg) to asparagine (Asn).

또한 본 발명은 상기 본 발명의 야생형 만노스 6-인산 이성화효소를 코딩하는 유전자를 제공한다.The present invention also provides a gene encoding the wild type mannose 6-phosphate isomerase of the present invention.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 야생형 유전자는 서열번호 2에 기재된 염기서열을 가지는 것이 바람직하나 이에 한정되지 아니한다.In one embodiment of the present invention, the wild type gene preferably has a nucleotide sequence set forth in SEQ ID NO: 2, but is not limited thereto.

또한 본 발명은 상기 본 발명의 돌연변이 만노스 6-인산 이성화효소를 코딩하는 유전자를 제공한다. 본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 유전자는 서열번호 3에 기재된 염기서열을 가지는 유전자인 것이 바람직하나 이에 한정되지 아니한다.The present invention also provides a gene encoding the mutant mannose 6-phosphate isomerase of the present invention. In one embodiment of the present invention, the gene is preferably a gene having a nucleotide sequence set forth in SEQ ID NO: 3, but is not limited thereto.

또한 본 발명은 상기 본 발명의 만노스 6-인산 이성화효소 유전자를 포함하는 재조합 발현 벡터 pET 28a(+)/mannose 6-phosphate isomerase를 제공한다.The present invention also provides a recombinant expression vector pET 28a (+) / mannose 6-phosphate isomerase comprising the mannose 6-phosphate isomerase gene of the present invention.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 재조합 발현벡터는 도 8에 기재된 개열지도를 가지는 것이 바람직하나 이에 한정되지 아니한다.In one embodiment of the invention, the recombinant expression vector preferably has a cleavage map described in Figure 8 is not limited thereto.

또한 본 발명은 Also,

a) 상기 본 발명의 유전자를 포함하는 발현벡터를 제조하고;a) preparing an expression vector comprising the gene of the present invention;

b) 상기 발현벡터로 형질전환된 미생물을 배양하고;b) culturing the microorganism transformed with the expression vector;

c) 상기 미생물로부터 만노스 6-인산 이성화효소를 분리·정제하는 단계를 포함하는 본 발명의 만노스 6-인산 이성화효소 및 그 돌연변이체를 제조하는 방법을 제공한다.c) providing a method for producing mannose 6-phosphate isomerase and mutants thereof of the present invention comprising the step of separating and purifying mannose 6-phosphate isomerase from the microorganism.

또한 본 발명은 상기 본 발명의 만노스 6-인산 이성화효소 또는 그 돌연변이체를 이용하여 리보스를 생산하는 방법을 제공한다.The present invention also provides a method for producing ribose using the mannose 6-phosphate isomerase or a mutant thereof of the present invention.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 리보스는 L-리보스(L-ribose)이고, L-리불로오스(L-ribulose)를 기질로 사용하여 생산되는 것이 바람직하나 이에 한정되지 아니한다.In one embodiment of the present invention, the ribose is L-ribose (L-ribose), preferably produced using L-ribulose (L-ribulose) as a substrate, but is not limited thereto.

또한 본 발명은 상기 본 발명의 만노스 6-인산 이성화효소 또는 그 돌연변이체를 포함하는 리보스 생산용 조성물을 제공한다.The present invention also provides a composition for producing ribose comprising the mannose 6-phosphate isomerase of the present invention or a mutant thereof.

이하 본 발명은 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described.

본 발명자들은 보다 효과적으로 만노스-6-인산 이성화효소를 이용하여 리보스를 생산하는 방법을 개발하기 위하여 예의 노력한 결과, 고온균인 써머스 써모필 러스(Thermus thermophilus)로부터 유래한 만노스-6-인산 이성화효소 유전자를 대량으로 제조하고, 이러한 친환경적인 과정으로 부산물의 생성 없이 엘-리보스를 고수율로 생산할 수 있는 것을 확인하였으며, 상기 만노스-6-인산 이성화효소의 ㅎ효소의 특정 아미노산 서열을 다른 아미노산으로 치환한 돌연변이 효소가 상기 써머스 써모필러스(Thermus thermophilus)로부터 유래한 만노스 6-인산 이성화 효소를 능가하는 엘-리보스 생산 효소인 것을 확인하여, 본 발명을 완성하였다. The present inventors have diligently tried to develop a method for producing ribose using mannose-6-phosphate isomerase more effectively, resulting in thermos , a high temperature bacterium. Writing a brush Russ a mannose-6-phosphate isomerase producing a gene in large quantities, and without the generation of by-products in this El environmentally friendly process derived from (Thermus thermophilus) - was identified that can produce a high yield of the ribose, the mannose- 6-phosphate heh mutant enzyme was substituted for specific amino acid sequence with other amino acids of the enzyme of the isomerase has the sseomeoseu The present invention was completed by confirming that it was an el-ribose producing enzyme that surpassed mannose 6-phosphate isomerase derived from Thermus thermophilus .

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

본 발명의 만노스-6-인산 이성화효소는 서열번호 1로 표시되는 아미노산서열을 가진 것을 특징으로 한다. 또, 서열번호 1의 아미노산서열에 대해서, 이들 아미노산서열을 가진 단백질이 표시하는 본 발명의 효소 활성이 손상되지 않는 범위 내에서, 1 이상의 아미노산의 결실, 치환 및 부가의 적어도 1종의 변이가 도입된 변이 만노스-6-인산 이성화효소도 본 발명에 관한 만노스-6-인산 이성화효소에 포함되며 그 가장 대표적인 예가 상기 본 발명의 만노스 6-인산 이성화효소의 142번 잔기의 아미노산을 아르지닌(Arg)에서 아스파라긴(Asn)으로 변환시킨 R142N 돌연변이체이다.Mannose-6-phosphate isomerase of the present invention is characterized by having the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 1. In addition, in the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1, at least one variant of deletion, substitution and addition of one or more amino acids is introduced within a range in which the enzyme activity of the present invention indicated by the protein having these amino acid sequences is not impaired. The modified mannose-6-phosphate isomerase is also included in the mannose-6-phosphate isomerase of the present invention, and the most representative example thereof is the amino acid of residue 142 of mannose 6-phosphate isomerase of the present invention. Is an R142N mutant converted to asparagine (Asn).

또, 본 발명에는 서열번호 1의 아미노산서열을 가진 만노스 6-인산 이성화효소를 코딩하는 만노스 6-인산 이성화효소 유전자가 포함되고, 그 유전자서열로서는 서열번호 2로 표시되는 것을 들 수 있다. 또, 이들 서열번호 1의 염기서열을 변이시켜서 얻게 되는 상기한 변이 만노스 6-인산 이성화효소를 코딩하는 변이 만노스 6-인산 이성화효소 유전자도 본 발명에 관한 만노스-6-인산 이성화효소 유전자에 포함되며 그 가장 대표적인 예가 서열번호 3의 유전자이다.In the present invention, a mannose 6-phosphate isomerase gene encoding a mannose 6-phosphate isomerase having an amino acid sequence of SEQ ID NO: 1 is included, and the gene sequence thereof is represented by SEQ ID NO: 2. The mutant mannose 6-phosphate isomerase gene encoding the above-described mutant mannose 6-phosphate isomerase obtained by mutating the nucleotide sequences of SEQ ID NO: 1 is also included in the mannose-6-phosphate isomerase gene of the present invention. The most representative example is the gene of SEQ ID NO: 3.

또, 본 발명에는, 상기 만노스-6-인산 이성화효소 유전자를 함유하는 재조합벡터, 상기 재조합벡터에 의해서 형질전환된 형질전환체가 포함된다. 또한, 본 발명에는, 이 형질전환체를 배양하여, 얻게되는 배양물로부터 만노스-6-인산 이성화효소를 분리하는 것을 특징으로 하는 만노스-6-인산 이성화효소의 제조방법이 포함된다.The present invention also includes a recombinant vector containing the mannose-6-phosphate isomerase gene and a transformant transformed with the recombinant vector. The present invention also includes a method for producing mannose-6-phosphate isomerase, wherein the transformant is cultured to separate mannose-6-phosphate isomerase from the obtained culture.

본 발명의 만노스-6-인산 이성화효소 유전자는 써머스 써모필러스(Thermus thermophilus) 균주로부터 분리된 것이다. 먼저, 만노스-6-인산 이성화효소 유전자를 가진 써머스 써모필러스(Thermus thermophilus) 균주로부터 염색체 DNA를 취득한다. 다음에, 설계한 올리고뉴클레오타이드를 프라이머로 하고, 써머스 써모필러스(Thermus thermophilus) 균주의 염색체 DNA를 주형으로 해서 폴리머라제 연쇄반응(PCR)을 행하여, 만노스-6-인산 이성화효소 유전자를 부분적으로 증폭한다. 이와 같이 해서 얻게 된 PCR 증폭 단편은 써머스 써모필러스(Thermus thermophilus) 균주의 만노스-6-인산 이성화효소 유전자에 100% 가까운 상동성을 가진 단편으로서, 콜로니하이브리디제이션을 행할 때의 프로브로서 높은 S/N비를 기대할 수 있는 동시에, 하이브리디제이션의 스트린전시 (stringency)제어를 용이하게 한다. 상기의 PCR 증폭 단편을 적당한 시약을 사용해서 표지하고, 상기 염색체 DNA라이브러리에 대해서 콜로니 하이브리디제이션을 행하여, 만노스-6-인산 이성화효소 유전자를 선발한다 (Current Protocols in Molecular Biology, 1권, 603페이지, 1994년). Mannose-6-phosphate isomerase gene according to the present invention is separated from the thermopile sseomeoseu pillar's (Thermus thermophilus) strain. First, the mannose-6-phosphate isomerase gene with sseomeoseu Thermophilus ( Thermus thermophilus ) to obtain chromosomal DNA. Next, the oligonucleotide, and the nucleotide designed as a primer, filler sseomeoseu Thermo switch (Thermus The polymerase chain reaction (PCR) is performed using the chromosomal DNA of the thermophilus strain as a template to partially amplify the mannose-6-phosphate isomerase gene. The PCR amplified fragment thus obtained was Summers Thermophilus ( Thermus thermophilus ), a fragment having a homology close to 100% of the mannose-6-phosphate isomerase gene of the strain, and having a high S / N ratio as a probe when performing colony hybridization, and a hybridization string Facilitate stringency control The PCR amplification fragments are labeled with appropriate reagents, and colony hybridization is performed on the chromosomal DNA library to select mannose-6-phosphate isomerase genes (Current Protocols in Molecular Biology, Vol. 1, p. 603). , 1994).

상기의 방법에 의해 선발된 대장균으로부터 알칼리법(Current Protocols in Molecular Biology, 1권, 161페이지, 1994년)을 사용해서 플라스미드를 회수함으로써, 만노스-6-인산 이성화효소 유전자를 함유하는 DNA단편을 얻을 수 있다. 또한, 상기 방법에 의해 염기서열을 결정한 후에는, 상기 염기서열을 가진 DNA단편의 제한효소에 의한 분해에 의해 조제한 DNA단편을 프로브로 해서 하이브리다이즈함으로써 본 발명의 전체 유전자를 얻는 것이 가능하다. 서열번호 2에는 본 발명의 만노스-6-인산 이성화효소 유전자의 염기서열을 서열번호 1에는 상기 유전자가 코딩하는 아미노산서열을 표시한다.The DNA fragment containing the mannose-6-phosphate isomerase gene was obtained by recovering the plasmid from the E. coli selected by the above method using alkaline method (Current Protocols in Molecular Biology, Vol. 1, p. 161, 1994). Can be. After determining the nucleotide sequence by the above method, it is possible to obtain the entire gene of the present invention by hybridizing the DNA fragment prepared by digestion by restriction enzymes of the DNA fragment having the nucleotide sequence as a probe. SEQ ID NO: 2 shows the nucleotide sequence of the mannose-6-phosphate isomerase gene of the present invention, and SEQ ID NO: 1 shows the amino acid sequence encoded by the gene.

본 발명의 형질전환된 미생물은, 본 발명의 재조합벡터를, 상기 재조합벡터를 제작할 때에 사용한 발현벡터에 적합한 숙주 속에 도입함으로써 얻게 된다. 예를 들면 대장균 등의 세균을 숙주로서 사용하는 경우는, 본 발명에 관한 재조합벡터는, 그 자신이 숙주 속에서 자율복제 가능한 동시에, 프로모터, 만노스-6-인산 이성화효소 유전자를 함유하는 DNA 및 전사종결서열 등의 발현에 필요한 구성을 가진 것임이 바람직하다. 본 발명에 사용된 발현벡터로서는 pET 28a를 사용하였으나 상기의 요건을 만족하는 발현벡터이면 어느 것이나 사용가능하다.The transformed microorganism of the present invention is obtained by introducing the recombinant vector of the present invention into a host suitable for the expression vector used when producing the recombinant vector. For example, when a bacterium such as E. coli is used as a host, the recombinant vector according to the present invention is capable of autonomous replication in the host, and at the same time, a DNA containing a promoter, mannose-6-phosphate isomerase gene, and transcription. It is preferable to have a structure required for expression of the termination sequence. Although pET 28a was used as the expression vector used in the present invention, any expression vector satisfying the above requirements can be used.

본 발명에 관한 만노스-6-인산 이성화효소의 제조는, 이것을 코딩하는 유전자를 가진 재조합벡터에 의해 숙주를 형질전환해서 얻은 형질전환체를 배양하고, 배양물(배양균체 또는 배양상청액)속에 유전자 산물인 만노스-6-인산 이성화효소를 생성 축적시켜, 배양물로부터 효소를 취득함으로써 행하여진다.In the production of mannose-6-phosphate isomerase according to the present invention, a transformant obtained by transforming a host by a recombinant vector having a gene encoding the same is cultured, and a gene product is cultured in a culture (cultured cell or culture supernatant). Phosphorus mannose-6-phosphate isomerase is produced and accumulated and the enzyme is obtained from the culture.

본 발명의 만노스-6-인산 이성화효소의 취득 및 정제는, 얻게 되는 배양물 중으로부터, 균체 또는 상청액을 원심 회수하여, 균체파쇄, 친화성크로마토그래피, 양이온 또는 음이온교환크로마토그래피 등을 단독으로 또는 조합함으로써 행할 수 있다. Acquisition and purification of the mannose-6-phosphate isomerase of the present invention is carried out by centrifuging the cells or supernatants from the cultures obtained, followed by cell disruption, affinity chromatography, cation or anion exchange chromatography, or the like. It can carry out by combining.

본 발명은 신규한 만노스-6-인산 이성화효소 또는 그 돌연변이체 및 그 유전자를 포함하는 재조합 발현벡터, 이로 형질전환 된 미생물 및 이들을 이용하여 만노스-6-인산 이성화효소를 대량으로 얻는 제조방법, 그리고 상기 만노스-6-인산 이성화효소를 이용하여 엘-리보스를 고수율로 얻는 생산방법을 제공하는 효과가 있다.The present invention provides a novel mannose-6-phosphate isomerase or a recombinant expression vector comprising a mutant thereof and a gene thereof, a microorganism transformed therewith and a method for producing a large amount of mannose-6-phosphate isomerase using them, and By using the mannose-6-phosphate isomerase, there is an effect of providing a production method for obtaining high yield of el-ribose.

본 발명의 써머스 써모필러스(Thermus thermophilus)로부터 유래한 만노스-6-인산 이성화효소 또는 그 돌연변이체는 높은 특이성과 친환경적인 방법으로 의약품의 원료 물질인 리보스를 높은 수율로 생산할 수 있으며, 이렇게 생산된 엘-리보스는 다양한 엘-형태의 핵산당 의약품의 합성 시작물질로서 유용하게 사용될 수 있다. Thermos of the present invention Thermo filler's mannose-6-phosphate derived from one (Thermus thermophilus) isomerase or its mutants can produce the ribose of a starting material of pharmaceutical products with high specificity and environmentally friendly way with a high yield, so the production cost EL-ribose is It can be usefully used as a starting material for the synthesis of a drug for a variety of L- form nucleic acid sugar.

도 1a는 본 발명의 만노스-6-인산 이성화효소의 금속이온 종류에 따른 효소 활성도를 나타낸 것이고, 도 1b는 금속이온 농도에 따른 효소 활성도를 나타낸 것이다.
도 2a는 본 발명의 만노스-6-인산 이성화효소의 pH에 따른 효소 활성도를 나타낸 것이고(●: PIPES 완충액; ○: EPPS 완충액), 도 2b는 온도에 따른 효소 활성도를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 만노스-6-인산 이성화효소의 온도 안정성 측정 결과를 나타낸 것이다(●: 65℃; ■: 70℃; ▲: 75℃; ○: 80℃; 및 □: 85℃).
도 4는 본 발명에 따른 엘-리보스의 시간별 생산량을 나타낸 것이다.
도 5는 기질 농도 10 Mm 에서 본 발명의 만노스 6-인산 이성화효소(open circle) 와 돌연변이 효소(closed circle)에 의한 리보오스의 전환율을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 만노스 6-인산 이성화 효소의 유전자 서열을 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 만노스 6-인산 이성화 효소의 R142N 돌연변이 효소의 유전자 서열을 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 만노스 6-인산 이성화효소 유전자를 포함하는 재조합 발현 벡터의 개열지도를 나타낸 것이다.
Figure 1a shows the enzyme activity according to the metal ion type of mannose-6-phosphate isomerase of the present invention, Figure 1b shows the enzyme activity according to the metal ion concentration.
Figure 2a shows the enzyme activity according to the pH of the mannose-6-phosphate isomerase of the present invention (●: PIPES buffer; ○: EPPS buffer), Figure 2b shows the enzyme activity with temperature.
Figure 3 shows the results of measuring the temperature stability of the mannose-6-phosphate isomerase of the present invention (●: 65 ℃; ■: 70 ℃; ▲: 75 ℃; ○: 80 ℃; and □: 85 ℃).
Figure 4 shows the hourly production of L-ribose according to the present invention.
Figure 5 shows the conversion of ribose by mannose 6-phosphate isomerase (open circle) and mutant enzyme (closed circle) of the present invention at a substrate concentration of 10 Mm.
Figure 6 shows the gene sequence of the mannose 6-phosphate isomerase of the present invention.
Figure 7 shows the gene sequence of the R142N mutant enzyme of the mannose 6-phosphate isomerase of the present invention.
Figure 8 shows a cleavage map of a recombinant expression vector comprising a mannose 6-phosphate isomerase gene of the present invention.

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 해석되지는 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. It is to be understood by those skilled in the art that these examples are for illustrative purposes only and that the scope of the present invention is not construed as being limited by these examples.

실시예Example 1.  One. 만노스Mannos -6-인산 이성화효소 유전자를 포함하는 재조합 발현벡터 및 형질전환 미생물의 제조Preparation of Recombinant Expression Vectors and Transgenic Microorganisms Containing -6-Phosphate Isomerase Gene

본 발명의 만노스-6-인산 이성화효소를 제조하기 위하여, 써머스 써모필러스(Thermus thermophilus) 균주로부터 유래한 만노스-6-인산 이성화효소를 먼저 분리하였다.In order to produce a mannose-6-phosphate isomerase of the present invention, the filler's Thermo sseomeoseu (Thermus mannose-6-phosphate isomerase derived from the thermophilus strain was first isolated.

구체적으로, 유전자 염기서열과 아미노산 서열이 이미 특정되어 있는 써머스 써모필러스 KCCM 40897 균주를 선별하고, 이로부터 유래한 만노스-6-인산 이성화효소의 공지의 DNA 염기서열(Genebank Accession No. AP008226; 서열번호 1)을 기초로 하여 다음의 프라이머(primer)를 고안하였다.Specifically, the thermos thermophilus KCCM 40897 strain having a gene sequence and amino acid sequence is already selected, and known DNA sequence of mannose-6-phosphate isomerase derived therefrom (Genebank Accession No. AP008226; sequence Based on the number 1), the following primers were devised.

서열번호 4(정방향 프라이머): 5'-TTTCATATGAGGCGGTTGGAGCCCAA-3'SEQ ID NO: 4 (Forward primer): 5'-TTT CATATG AGGCGGTTGGAGCCCAA-3 '

서열번호 5(역방향 프라이머): 5'-TTTGAATTCACTCACGCCCCCTCCTT-3'
SEQ ID NO: 5 (reverse primer): 5'-TTT GAATTC ACTCACGCCCCCTCCTT-3 '

상기 프라이머는 각각 Nde Ⅰ과 EcoR Ⅰ 제한효소 절단부분으로 설계되었으며, 상기 프라이머를 이용한 중합효소 연쇄반응(PCR)을 실시하여 해당 유전자의 염기서열을 증폭하였다. The primers were designed with Nde I and EcoR I restriction enzyme cleavage portions, respectively, and amplified the nucleotide sequence of the gene by polymerase chain reaction (PCR).

대량으로 얻은 만노스-6-인산 이성화효소 유전자는 제한효소 Nde Ⅰ 및 EcoR Ⅰ을 사용하여 플라스미드 벡터 pET 28(+)(Novagen사 제품)에 삽입하여 pET 28(+)a/만노스-6-인산 이성화효소를 제작하였다. A large amount of mannose-6-phosphate isomerase gene was inserted into the plasmid vector pET 28 (+) (manufactured by Novagen) using restriction enzymes Nde I and EcoR I and isomerized to pET 28 (+) a / mannose-6-phosphate An enzyme was produced.

상기와 같이 얻은 재조합 발현벡터는 통상적인 형질전환 방법에 의하여 대장균 ER 2566 균주에 형질 전환하고, 상기 형질전환 된 미생물은 20% 글리세린(glycerine) 용액을 첨가하여 엘-리보스의 생산을 위한 배양을 실시하기 전에 냉동 보관하였다.
The recombinant expression vector thus obtained is transformed into E. coli ER 2566 strain by a conventional transformation method, the transformed microorganism is cultured for the production of L-ribose by adding 20% glycerin (glycerine) solution Frozen before.

실시예Example 2.  2. 만노스Mannos -6-인산 이성화효소의 제조Preparation of -6-Phosphate Isomerase

본 발명의 만노스-6-인산 이성화효소를 대량 생산하기 위하여, 냉동 보관된 재조합 대장균 ER 2566 균주를 LB 배지 3㎖가 들어있는 시험관(test tube)에 접종하고, 600㎚에서 흡광도가 2.0이 될 때까지 37℃의 진탕 배양기로 종균 배양을 실시하였다. 그런 다음, 상기 종균 배양된 배양액을 LB 배지 500㎖가 들어있는 2,000㎖ 플라스크에 첨가하여 본 배양을 실시하였다.In order to mass produce the mannose-6-phosphate isomerase of the present invention, the frozen E. coli ER 2566 strain was inoculated into a test tube containing 3 ml of LB medium, and the absorbance was 2.0 at 600 nm. The spawn culture was performed with a shake incubator at 37 ° C. until. Then, the seed cultured culture was added to a 2,000 ml flask containing 500 ml of LB medium to carry out the main culture.

또한, 600㎚에서 흡광도가 0.6이 될 때, 0.1mM IPTG를 첨가하여 만노스-6-인산 이성화효소의 대량 발현을 유도하였다. 이때, 교반 속도는 200rpm, 배양 온도는 37℃로 유지하였으며, IPTG 첨가 후에는 교반 속도 150rpm, 배양 온도 16℃로 조정하여 배양하였다.In addition, when the absorbance reached 0.6 at 600 nm, 0.1 mM IPTG was added to induce mass expression of mannose-6-phosphate isomerase. At this time, the stirring speed was maintained at 200rpm, the culture temperature was maintained at 37 ℃, after the addition of IPTG was adjusted to the stirring speed 150rpm, culture temperature 16 ℃ and incubated.

또한, 상기와 같이 과발현 되어 생산된 만노스-6-인산 이성화효소는, 상기 형질전환된 균주의 배양액을 6,000×g로 4℃에서 30분 동안 원심분리하여 0.85% 염화나트륨(NaCl)으로 두 번 세척한 다음, 50mM 제일인산나트륨, 300mM 염화나트륨, 10mM 이미다졸(immidazole), 0.1mM 단백분해 효소 저해제(phenylmethylsulfonyl fluoride)를 첨가하여 상기 세포 용액을 파쇄기(sonicator)로 파쇄하였다. 상기 세포 파쇄물은 다시 13,000×g로 4℃에서 20분 동안 원심분리하고, 세포 펠렛을 제거한 후 세포 상등액만을 얻어 고속 단백질 액체 크로마토그래피(fast protein liquid chromatography system; Bio-Rad Laboratories, Hercules, CA, USA)에 히스텍(His-tag)를 이용한 히스트램 에이치피(Histrap HP) 흡착 컬럼을 장착하여 엘-리보스 생산에 사용되는 효소액으로서 분리하였다.
In addition, the mannose-6-phosphate isomerase produced by overexpression as described above, the culture medium of the transformed strain was washed twice with 0.85% sodium chloride (NaCl) by centrifugation at 6,000 × g for 30 minutes at 4 ℃. Next, 50 mM sodium phosphate, 300 mM sodium chloride, 10 mM imidazole and 0.1 mM protease inhibitor (phenylmethylsulfonyl fluoride) were added to disrupt the cell solution with a sonicator. The cell lysate was again centrifuged at 13,000 × g for 20 minutes at 4 ° C., the cell pellet was removed, and only the cell supernatant was obtained for a fast protein liquid chromatography system (Bio-Rad Laboratories, Hercules, CA, USA). Histrap HP adsorption column using His-tag was used as an enzyme solution for the production of L-ribose.

실시예Example 3.  3. 만노스Mannos -6-인산 이성화효소의 금속 특이성 조사Metal Specificity of -6-Phosphate Isomerase

상기 실시예 2에서 얻은 만노스-6-인산 이성화효소의 금속이온에 대한 특이성을 조사하기 위하여, 상기 효소의 활성은 10mM EDTA로 처리하고 금속 이온(Mn2 +, Zn2+, Ba2 +, Cu2 +, Co2 +, Ca2 +, Mg2 +, Ni2 +, Fe2 +)을 첨가하여 반응시킨 후 다음과 같이 활성을 측정하였다.Example 2 To investigate the specificity for the metal ions of the mannose-6-phosphate isomerase obtained in the activity of the enzyme was treated with 10mM EDTA and metal ion (Mn + 2, Zn 2+, Ba + 2, Cu 2 + , Co 2 + , Ca 2 + , Mg 2 + , Ni 2 + , Fe 2 + ) and the reaction was measured as follows.

효소반응은 10mM 엘-리불로오스, 각각의 금속이온과 0.05unit/㎖ 효소가 포함된 50mM PIPES(piperazine-N, N'-bis(2-ethane sulfonic acid)) 완충용액(pH 7.0)을 사용하여 75℃에서 5분 동안 수행하고, 다시 최종 농도 200mM 염화수소(HCl)를 첨가하여 상기 반응을 정지시켰다.The enzymatic reaction was performed using 50 mM PIPES (piperazine- N, N' -bis (2-ethane sulfonic acid)) buffer solution (pH 7.0) containing 10 mM L-ribulose, each metal ion and 0.05 unit / ml enzyme. 5 minutes at 75 ° C, and the reaction was stopped again by adding a final concentration of 200 mM hydrogen chloride (HCl).

본 발명에서 효소활성은 엘-리불로오스를 기질로 사용해 측정하였으며, 상기 효소활성의 효소 1단위(unit)는 pH 7.0과 75℃에서 분당 1μmol의 엘-리보스를 생산하는 양으로 정의하여 비교 분석하였다. In the present invention, the enzyme activity was measured using L-ribulose as a substrate, and the enzyme activity (unit) of the enzyme activity was defined as the amount to produce 1 μmol of L-ribose per minute at pH 7.0 and 75 ° C. It was.

또한, 효소활성 측정 시 리보스 및 리불로오스의 농도, 그리고 다른 당들의 분석은 전기화학적 검출기(electrochemical detector) 및 카보팩 피에이(CarboPacPA) 칼럼이 장착된 바이오 액체 크로마토그래피(Bio-LC) 시스템(Dionex ICS-3000, Sunnylvale, CA, USA)을 이용하였으며, 이때 상기 카보팩 피에이 컬럼은 30℃에서 1㎖/분 속도로 200mM 수산화나트륨(NaOH)을 통과시켰다.In addition, the concentration of ribose and ribulose, and the analysis of other sugars in the determination of enzymatic activity can be determined by using a bio-liquid chromatography (Bio-LC) system equipped with an electrochemical detector and a CarboPacPA column ( Dionex ICS-3000, Sunnylvale, Calif., USA), wherein the Carbopack PA column was passed 200 mM sodium hydroxide (NaOH) at 1 ° C./min at 30 ° C.

그 결과, 정제된 효소와 EDTA를 처리한 효소는 활성이 없었으며, 실험한 금속염 중에서 구리(Cu2 +)가 가장 효과적이었고, 농도별 실험 결과 최적 농도는 0.5mM 이었다.As a result, the purified enzyme and the enzyme treated with EDTA had no activity. Among the metal salts tested, copper (Cu 2 + ) was the most effective, and the optimum concentration was 0.5 mM.

상기 결과로부터, 본 발명의 만노스-6-인산 이성화효소는 0.5mM 구리 금속 이온의 영향을 받는 것으로 나타나 금속 이온에 대해 의존성 효소임을 확인하였다(도 1a 및 도 1b 참조).
From the above results, the mannose-6-phosphate isomerase of the present invention was shown to be affected by 0.5 mM copper metal ion, confirming that it is an enzyme dependent on the metal ion (see FIGS. 1A and 1B).

실시예Example 4.  4. 만노스Mannos -6-인산 이성화효소의 활성도 조사Of 6-6-phosphate Isomerase

상기 실시예 2에서 얻은 만노스-6-인산 이성화효소의 pH 및 온도 변화에 따른 활성도를 조사하기 위하여, 다양한 pH 및 온도 조건 하에서 효소와 기질을 반응시키고 효소 활성을 비교하였다.In order to investigate the activity according to the pH and temperature change of the mannose-6-phosphate isomerase obtained in Example 2, the enzyme and the substrate were reacted under various pH and temperature conditions and the enzyme activity was compared.

4-1. 4-1. 만노스Mannos -6-인산 이성화효소 활성에 미치는 -6-Phosphate Isomerase Activity pHpH 효과 effect

먼저, 상기 효소 활성에 대한 pH 효과를 조사하기 위하여, 기질로서 10mM 엘-리불로오스와 0.5mM 구리, 1.5unit/㎖ 효소가 포함된 50mM 피페스(PIPES) 완충액 및 10mM 엘-리불로오스, 0.5mM 구리와 0.05unit/㎖ 효소가 포함된 EPPS(N-(2-hydroxyethyl) piperazine-N-(3-propane sulfonic acid)) 완충액을 사용하여 pH 7.5에서 pH 8.5 범위까지 효소반응을 실시하되, 구체적으로 75℃에서 5분 동안 수행하고 다시 최종 농도 200mM 염화수소를 첨가하여 반응을 정지시켰다.First, in order to investigate the pH effect on the enzyme activity, 10mM L-ribulose and 0.5mM copper, 50mM PIPES buffer containing 1.5unit / ml enzyme and 10mM L-ribulose, the synthesis was carried out using the enzyme reaction buffer to pH 8.5 in the range of pH 7.5, - 0.5mM copper and 0.05unit / ㎖ the enzyme contains a EPPS ((3-propane sulfonic acid ) N- (2-hydroxyethyl) piperazine- N) Specifically, the reaction was stopped at 75 ° C. for 5 minutes and again added with a final concentration of 200 mM hydrogen chloride.

그 결과, 최적 pH는 7.0인 것으로 확인되었다(도 2a 참조).
As a result, the optimum pH was found to be 7.0 (see FIG. 2A).

4-2. 4-2. 만노스Mannos -6-인산 이성화효소 활성에 미치는 온도 효과Effect of Temperature on -6-Phosphate Isomerase Activity

상기 효소의 활성에 대한 온도 효과를 조사하기 위하여, 효소 반응 온도를 60℃에서 90℃ 범위까지 10mM 엘-리불로오스, 0.5mM 구리와 0.05unit/㎖ 효소가 포함된 pH 7.0인 50 mM PIPES 완충액을 사용하여 각각 20분씩 반응시킨 후 최종 농도 200mM 염화수소를 첨가하여 반응을 정지시켰다.To investigate the temperature effect on the activity of the enzyme, the enzyme reaction temperature was ranged from 60 ° C. to 90 ° C. in a 50 mM PIPES buffer at pH 7.0 containing 10 mM L-ribulose, 0.5 mM copper and 0.05 unit / ml enzyme. After each reaction for 20 minutes, 200 mM hydrogen chloride was added to terminate the reaction.

그 결과, 최적 온도는 75℃인 것으로 확인되었다(도 2b 참조).
As a result, the optimum temperature was found to be 75 ° C (see FIG. 2B).

4-3. 4-3. 만노스Mannos -6-인산 이성화효소의 온도 안정성 조사Investigation of Temperature Stability of --6-phosphate Isomerase

상기 효소의 온도 안정성을 조사하기 위하여, 온도 65℃에서 85℃까지의 범위에서 10mM 엘-리불로오스, 0.5mM 구리, 0.05unit/㎖ 효소가 포함된 pH 7.0인 50mM PIPES 완충액을 사용하여 각각 효소활성이 절반으로 줄어드는 시간까지 반응시킨 다음, 최종 농도 200mM 염화수소를 첨가하여 반응을 정지시켜 만노스-6-인산 이성화효소의 활성을 측정하였다.In order to investigate the temperature stability of the enzyme, each enzyme using a 50 mM PIPES buffer, pH 7.0 containing 10 mM L-ribulose, 0.5 mM copper, 0.05 unit / ml enzyme in the temperature range from 65 ℃ to 85 ℃ After the reaction was halved, the reaction was stopped by adding a final concentration of 200 mM hydrogen chloride to measure the activity of mannose-6-phosphate isomerase.

그 결과, 온도 65℃에서는 22시간, 70℃에서는 10시간, 75℃에서는 5.5시간, 80℃에서는 2.2시간 및 85℃에서는 0.3시간이 경과시 효소활성이 절반으로 줄어드는 것을 확인할 수 있었다(도 3 참조).
As a result, it was confirmed that the enzymatic activity was reduced by half after elapse of 22 hours at 65 ° C, 10 hours at 70 ° C, 5.5 hours at 75 ° C, 2.2 hours at 80 ° C and 0.3 hours at 85 ° C (see FIG. 3). ).

4-4. 4-4. 만노스Mannos -6-인산 이성화효소 활성에 미치는 기질 농도 효과Effect of Substrate Concentration on -6 Phosphate Isomerase Activity

상기 효소의 활성에 대한 온도 효과를 조사하기 위하여, 온도 75℃에서 85℃까지의 범위에서 50, 100, 200 및 300g/ℓ엘-리불로오스, 0.5mM 구리, 20unit/㎖ 효소가 포함된 pH 7.0인 50mM PIPES 완충액을 사용하여 3시간 반응시킨 다음, 최종 농도 200mM 염화수소를 첨가하여 반응을 정지시켜 만노스-6-인산 이성화효소의 활성을 측정하였다.In order to investigate the temperature effect on the activity of the enzyme, pH containing 50, 100, 200 and 300 g / L- ribulose, 0.5 mM copper, 20 unit / ml enzyme in the temperature range from 75 ℃ to 85 ℃ The reaction was stopped for 3 hours using a 50 mM PIPES buffer of 7.0, and then the reaction was stopped by adding a final concentration of 200 mM hydrogen chloride to measure the activity of mannose-6-phosphate isomerase.

그 결과, 기질로 사용한 엘-리불로오스 농도와 무관하게 모두 약 70%의 전환수율을 나타내어 50, 100, 200 및 300g/ℓ의 엘-리불로오스에서 각각 36, 71, 140, 211g/ℓ의 엘-리보스가 생산되었다
As a result, regardless of the concentration of El-ribulose used as a substrate, the conversion yield was about 70%, respectively, at 36, 71, 140, and 211 g / l at 50, 100, 200, and 300 g / l of El-ribulose, respectively. El-Ribose was produced

실시예Example 5.  5. 만노스Mannos -6-인산 이성화효소를 이용한 엘-L- using 6-phosphate isomerase 리보스의Ribose 생산 production

본 발명의 만노스-6-인산 이성화효소를 이용한 엘-리보스의 생산성을 확인하기 위하여, 상기에서 확인한 효소의 최적 pH 7.0 및 효소활성이 절반으로 줄어든 시간을 고려한 온도(75℃)에서 300g/ℓ의 엘-리불로오스를 기질로 하여 엘-리보스의 시간별 생산량을 측정하였다. 이때 사용한 반응 용액은 300g/ℓ엘-리불로오스, 0.5mM 구리, 25unit/㎖ 효소가 포함된 pH 7.0인 50mM PIPES 완충액이었다.In order to confirm the productivity of El-ribose using the mannose-6-phosphate isomerase of the present invention, 300 g / L at the temperature (75 ° C) considering the optimal pH 7.0 and the time when the enzyme activity was reduced by half Hourly production of El-ribose was measured using L-ribulose as a substrate. The reaction solution used was 50 mM PIPES buffer at pH 7.0 containing 300 g / L L-ribulose, 0.5 mM copper, 25 units / ml enzyme.

그 결과, 반응 2.5시간 후에 300g/ℓ의 엘-리불로오스에서 213g/ℓ의 엘-리보스가 생산되어 시간당 85.2g/ℓ의 생산성과 71%의 전환수율을 나타내었다(도 4 참조).As a result, after 2.5 hours of reaction, 213 g / L of L-ribose was produced in 300 g / L of L-ribulose, which showed 85.2 g / L of productivity and 71% conversion yield per hour (see FIG. 4).

이와 같은 결과는 현재까지 리보스의 생산 중 가장 높은 생산성을 나타낸 것이며, 종래 몰리브산(Molybdic acid)을 사용한 엘-아라비노스로부터 23% 전환수율과 시간당 20g/ℓ의 생산성을 보인 화학합성법(Jumppanen, J., J. Nurmi, and O. Pastinen. October 2000. Process for the continuous production of high purity of L-ribose. U.S. patent 6,140,498)이나, 바실러스 서브틸리스 유래의 만노스-6-인산 이성화효소를 사용하여 300g/ℓ 엘-리불로오스로부터 반응 3시간 후 213g/ℓ의 엘-리보스를 얻어 시간당 71g/ℓ의 생산성을 보인 것(Yoem et al ., Appl . Environ. Microbiol . 2009. 75:4705-4710)보다 매우 우수한 것이다.
These results show the highest productivity of ribose production to date, and the chemical synthesis method (23% conversion yield and 20 g / l / hour productivity from L-Arabinose using molybdic acid) has been shown. J., J. Nurmi, and O. Pastinen. October 2000. Process for the continuous production of high purity of L-ribose.US patent 6,140,498) or using mannose-6-phosphate isomerase from Bacillus subtilis. Yield of 213 g / l of L-ribose after 3 hours of reaction from 300 g / l of L-ribulose showed 71 g / l of productivity per hour (Yoem et al ., Appl . Environ. Microbiol . 75.4705-4710).

실시예Example 6:  6: 만노스Mannos 6-인산 이성화 효소 유전자와 그에 따른 돌연변이를 포함하는 재조합 발현 벡터 및 형질전환 미생물의 제조 Preparation of Recombinant Expression Vectors and Transgenic Microorganisms Comprising 6-Phosphate Isomerase Gene and Corresponding Mutations

만노스 6-인산 이성화 효소를 제조하기 위하여, 써머스 써모필러스(Thermus thermophilus) 균주로부터 유래한 만노스 6-인산 이성화 효소를 먼저 분리하였다. For the production of mannose 6-phosphate isomerase, the mannose 6-phosphate isomerase derived from Thermococcus sseomeoseu pillar's (Thermus thermophilus) strain it was first separated.

구체적으로 유전자 염기서열과 아미노산 서열이 이미 특정되어 있는 써머스 써모필러스(Thermus thermophilus) KCCM 40879 균주를 선별하고, 이로부터 유래한 만노스 6-인산 이성화 효소의 공지의 DNA 염기서열(Genebank Accession Number AP008226; 서열목록 1)을 기초로 하여 다음의 프라이머(primer)를 고안하였다.Specifically, gene sequence and the amino acid sequence's sseomeoseu Thermo filler that has already been specified (Thermus thermophilus) DNA base sequence of the known KCCM of mannose 6-phosphate isomerase derived from screening the 40 879 strains, and from which the (Genebank Accession Number AP008226; Based on SEQ ID NO 1), the following primers were designed.

서열번호 6(정방향 프라이머): TTTCATATGAGGCGGTTGGAGCCCAASEQ ID NO: 6 (Forward primer): TTT CATATG AGGCGGTTGGAGCCCAA

서열번호 7(역방향 프라이머): TTTGAATTCACTCACGCCCCCTCCTTSEQ ID NO: 7 (reverse primer): TTT GAATTC ACTCACGCCCCCTCCTT

상기 프라이머는 각각 Nde I과 EcoR I 제한효소 절단부분으로 설계되었다. 상기 프라이머를 이용한 중합효소 연쇄반응(PCR)을 실시하여 해당 유전자의 염기서열을 증폭하였다. 대량으로 얻은 만노스 6-인산 이성화 효소 유전자는 제한효소 Nde I 및 EcoR I을 사용하여 플라스미드 벡터 pET 28(+)(Novagen 사)에 삽입하여 pET 28(+)a/만노스 6-인산 이성화 효소를 제작하였다.The primers were designed with Nde I and EcoR I restriction enzyme cleavage sites, respectively. PCR was performed using the primers to amplify the nucleotide sequence of the gene. Mannose 6-phosphate isomerase genes obtained in large quantities are restriction enzymes Nde I and EcoR. I was inserted into the plasmid vector pET 28 (+) (Novagen) to prepare pET 28 (+) a / mannose 6-phosphate isomerase.

만노스 6-인산 이성화 효소의 돌연변이벡터를 제작하기 위하여 프라이머(primer)를 고안하였다(표 1 참조). 상기 프라이머와 Quick-Change kit (Stratagene, Beverly, MA)를 이용하여 돌연변이를 유발하여 pET 28(+)a/만노스 6-인산 이성화 효소 돌연변이벡터를 제작하였다.Primers were designed to construct mutant vectors of mannose 6-phosphate isomerase (see Table 1). Mutation was induced using the primers and the Quick-Change kit (Stratagene, Beverly, MA) to construct a pET 28 (+) a / mannose 6-phosphate isomerase mutant vector.

상기와 같이 얻은 재조합 발현 벡터는 통상적인 형질전환 방법에 의하여 대장균 ER 2566 균주에 형질 전환하였다. 또한, 상기 형질전환된 미생물은 20% 글리세린(glycerine) 용액을 첨가하여 리보스의 생산을 위한 배양을 실시하기 전에 냉동 보관하였다.The recombinant expression vector thus obtained was transformed into E. coli ER 2566 strain by a conventional transformation method. In addition, the transformed microorganism was stored frozen before the culture for the production of ribose by adding a 20% glycerin (glycerine) solution.

Figure 112010042131714-pat00001
Figure 112010042131714-pat00001

표 1은 만노스 6-인산 이성화 효소의 돌연변이벡터를 제작하기 위하여 프라이머(primer)이다.Table 1 shows primers for constructing mutant vectors of mannose 6-phosphate isomerase.

실시예Example 7:  7: 만노스Mannos 6-인산 이성화효소 및 돌연변이 효소의 제조 Preparation of 6-Phosphate Isomerase and Mutant Enzymes

만노스 6-인산 이성화효소 및 돌연변이 효소를 대량 생산하기 위하여, 상기 실시예 6에서 제작하고, 냉동 보관된 재조합 대장균 ER 2566 균주를 LB 배지 3㎖이 들어있는 시험관(test tube)에 접종하고 600㎚에서 흡광도가 2.0이 될 때까지 37℃의 진탕 배양기로 종균 배양을 실시하였다. 그 다음 상기 종균 배양된 배양액을 LB 배지 500㎖이 들어있는 2,000㎖ 플라스크에 첨가하여 본 배양을 실시하였다. 또한, 600㎚에서의 흡광도가 0.6 이 될 때, 0.1mM IPTG를 첨가하여 만노스 6-인산 이성화효소의 대량 발현을 유도하였다. 상기 과정 중의 교반 속도는 200rpm, 배양 온도는 37℃가 유지하도록 조절하고, IPTG를 첨가한 후에 교반 속도는 150rpm, 배양 온도는 16℃로 조정하여 배양하였다.In order to mass produce mannose 6-phosphate isomerase and mutant enzyme, the recombinant E. coli ER 2566 strain prepared in Example 6 was inoculated into a test tube containing 3 ml of LB medium and inoculated at 600 nm. The spawn cultivation was performed by shaking incubator at 37 degreeC until absorbance became 2.0. The seed cultured culture was then added to a 2,000 ml flask containing 500 ml of LB medium to carry out the main culture. In addition, when the absorbance at 600 nm became 0.6, 0.1 mM IPTG was added to induce mass expression of mannose 6-phosphate isomerase. The stirring rate during the process was adjusted to 200rpm, the culture temperature was maintained at 37 ℃, and after the addition of IPTG, the stirring rate was adjusted to 150rpm, the culture temperature was adjusted to 16 ℃.

또한, 상기와 같이 과발현되어 생산된 만노스 6-인산 이성화효소 및 돌연변이 효소는, 상기 형질전환된 균주의 배양액을 6,000×g로 4℃에서 30분 동안 원심분리하고, 0.85% 염화나트륨(NaCl)으로 두번 세척한 다음 50mM 제일인산 나트륨, 300mM 염화나트륨, 10mM 이미다졸(immidazole), 0.1mM 단백분해 효소 저해제(phenylmethylsulfonyl fluoride)를 첨가하여 상기 세포 용액을 파쇄기(sonicator)로 파쇄하였다. 상기 세포 파쇄물은 다시 13,000×g로 4℃에서 20분 동안 원심분리하고 세포 펠렛은 제거한 다음 세포 상등액만을 얻어 고속 단백질 액체 크로마토그라피(fast protein liquid chromatography system(Bio-Rad Laboratories, Hercules, CA, USA))에 히스 텍(His-tag)를 이용한 히스트랩 에이치피(HisTrap HP) 흡착 컬럼을 장착 하여 리보스 생산에 사용되는 효소액으로서 분리하였다.
In addition, the mannose 6-phosphate isomerase and the mutant enzyme produced as overexpressed as described above were centrifuged at 6,000 × g for 30 minutes at 6,000 × g and twice with 0.85% sodium chloride (NaCl). After washing, the cell solution was crushed by adding 50 mM sodium phosphate, 300 mM sodium chloride, 10 mM imidazole, 0.1 mM protease inhibitor (phenylmethylsulfonyl fluoride). The cell lysate was again centrifuged at 13,000 × g for 20 minutes at 4 ° C., the cell pellet was removed, and only the cell supernatant was obtained, followed by a fast protein liquid chromatography system (Bio-Rad Laboratories, Hercules, CA, USA). ) Was equipped with a HisTrap HP adsorption column using a heat-tag and separated as an enzyme solution used for ribose production.

실시예Example 8:  8: 만노스Mannos 6-인산 이성화효소와 돌연변이 효소의 엘- L- of 6-phosphate isomerase and mutant enzyme 리불로오스에In Ribuloose 대한 specific  For specific activityactivity  And kinetickinetic parameterparameter

만노스 6-인산 이성화효소 및 돌연변이 효소의 엘-리불로오스에 대한 specific activity를 측정 및 비교하는 실험을 수행하였다.Experiments were performed to measure and compare the specific activity of mannose 6-phosphate isomerase and mutant enzymes against el-ribulose.

상기 효소 반응은 10 mM 리불로오스, 0.5 mM Cu2 +의 금속 이온이 포함된 50 mM PIPES 완충용액(pH 7.0)을 사용하여 75℃에서 5분 동안 수행하였고, 다시 최종 농도 200 mM 염화 수소을 첨가하여 상기 반응을 정지시켰다. 본 발명에서는 효소 활성은 리보오스를 기질로 사용하여 측정되었고, 상기 효소 활성의 효소 1 단위(unit)는 pH 7.0와 75℃에서 분당 1 nmole의 리보오스를 생산하는 양으로 정의하여 비교분석을 원활히 하였다. 또한, 효소 활성의 측정 시 리보오스 농도 및 리불로오스 농도 그리고 다른 당들의 분석은 전기화학적 검출기(electrochemical detector) 및 카보팩 피에이(CarboPacPA) 컬럼 이 장착된 바이오 액체 크로마토그래피(Bio-LC) 시스템 (Dionex ICS-3000, Sunnylvale, CA)을 이용하여 진행되었다. 이 때, 상기 카보팩 피에이(CarboPacPA) 컬럼은 30℃에서 1 ㎖/분 속도로 200 mM 수산화 나트륨을 통과시키도록 하였다.The enzyme reaction was using 10 mM Li fire agarose, 0.5 mM Cu 2 + a 50 mM PIPES metal ions are contained in a buffer solution (pH 7.0) performed on the 75 ℃ for 5 minutes, again adding a final concentration of 200 mM chloride susoeul The reaction was stopped. In the present invention, the enzyme activity was measured using ribose as a substrate, and the enzyme activity (unit) of the enzyme activity was defined as the amount to produce 1 nmole of ribose per minute at pH 7.0 and 75 ℃ to facilitate the comparative analysis. In addition, the analysis of ribose and ribulose concentrations and other sugars in the measurement of enzyme activity was carried out using a bio-liquid chromatography (Bio-LC) system equipped with an electrochemical detector and a CarboPacPA column. Dionex ICS-3000, Sunnylvale, CA). At this time, the CarboPacPA column was allowed to pass 200 mM sodium hydroxide at 30 ° C. at a rate of 1 ml / min.

그 결과, R142N 돌연변이 효소에서 wild 효소에 비해 엘-리불로오스를 기질로 하였을때 활성이 1.4배 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이에따른 kinetic 실험을 수행한 결과 catalytic efficiency가 374 mM-1s- 1 인 wild 효소에 비해 R142N 돌연변이 효소는 579 mM-1s- 1 로써 1.5배 향상됨을 확인 할 수 있었다. 이는 현재까지 엘 리불로스에서 엘 리보오스 전환하는 효소 반응 중에서 가장 높은 수치임을 확인할 수 있었다(표 2 참조).As a result, it was confirmed that the activity was increased by 1.4-fold when L- ribulose substrate as compared to wild enzyme in the R142N mutant enzyme. As a result of the kinetic experiments, it was confirmed that R142N mutant enzyme was 1.5 times improved to 579 mM -1 s - 1 compared to wild enzyme having a catalytic efficiency of 374 mM -1 s - 1 . It was confirmed that this is the highest level of enzyme reaction of el ribose to el ribose to date (see Table 2).

Figure 112010042131714-pat00002
Figure 112010042131714-pat00002

표 2는 만노스 6-인산 이성화 효소와 그 돌연변이 효소의 엘-리불로스에 대한 specific activity 및 kinetic parameters를 나타낸 것이다.Table 2 shows the specific activity and kinetic parameters of mannose 6-phosphate isomerase and its mutant enzymes for el-ribulose.

실시예Example 9:  9: 만노스Mannos 6-인산 이성화효소와 돌연변이 효소를 이용한 엘  EL using 6-phosphate isomerase and mutant enzyme 리불로오스로부Libuloseurobu 터 엘 Ter El 리보스의Ribose 전환 비교 Conversion comparison

만노스 6-인산 이성화효소와 돌연변이 효소를 이용한 리보스의 생산 방법을 개발하기 위하여, 상기에서 확인한 효소의 최적 pH 7.0 및 효소활성이 절반으로 줄어든 시간을 고려한 온도(65 ℃)에서 10 mM 리불로오스를 가지고 리보스의 시간별 생산량을 측정하였다.In order to develop a method for producing ribose using mannose 6-phosphate isomerase and a mutant enzyme, 10 mM ribulose was prepared at a temperature (65 ° C) considering the optimum pH 7.0 and the time when the enzyme activity was reduced by half. The hourly yield of ribose was measured.

그 결과, 반응 70분 후에 10 mM의 리불로오스에서 리보스로 전환되는 전환율이 wild 효소에서는 51%, R142N 돌연변이 효소는 64% 임을 확인하였다( 도 5 참조). 이는 현재까지 리보스의 생산 중 가장 높은 생산성을 나타낸 것은 써머스 써모필러스(Thermus thermophilus) 유래의 만노스 6-인산 이성화 효소였지만, 그에 따른 돌연 변이 효소인 R142N 돌연변이 효소가 보다 높은 활성을 보임을 확인 할 수 있었다. 이것은 R142N 돌연변이 효소가 보고된 생물학적 엘-리보스 생산에서 가장 높은 생산성 및 생산농도를 가진 써머스 써모필러스(Thermus thermophilus)로부터 유래한 만노스 6-인산 이성화 효소를 능가하는 엘-리보스 생산 효소임을 나타낸다.As a result, 70 minutes after the reaction, the conversion ratio of ribulose to ribose at 10 mM was found to be 51% for wild enzyme and 64% for R142N mutant enzyme (see FIG. 5). The highest productivity of ribose production so far is Summers. Thermophilus ( Thermus thermophilus ) was derived from mannose 6-phosphate isomerase, but the mutant R142N mutant enzyme showed a higher activity. This enzyme is reported mutations R142N the biological el-sseomeoseu with the highest productivity and production levels in ribose production It is shown to be an el-ribose producing enzyme that surpasses mannose 6-phosphate isomerase derived from Thermus thermophilus .

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.

서열목록 전자파일 첨부Attach an electronic file to a sequence list

Claims (12)

삭제delete 서열번호 1의 아미노산 서열의 만노스 6-인산 이성화효소의 142번 잔기의 아미노산을 아르지닌(Arg)에서 아스파라긴(Asn)으로 변환시킨 R142N 돌연변이 만노스 6-인산 이성화효소.R142N mutant mannose 6-phosphate isomerase wherein amino acid of residue 142 of mannose 6-phosphate isomerase of amino acid sequence of SEQ ID NO: 1 is converted from arginine (Arg) to asparagine (Asn). 삭제delete 삭제delete 제 2항의 돌연변이 만노스 6-인산 이성화효소를 코딩하는 유전자.The gene encoding the mutant mannose 6-phosphate isomerase of claim 2. 제 5항에 있어서, 상기 유전자는 서열번호 3에 기재된 염기서열을 가지는 유전자.The gene according to claim 5, wherein the gene has a nucleotide sequence set forth in SEQ ID NO: 3. 제 5항 또는 제 6항의 만노스 6-인산 이성화효소 유전자를 포함하는 재조합 발현 벡터.A recombinant expression vector comprising the mannose 6-phosphate isomerase gene of claim 5 or 6. 제 7항에 있어서, 상기 재조합 발현벡터는 도 8에 기재된 개열지도를 가지는 것을 특징으로 하는 재조합 발현 벡터.8. The recombinant expression vector of claim 7, wherein said recombinant expression vector has a cleavage map as described in FIG. 서열번호 1의 아미노산 서열의 만노스 6-인산 이성화효소의 142번 잔기의 아미노산을 아르지닌(Arg)에서 아스파라긴(Asn)으로 변환시킨 R142N 돌연변이 만노스 6-인산 이성화효소를 제조하여 야생형 만노스 6-인산 이성화효소의 엘 리보스 생산성을 개선하는 방법.A wild type mannose 6-phosphate isomerized by preparing an R142N mutant mannose 6-phosphate isomerase obtained by converting the amino acid of residue 142 of mannose 6-phosphate isomerase of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1 from arginine (Arg) to asparagine (Asn) How to improve the el ribose productivity of the enzyme. 제 2항의 만노스 6-인산 이성화효소를 이용하여 리보스를 생산하는 방법.A method of producing ribose using mannose 6-phosphate isomerase of claim 2. 제 10항에 있어서, 상기 리보스는 L-리보스(L-ribose)이고, L-리불로오스(L-ribulose)를 기질로 사용하여 생산되는 것을 특징으로 하는 리보스를 생산하는 방법.The method of claim 10, wherein the ribose is L-ribose and is produced using L-ribulose as a substrate. 제 2항의 만노스 6-인산 이성화효소를 포함하는 리보스 생산용 조성물.A composition for producing ribose comprising the mannose 6-phosphate isomerase of claim 2.
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