KR101247290B1 - Enzyme-immobilized magnetic nanoparticles for biodegradation of refractory aromatic compounds and method for producing thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수질오염물질인 난분해성 방향족화합물을 고효율로 생분해하는 효소 고정화 자성나노입자 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게 미생물 유래의 효소인 페놀-단일산화효소 (phenol-monooxygenase) 및 카테콜-이산화효소(catechol 1, 2-dioxygenase)를 실리카-자성나노입자(silica-magnetic nanoparticles)의 표면에 결합시킨 효소 고정화 자성나노입자 및 그의 제조방법에 관한 것이 개시된다.The present invention relates to an enzyme-immobilized magnetic nanoparticles for biodegrading a biodegradable aromatic compound, which is a water pollutant with high efficiency, and a method for preparing the same, and more specifically, phenol-monooxygenase and catechol, which are enzymes derived from microorganisms. Disclosed are an enzyme-immobilized magnetic nanoparticle in which catechol 1 (2-dioxygenase) is bound to the surface of silica-magnetic nanoparticles and a method for producing the same.
Description
본 발명은 수질오염물질인 난분해성 방향족화합물을 고효율로 생분해하는 난분해성 방향족화합물의 생분해 효소가 고정화된 자성나노입자 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게 미생물 유래의 효소인 페놀-단일산화효소 (phenol-monooxygenase) 및 카테콜-이산화효소(catechol 1, 2-dioxygenase)를 실리카-자성나노입자(silica-magnetic nanoparticles)의 표면에 결합시킨 난분해성 방향족화합물의 생분해 효소가 고정화된 자성나노입자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to magnetic nanoparticles to which biodegradable enzymes of hardly decomposable aromatic compounds are biodegradable, which are water contaminants, and methods for preparing the same, and more particularly, phenol-monooxidase which is an enzyme derived from microorganisms. magnetic nanoparticles immobilized with biodegradable enzymes of hardly decomposable aromatic compounds in which (phenol-monooxygenase) and catechol 1 (2-dioxygenase) are bound to the surfaces of silica-magnetic nanoparticles; It relates to a manufacturing method.
낙동강의 페놀 유출 사고, 미국의 미시시피강 페놀오염사건 등으로 인해 국·내외에서 유해물질에 대한 경각심이 증가되고 있으며 특히 제지 및 플라스틱 사업장의 유출수에서 다량 발생되는 페놀과 같은 방향족화합물은 환경에 유출되면 먹이사슬을 통해 인체에 유입되어 발암성물질이 되거나 환경호르몬으로 작용하고 있어 생물체에 심각한 영향을 끼치는 독성 물질이다.
The phenol spill in the Nakdong River and the phenol pollution in the Mississippi River in the United States have increased awareness of harmful substances both at home and abroad.In particular, aromatic compounds such as phenol, which are produced in large quantities in the effluent from the paper and plastics business, are released into the environment. It is a toxic substance that enters the human body through the food chain and becomes a carcinogenic substance or acts as an environmental hormone, which seriously affects living organisms.
상기한 난분해성 방향족화합물을 제거하기 위한 방법으로 활성탄소(activated carbon), 추출(extraction) 및 화학적 산화(chemical oxidation)에 의한 방법 등이 알려져 왔으나 높은 유지 및 처리 비용, 제한된 적용범위, 처리의 불완전성, 유해한 2차 오염물질이 발생된다는 단점을 지니고 있다. 또한 페놀 등의 난분해성 방향족화합물을 분해하는 특정 미생물처리에 의한 생물학적인 방법을 이용한 예도 있으나 미생물 대사효율이 매우 낮아 폐수 내에 함유되어 있는 페놀류와 같은 화합물을 신속히 분해하지 못할 뿐 아니라, 외부로부터 주입된 미생물의 배양, 활성상태 유지 및 회수가 어려워 공정비용을 증가시킨다. 이러한 단점을 해결하고자 최근 페놀을 포함하는 난분해성 방향족화합물을 산화시켜 분해할 수 있는 효소를 이용하는 연구가 진행 되고 있다.
As a method for removing the hardly decomposable aromatic compounds, methods such as activated carbon, extraction, and chemical oxidation have been known, but high maintenance and treatment costs, limited coverage, and incomplete treatment It has the disadvantage of generating harmful and harmful secondary pollutants. In addition, there is an example using a biological method by a specific microorganism treatment to decompose hardly decomposable aromatic compounds, such as phenol, but due to the very low microbial metabolic efficiency, it is not possible to quickly decompose compounds such as phenols contained in wastewater, It is difficult to cultivate, maintain and recover the microorganisms, which increases the process cost. In order to solve these drawbacks, a research using an enzyme capable of oxidizing and decomposing hardly decomposable aromatic compounds containing phenol has been conducted.
미국특허등록 제 7214507에서는 난분해성 유기물질(xenobiotics)을 분해하기위해 국화과 식물(Asteraceae)의 시토크롬 P450(cytochrome P450)를 적용한 방법에 대해 개시하고 있는데, 이는 식물 유래의 유전자를 이종발현(heterologous expression)하는 방법은 대량생산이 어렵다는 단점이 있다.
U.S. Patent No. 7214507 discloses a method of applying cytochrome P450 of Asteraceae to decompose xenobiotics, which is a heterologous expression of plant-derived genes. There is a disadvantage in that mass production is difficult.
미국특허등록 제 06858417호에는 랄스토니아 유트로파(Ralstonia eutropha strain TB64) 로부터 신규 분리한 톨루엔 단일산화효소(toluene monooxygenase)를 도입한 대장균을 이용해 페놀, 톨루엔, 벤젠 등의 다양한 방향족화합물을 분해하는 방법에 대해 개시하고 있는데, 여기서 사용되는 재조합미생물의 활성을 유지하기 위해 배양액과 배양환경을 일정하게 유지해 주어야 하며, 미생물 균주의 재사용이 어렵다.U.S. Patent No. 06858417 discloses Ralstonia eutropha A method of degrading various aromatic compounds such as phenol, toluene, and benzene using E. coli introduced with new toluene monooxygenase isolated from strain TB64) is disclosed. In order to maintain a constant culture medium and culture environment, it is difficult to reuse microbial strains.
또한, 대한민국특허등록 제 10-2006-0135353호에는 동식물세포 유래의 산화·환원효소(horseradish peroxidase, HRP. EC 1.11.1.7)를 다공성탄소전극 표면에 고정하여 페놀을 분해하는 방법에 대해 개시하고 있는데, 이용된 효소는 과산화수소에 의한 활성화 및 전기화학적 수처리 단계가 수반되는 단점이 있다.
In addition, Korean Patent Registration No. 10-2006-0135353 discloses a method for decomposing phenol by fixing horseradish peroxidase (HRP.EC 1.11.1.7) derived from a flora and fauna on the surface of a porous carbon electrode. However, the enzymes used have disadvantages involving activation by hydrogen peroxide and electrochemical water treatment steps.
이러한 종래 기술의 문제점으로 인하여, 방향족화합물의 고리-구조(ring-structure)를 깨뜨릴 수 있는 산화효소를 대량으로 생산하여, 종래기술에 비하여 안정하게 효소 활성을 유지 시킬 수 있으며, 효소를 재사용함으로써 경제성을 증가시킬 수 있는 효소 고정화기술이 요구되고 있다.
Due to the problems of the prior art, by producing a large amount of oxidase that can break the ring-structure of the aromatic compound, it is possible to maintain the enzyme activity more stably than the prior art, and economical by reusing the enzyme There is a need for an enzyme immobilization technology capable of increasing the amount of.
본 발명은 전술한 종래기술들의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, The present invention has been made to solve the above problems of the prior art,
본 발명은 페놀류 방향족화합물의 고리-구조를 깨뜨려 독성을 제거할 수 있는 산화효소를 대장균에서 대량으로 발현시키고, 상기 산화효소를 자성나노입자에 고정화함으로써 난분해성 방향족화합물을 분해하는데 효소를 효과적으로 사용할 수 있는 생분해 효소 고정화 자성나노입자 및 그의 제조방법을 제공하는 것을 그 해결과제로 한다. The present invention can effectively use enzymes to decompose difficult-decomposable aromatic compounds by expressing large amounts of oxidases in Escherichia coli, which can break down the ring-structure of phenolic aromatic compounds, and immobilize the oxidases on magnetic nanoparticles. The present invention provides a biodegradable enzyme-immobilized magnetic nanoparticle and a method for producing the same.
또한, 본 발명은 기존의 방향족화합물 산화효소는 분자량이 크고 복잡한 입체구조를 지니고 있으므로 대장균에서의 대량발현이 어렵고 효소의 안정성을 유지하기 힘들다. 그러나 본 발명에서는 복합구조를 형성하지 않는 산화효소를 대장균에서 대량발현하고, 이를 자성나노입자에 고정화함으로써 효소에 안정성을 부여함과 동시에 방향족화합물을 효과적으로 분해하는 방법을 제공하는 것을 또 다른 해결과제로 한다.
In addition, the present invention, the existing aromatic compound oxidase has a large molecular weight and has a complex three-dimensional structure is difficult to mass expression in E. coli and difficult to maintain the stability of the enzyme. However, in the present invention, a large amount of oxidase that does not form a complex structure in E. coli and immobilized on magnetic nanoparticles provides stability to enzymes and at the same time provides a method for effectively decomposing aromatic compounds. do.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 난분해성 방향족화합물의 생분해 효소가 고정화된 자성나노입자는 1주기 전이금속 또는 그 전이금속의 이온을 표면에 코팅된 실리카-자성나노입자의 표면에 난분해성 방향족화합물 생분해 효소로서 이미다졸 작용기를 포함하는 아미노산인 히스티딘을 결합시킨 형태로 대장균에서 각각 이종발현시켜 대량생산 한 페놀-단일산화효소 또는 카테콜-이산화효소가 고정화되어 있는 것을 특징으로 한다. Magnetic nanoparticles to which the biodegradable enzyme of the hardly decomposable aromatic compound of the present invention is immobilized to solve the above problems are hardly decomposable aromatics on the surface of silica-magnetic nanoparticles coated on the surface of one-cycle transition metal or ions of the transition metal. Compound phenol-monooxidase or catechol-dioxidase immobilized by heterologous expression in Escherichia coli, respectively, in the form of combining histidine, an amino acid containing an imidazole functional group, as a biodegradable enzyme.
여기서, 상기 1주기 전이금속은 니켈, 구리, 코발트, 아연으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 한다. Here, the one-cycle transition metal is characterized in that any one selected from the group consisting of nickel, copper, cobalt, zinc.
여기서, 상기 전이금속의 이온은 니켈, 구리, 코발트, 아연으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 전이금속의 이온인 것을 특징으로 한다. Here, the ion of the transition metal is characterized in that the ion of the transition metal is any one selected from the group consisting of nickel, copper, cobalt, zinc.
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여기서, 상기 산화효소는 모노페놀-단일산화효소(monophenol-monooxygenase), 클로로페놀-단일산화효소 (chlorophenol-monooxygenase), 펜타클로로페놀-단일산화효소 (pentachlorophenol-monooxygenase), 니트로페놀-단일산화효소 (nitrophenol-monooxygenase)로 이루어진 군에서 선택되는 페놀-단일산화효소인 것을 특징으로 한다. Here, the oxidase is monophenol-monooxygenase (monophenol-monooxygenase), chlorophenol-monooxygenase (pentachlorophenol-monooxygenase), nitrophenol-monooxidase ( nitrophenol-monooxygenase) is characterized in that the phenol-monooxidase selected from the group consisting of.
여기서, 상기 산화효소는 카테콜 1, 2-이산화효소 (cathecol 1, 2-dioxygenase), 카테콜 2, 3-이산화효소(catechol 2, 3-dioxygenase), 프로토카테츄에트-이산화효소(protocatechuate-dioxygenase), 젠티세이트-이산화효소 (gentisate-dioxygenase) 벤젠-이산화효소 (benzen-dioxygenase), 벤조에이트-이산화효소 (benzoate-dioxygenase), 톨루엔-이산화효소 (toluene-dioxygenase), 나프탈렌-이산화효소 (naphthalene-dioxygenase)로 이루어진 군에서 선택되는 카테콜-이산화효소인 것을 특징으로 한다. Here, the oxidase is
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또한, 본 발명은 FeCl2용액과 FeCl3 용액을 혼합한 후 교반하면서 NH4OH 용액을 한 방울씩 떨어뜨려 반응시킨 생성물에 0.5∼2M의 TEOS(tetraethyl orthosilicate)를 넣고 20∼24시간 동안 반응시켜 1∼100nm의 직경을 갖는 실리카-자성나노입자를 준비하고, 상기 실리카-자성나노입자를 1주기 전이금속 또는 그 전이금속의 이온을 포함하는 수용액에 침지하여 반응시켜 얻어지는 1주기 전이금속 또는 그 전이금속의 이온이 표면에 코팅되어 포함된 실리카-자성나노입자를 제조하여 준비한 다음, 상기 실리카-자성나노입자를 난분해성 방향족화합물을 생분해하는 효소로 이미다졸 작용기를 포함하는 아미노산인 히스티딘을 결합시킨 형태로 이종발현시켜 된 페놀-단일산화효소(phenol-monooxygenase) 또는 카테콜-이산화효소(catechol-dioxygenase)가 녹아있는 인산염완충액 (phosphate buffered saline, pH 7.4)에 첨가한 후 교반온도 1 ℃ ~ 10 ℃, 교반시간 30 분 ~ 2 시간의 조건하에 교반한 다음, 자석을 이용해서 효소가 결합된 자성나노입자를 용액에서 분리하여, 인산염완충액으로 세척하여 되는 것을 특징으로 하는 난분해성 방향족화합물의 생분해 효소가 고정화된 자성나노입자의 제조방법이 제공된다.In addition, the present invention is mixed with a FeCl 2 solution and FeCl 3 solution, dropping the NH 4 OH solution drop by drop while stirring and reacted with 0.5 ~ 2M TEOS (tetraethyl orthosilicate) in the reaction product for 20 to 24
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또한, 본 발명에서는 상기 개시되는 효소 고정화 자성나노입자 또는 상기 제조방법에 의해 제조된 효소 고정화 자성나노입자를 방향족화합물 또는 페놀류 방향족화합물로 오염된 오염수 총 중량에 대하여 0.01 ~ 0.1 중량%가 함유되도록 투입하여 이들을 생분해 하는 방법이 개시된다.
In addition, in the present invention, the enzyme-immobilized magnetic nanoparticles described above or the enzyme-immobilized magnetic nanoparticles prepared by the above method are contained so as to contain 0.01 to 0.1% by weight relative to the total weight of contaminated water contaminated with an aromatic compound or a phenolic aromatic compound. A method of biodegrading these by input is disclosed.
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본 발명은 산화효소를 이용한 난분해성 페놀류 방향족화합물을 생분해하고 자성나노입자에 효소를 고정화함으로써 분해효율을 증가시키는 방법으로 제공함으로써, 기존의 방향족화합물 처리를 위한 물리·화학·생물학적 방법에 비하여, 보다 쉽고 빠르고 경제적인 방법으로 오염된 수질환경을 개선할 수 있다.
The present invention provides a method of increasing the decomposition efficiency by biodegrading the hardly decomposable phenolic aromatic compounds using oxidase and immobilizing the enzymes on the magnetic nanoparticles, and compared with the physical, chemical and biological methods for treating aromatic compounds. It is possible to improve the polluted water environment in an easy, fast and economic way.
도 1은 실리카-자성나노입자의 표면에 질산니켈(nickel nitrate) 을 반응시켜 니켈 이가 이온(Ni2+) 을 결합시킨 니켈/실리카-자성나노입자의 제조 과정을 단계적으로 묘사한 그림이다.
도 2는 코리네박테리움 글루타미쿰의 페놀 생분해경로를 개략적으로 나타낸 그림이다.
도 3은 실리카-자성나노입자의 외피부/내부구조가 나타난 투과 전자 현미경(TEM, transmission electron microscopy) 사진이다.
도 4는 본 발명에 따라 제조된 자성나노입자, 실리카-자성나노입자 및 니켈/실리카-자성나노입자의 FT-IR(fourier transform-infrared) 분광분석 그래프이다.
도 5는 페놀-단일산화효소와 카테콜-이산화효소 유전자를 클로닝 (cloning)한 벡터(vector) DNA의 모식도이다.
도 6은 페놀-단일산화효소와 카테콜-이산화효소를 대장균에서 이종발현 시킨 후, 친화 크로마토그래피(affinity chromatography)로 정제한 단백질의 전기영동(SDS-polyacrylamide gel electrophoresis)그림이다.
도 7은 니켈/실리카-자성나노입자에 고정한 페놀-단일산화효소와 카테콜-이산화효소를 이용한 페놀과 카테콜 생분해과정을 분광형광계(spectrofluorometer)와 고성능액체크로마토크래피(HPLC, high performance liquid chromatography)로 각각 분석한 그림이다.1 is a silica-picture depicting the manufacturing process in steps of magnetic nanoparticles - nickel nitrate (nickel nitrate) The reaction was divalent nickel ion having a nickel / silica combination of (Ni 2+) on the surfaces of the magnetic nanoparticles.
Figure 2 is a schematic diagram showing the phenol biodegradation pathway of Corynebacterium glutamicum.
3 is a transmission electron microscopy (TEM) photograph showing the outer skin / internal structure of silica-magnetic nanoparticles.
4 is a FT-IR spectroscopic graph of magnetic nanoparticles, silica-magnetic nanoparticles, and nickel / silica-magnetic nanoparticles prepared according to the present invention.
5 is a schematic diagram of a vector DNA cloned (cloning) phenol-monooxidase and catechol-dioxidase gene.
FIG. 6 is a SDS-polyacrylamide gel electrophoresis diagram of phenol-monooxidase and catechol-dioxidase heterologous expression in E. coli, followed by protein purification purified by affinity chromatography.
7 is a fluorochemical and fluorocarbon (CLC) biodegradation process using phenol-monooxidase and catechol-dioxidase immobilized on nickel / silica-magnetic nanoparticles (HPLC, high performance liquid chromatography). Figures analyzed by).
이하, 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
본 발명은 미생물, 동물 및 식물체에서 선택되는 산화효소를 이용한 페놀류 방향족화합물의 친환경적인 생분해 방법으로 효소의 안정성을 증가시키기 위한 방법으로 실리카-자성나노입자 표면에 상기 산화효소가 고정화된 효소 고정화 자성나노입자를 제공함으로써 달성된다.The present invention is a method for increasing the stability of the enzyme by environmentally friendly biodegradation method of phenolic aromatic compounds using oxidase selected from microorganisms, animals and plants, enzyme immobilized magnetic nano-immobilized on the surface of silica-magnetic nanoparticles By providing particles.
본 발명에 따르면, 난분해성 방향족화합물의 생분해 효소가 고정화된 자성나노입자는 1주기 전이금속 또는 그 전이금속의 이온을 표면에 포함하는 실리카-자성나노입자의 표면에 히스티딘이 표지된 난분해성 방향족화합물의 생분해 효소가 고정화 되어 완성된다. According to the present invention, the magnetic nanoparticles to which the biodegradable enzyme of the hardly decomposable aromatic compound is immobilized are hardly decomposable aromatic compounds whose histidine is labeled on the surface of the silica-magnetic nanoparticles containing one cycle transition metal or ions of the transition metal on the surface thereof. The biodegradable enzyme is immobilized and completed.
상기 1주기 전이금속은 니켈, 구리, 코발트, 아연으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 사용하는 것이 바람직하다.The one-cycle transition metal is preferably used any one selected from the group consisting of nickel, copper, cobalt, zinc.
상기 전이금속의 이온은 니켈, 구리, 코발트, 아연으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 전이금속의 이온인 것이 좋다. The ion of the transition metal is preferably an ion of the transition metal, which is any one selected from the group consisting of nickel, copper, cobalt and zinc.
본 발명에 의하면, 상기 난분해성 방향족화합물의 생분해 효소는 페놀-단일산화효소(phenol-monooxygenase) 또는 카테콜-이산화효소(catechol-dioxygenase)를 자성나노입자에 고정화 하는 것이 바람직하다. According to the present invention, the biodegradable enzyme of the hardly degradable aromatic compound is preferably immobilized phenol-monooxygenase or catechol-dioxygenase on the magnetic nanoparticles.
보다 바람직하게는 상기 난분해성 방향족화합물의 생분해 효소는 모노페놀-단일산화효소(monophenol-monooxygenase), 클로로페놀-단일산화효소 (chlorophenol-monooxygenase), 펜타클로로페놀-단일산화효소 (pentachlorophenol-monooxygenase), 니트로페놀-단일산화효소 (nitrophenol-monooxygenase)로 이루어진 군에서 선택되는 페놀-단일산화효소, 또는, 카테콜 1, 2-이산화효소 (cathecol 1, 2-dioxygenase), 카테콜 2, 3-이산화효소(catechol 2, 3-dioxygenase), 프로토카테츄에트-이산화효소(protocatechuate-dioxygenase), 젠티세이트-이산화효소 (gentisate-dioxygenase) 벤젠-이산화효소 (benzen-dioxygenase), 벤조에이트-이산화효소 (benzoate-dioxygenase), 톨루엔-이산화효소 (toluene-dioxygenase), 나프탈렌-이산화효소 (naphthalene-dioxygenase)로 이루어진 군에서 선택되는 카테콜-이산화효소인 것이 더욱 좋다. More preferably, the biodegradable enzyme of the hardly degradable aromatic compound is monophenol-monooxygenase, chlorophenol-monooxygenase, pentachlorophenol-monooxygenase, Phenol-monooxidase selected from the group consisting of nitrophenol-monooxygenase, or
본 발명에 따르면, 상기 난분해성 방향족화합물의 생분해 효소는 아미노산 서열의 말단에 4개 내지 12개의 연속된 히스티딘 서열을 포함하는 것을 사용하는 것이 바람직하다. According to the present invention, it is preferable to use the biodegradable enzyme of the hardly degradable aromatic compound including 4 to 12 consecutive histidine sequences at the terminal of the amino acid sequence.
본 발명에 의하면, 상기 페놀-단일산화효소 또는 카테콜-이산화효소는 이미다졸 작용기를 포함하는 아미노산인 히스티딘을 결합시킨 형태로 대장균에서 각각 이종발현시켜 대량생산한 것을 사용한다. According to the present invention, the phenol-monooxidase or catechol-dioxidase is used in combination with histidine, an amino acid containing an imidazole functional group, in the form of heterologous expression in Escherichia coli, respectively, for mass production.
본 발명에 따른 난분해성 방향족화합물의 생분해 효소가 고정화된 자성나노입자의 제조방법은 1주기 전이금속 또는 이들 전이금속의 이온을 표면에 포함하는 실리카-자성나노입자를 제조하고, 상기 실리카-자성나노입자를 인산염완충액(phosphate buffered saline, pH 7.4)에 녹아있는 히스티딘이 표지된 산화효소에 첨가한 후 교반한 다음, 자석을 이용해서 효소가 결합된 자성나노입자를 용액에서 분리하여, 인산염완충액으로 세척하여 완성된다. According to the present invention, a method for preparing magnetic nanoparticles to which a biodegradable enzyme of a hardly decomposable aromatic compound is immobilized prepares silica-magnetic nanoparticles containing one cycle transition metal or ions of these transition metals on a surface thereof, The particles were added to histidine-labeled oxidase dissolved in phosphate buffered saline (pH 7.4), and then stirred. Then, magnetic nanoparticles bound to the enzyme were separated from the solution using a magnet and washed with phosphate buffer. Is completed.
여기서, 상기 교반은 교반온도는 1 ℃ ~ 10 ℃, 교반시간 30 분 ~ 2 시간의 조건하에 교반하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 4℃에서 1시간 동안 교반하는 것이 가장 좋다.Here, the stirring is preferably stirred under the conditions of 1 ℃ ~ 10 ℃, stirring
상기 1주기 전이금속은 니켈, 구리, 코발트, 아연으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것이 바람직하다. The one-cycle transition metal is preferably any one selected from the group consisting of nickel, copper, cobalt, zinc.
상기 전이금속의 이온은 니켈, 구리, 코발트, 아연으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 전이금속의 이온인 것이 바람직하다. The ion of the transition metal is preferably an ion of a transition metal which is any one selected from the group consisting of nickel, copper, cobalt and zinc.
상기 난분해성 방향족화합물의 생분해 효소는 페놀-단일산화효소(phenol-monooxygenase) 또는 카테콜-이산화효소(catechol-dioxygenase)이며, 상기 페놀-단일산화효소 또는 카테콜-이산화효소는 이미다졸 작용기를 포함하는 아미노산인 히스티딘을 결합시킨 형태로 이종발현시켜 된 것을 사용한다. The biodegradable enzyme of the hardly degradable aromatic compound is phenol-monooxygenase or catechol-dioxygenase, and the phenol-monooxidase or catechol-dioxidase contains an imidazole functional group. The heterologous expression in the form of combining histidine, an amino acid, is used.
상기 난분해성 방향족화합물의 생분해 효소는 아미노산 서열의 말단에 4개 내지 12개의 연속된 히스티딘 서열을 포함하는 효소를 사용하는 것이 좋다.As the biodegradable enzyme of the hardly degradable aromatic compound, it is preferable to use an enzyme including 4 to 12 consecutive histidine sequences at the terminal of the amino acid sequence.
이상과 같은 본 발명에 따라 제공되는 효소 고정화 자성나노입자는 방향족 화합물 또는 페놀류 방향족화합물에 오염된 오염수에 일정량 투입하여 일정시간동안 방치하여두면 상기 고정화 효소에 의해 상기 방향족 화합물 또는 페놀류 방향족화합물을 생분해하거나 또는 이들의 고리-구조를 깨뜨림과 동시에 독성을 제거하게 된다. Enzymatic immobilized magnetic nanoparticles provided according to the present invention as described above biodegraded the aromatic compound or phenolic aromatic compound by the immobilized enzyme if left for a predetermined time in a contaminated water contaminated with aromatic compounds or phenolic aromatic compounds Or breaks their ring-structure and at the same time eliminates toxicity.
이때, 상기 효소 고정화 자성나노입자는 상기 오염수 총 중량 대비 0.01 ~ 0.1 중량%의 양으로 투입되는 것이 바람직하다.In this case, the enzyme-immobilized magnetic nanoparticles are preferably added in an amount of 0.01 to 0.1% by weight relative to the total weight of the contaminated water.
본 발명에 개시된 효소 지지체로 사용되는 실리카-자성나노입자는 여러 가지 방법으로 합성이 가능하나, 이들 중에서 습식법을 이용하여 합성할 수 있다. 먼저 FeCl2용액과 FeCl3 용액을 혼합한 후 교반하면서 NH4OH 용액을 한 방울씩 떨어뜨려 반응시킨 생성물에 0.5∼2M, 바람직하게는 1M의 TEOS(tetraethyl orthosilicate)를 넣고 20∼24시간, 바람직하게는 24시간 동안 반응시켜 1∼100nm의 직경을 갖는, 보다 바람직하게는 2∼50nm의 직경을 가지는 제조할 수 있다. Silica-magnetic nanoparticles used as the enzyme support disclosed in the present invention can be synthesized by various methods, but can be synthesized by wet method among them. First, a solution of FeCl 2 and FeCl 3 are mixed, and then 0.5 to 2 M, preferably 1 M of tetraethyl orthosilicate (TEOS) is added to the reacted product by dropping the NH 4 OH solution dropwise while stirring for 20 to 24 hours. Preferably, the reaction can be carried out for 24 hours to have a diameter of 1 to 100 nm, more preferably 2 to 50 nm.
본 발명에서 실리카-자성나노입자는 실리카(silica) 표면에 형성된 Si-O-Si와 같은 공유결합 형식에 니켈, 구리, 코발트, 아연 등의 1주기 전이금속 이온이 킬레이트(chelate)를 형성함으로써 결합한다. In the present invention, silica-magnetic nanoparticles are bonded to a covalent bond type such as Si-O-Si formed on a silica surface by forming a chelate of one-cycle transition metal ions such as nickel, copper, cobalt, and zinc. do.
본 발명의 효소 결합제인 전이금속 또는 전이금속의 이온을 포함하는 실리카-자성나노입자와 결합시킬 수 있는 단백질들은 당해 효소의 아미노산 서열의 말단에 4개 내지 12개의 연속된 히스티딘 서열을 포함하는 효소 및 단백질 구조체이다.Proteins capable of binding to silica-magnetic nanoparticles containing transition metals or ions of transition metals, which are enzyme binders of the present invention, include enzymes comprising 4-12 consecutive histidine sequences at the ends of the amino acid sequences of the enzymes; Protein structure.
이하, 본 발명의 구성 요소와 기술적 특징을 다음의 실시예들을 통하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나 하기의 실시예들은 본 발명을 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 하기의 실시예들의 내용에 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the components and technical features of the present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the following examples are only for illustrating the present invention in detail, and the scope of the present invention is not limited to the contents of the following examples.
실시예Example 1 : One : 니켈이온이Nickel ion 코팅된 실리카-자성나노입자의 합성 Synthesis of Coated Silica-Magnetic Nanoparticles
2M의 FeCl2 용액 1.0㎖와 1M의 FeCl3 용액 4.0㎖를 함께 혼합하여 0.7M의 NH4OH 용액 50㎖를 교반(stirring) 하면서 한 방울씩 적가 하였다. 1시간 정도 반응 후에 생긴 생성물을 자성으로 분리 후 2∼3번 에탄올을 이용하여 세척한 다음 건조시켜 마그네타이트(magnetite) 나노입자를 제조하였다. 1.0 ml of 2 M FeCl 2 solution and 4.0 ml of 1 M FeCl 3 solution were mixed together, and 50 ml of 0.7 M NH 4 OH solution was added dropwise while stirring. The product produced after the reaction for about 1 hour was magnetically separated and washed with ethanol 2-3 times and dried to prepare magnetite nanoparticles.
마그네타이트(magnetite) 100㎎을 시클로헥산(cyclohexane) 100㎖에 올레익산(oleic acid) 3.3㎖를 넣고 3시간 동안 분산시켰다. 다음 시클로헥산(cyclohexane) 900㎖에44g의 IGEPALCO-520을 분산시킨 용액에 마그네타이트 분산 용액 100㎖를 넣어주고 15분 동안 교반시켰다. 교반상태에서 NH4OH을 8㎖ 넣어주고 15분 동안 교반 후, 1M의 TEOS(tetraethyl orthosilicate)를 넣고 24시간 동안 상온에서 교반하였다. 반응 후 메탄올(methanol)을 넣어주고 원심분리로 얻어진 침전물은 에탄올을 이용하여 세척한 후, 진공 데시게이터(vacuum desiccator)를 이용하여 24 시간 동안 건조시켜 실리카가 코팅된 실리카-자성나노입자를 제조하였다 (도 1 내지 3 참조). 100 mg of magnetite was added to 100 ml of cyclohexane and 3.3 ml of oleic acid was dispersed for 3 hours. Next, 100 ml of the magnetite dispersion solution was added to a solution of 44 g of IGEPALCO-520 dispersed in 900 ml of cyclohexane, followed by stirring for 15 minutes. 8 ml of NH 4 OH was added under stirring, followed by stirring for 15 minutes. Then, 1 M of TEOS (tetraethyl orthosilicate) was added thereto and stirred at room temperature for 24 hours. After the reaction, methanol (methanol) was added and the precipitate obtained by centrifugation was washed with ethanol and dried for 24 hours using a vacuum desiccator to prepare silica-coated magnetic nanoparticles. (See FIGS. 1-3).
제조된 실리카-자성나노입자 1g을 0.1M Ni(NO3)2·6H2O 용액에 상온에서 1시간 동안 혼합시켰다. 반응이 끝난 후, 자석으로 분리한 침전물을 증류수를 이용하여 2∼3번 세척하고, 공기건조(air-drying) 시켜 표면에 니켈 이온이 코팅된 니켈/실리카-자성나노입자를 제조하였다. 생성물은 FT-IR(fourier transform-infrared) 분광분석법으로 니켈이온의 결합을 확인하였다 (도 4).
1 g of the prepared silica-magnetic nanoparticles were mixed with 0.1 M Ni (NO 3 ) 2 .6H 2 O solution at room temperature for 1 hour. After the reaction, the precipitate separated by the magnet was washed 2-3 times with distilled water, and air-dried to prepare nickel / silica-magnetic nanoparticles coated with nickel ions on the surface. The product confirmed the binding of nickel ions by fourier transform-infrared (FT-IR) spectroscopy (FIG. 4).
실시예Example 2 : 2 : 단일산화효소Monooxidase 및 이산화효소의 대량발현 Expression of oxidase and dioxide
미국 국립생물정보센터(NCBI, www.ncbi.nih.gov)에서 뉴클레오티드 검색(BLASTN, http://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi)을 통하여 코리네박테리움 글루타미쿰 ATCC 13032(Corynebacterium glutamicum ATCC 13032)의 페놀-단일산화효소(phenol-monooxygenase)를 암호화하는 유전자 (cg 2966)와 카테콜-이산화효소(catechol 1, 2-dioxygenase)를 암호화하는 유전자(catA3)의 서열을 확인하고 연쇄중합반응(polymerase chain reaction, 이하 “PCR”이라 약칭함)으로 각각의 유전자를 특이적으로 증폭할 수 있는 서열번호 1, 서열번호 2, 서열번호 3 및 서열번호 4를 갖는 뉴클레오티드 프라이머를 제작하였다 (이하 표 1 참조). Corynebacterium glutamicum ATCC through nucleotide search (BLASTN, http://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi) at the National Institute of Biological Information (NCBI, www.ncbi.nih.gov) 13032 ( Corynebacterium Identify the sequence of the gene encoding phenol-monooxygenase of glutamicum ATCC 13032 (cg 2966) and the gene encoding catate 3 (
하기 표1은 서열번호 1, 2, 3, 4 를 갖는 뉴클레오티드 프라이머의 염기서열이다. Table 1 below is the nucleotide sequence of the nucleotide primer having SEQ ID NO: 1, 2, 3, 4.
(상기 표 1에서, 밑줄로 표시한 부분은 각각 NdeI(서열번호 1 과 서열번호 3), NotI(서열번호 2) 및 HindIII(서열번호 4) 제한효소 자리이다.)
(In Table 1, the underlined portions are Nde I (SEQ ID NO: 1 and SEQ ID NO: 3), Not I (SEQ ID NO: 2) and Hind III (SEQ ID NO: 4) restriction enzyme sites, respectively.)
다음으로 코리네박테리움 글루타미쿰 ATCC 13032 균주로부터 게놈 DNA를 추출하고, 이를 주형으로 하여 서열번호 1 및 2의 뉴클레오티드 서열을 갖는 프라이머를 사용한 PCR로 cg 2966 유전자를 증폭하였다. 또한 서열번호 3 및 4의 뉴클레오티드 서열을 갖는 프라이머를 사용한 PCR로 catA3 유전자를 증폭하였다. PCR 증폭 산물을 아가로즈 겔(agarose gel) 전기영동으로 확인하고 이를 분리 및 정제하였다.Next, genomic DNA was extracted from the Corynebacterium glutamicum ATCC 13032 strain, and the cg 2966 gene was amplified by PCR using primers having the nucleotide sequences of SEQ ID NOs: 1 and 2 as templates. The
상기 PCR 증폭한 cg 2966 및 catA3 유전자 그리고 pET-21a(Novegen, Madison, WI, USA) 벡터를 각각 NdeI, NotI 및 HindIII 제한효소로 처리한 후, 분리 및 정제하여 T4 DNA 리가아제(ligase)를 이용하여 재조합 벡터 DNA를 만들어 이를 각각 “pSY-PMO”와 “pSY-Cat”로 명명하였다 (도 5 참조). 이후, 대장균 BL21(Escherichia coli BL21)(Novagen, Madison, WI, USA)에 형질전환 시켰다.
The PCR amplified cg 2966 and
상기 제작한 pSY-PMO 및 pSY-Cat 벡터를 도입하여 형질전환한 대장균을 100 μg/㎖ 암피실린(ampicillin)을 첨가한 LB(Luria-Bertani, 이하 “LB”라 약칭하며, 조성은 박토트립톤 10 g/ℓ, 박토효모추출물 5 g/ℓ, 염화나트륨 5 g/ℓ이고, 이하 동일함) 액체 배지에서 초기 대수성장기(early exponential phase)까지 배양한 후, 0.5 mM IPTG(Isopropyl β-D-1-thiogalactopyranoside)를 첨가함으로써 도입된 유전자인 cg 2966 및 catA3 의 단백질 과발현을 유도하였다. 이후, 세포를 파쇄하고 타겟 단백질 결합되어 있는 히스티딘 표지(His-tag)를 이용해 친화 크로마토그래피(affinity chromatography)를 정제했다. 단백질 전기영동(SDS-polyacrylamide gel electrophoresis) 기법으로 타겟 단백질인 페놀-단일산화효소(628aa, 69.7kDa)와 카테콜-이산화효소(301aa, 33.1kDa)의 과발현 및 정제효율을 확인하였다 (도 6).
E. coli transformed by introducing the prepared pSY-PMO and pSY-Cat vectors was abbreviated as LB (Luria-Bertani, hereinafter “LB”) to which 100 μg / ml ampicillin was added, and the composition was bactotripton 10 g / l, bacterium yeast extract 5 g / l, sodium chloride 5 g / l, and the same below) After incubation in an early exponential phase in a liquid medium, 0.5 mM IPTG (Isopropyl β-D-1- The addition of thiogalactopyranoside) induced protein overexpression of the introduced genes cg 2966 and
실시예 3 : 니켈/실리카-자성나노입자와 효소의 결합Example 3 Combination of Nickel / Silica-Magnetic Nanoparticles with Enzymes
실시예 1에서 제조된 니켈/실리카-자성나노입자(5㎎)를 10mM 인산염완충액 (phosphate buffered saline, pH 7.4)에 녹아있는 히스티딘이 표지된 페놀-단일산화효소와 카테콜-이산화효소(1㎎/㎖)에 첨가한 후 4℃에서 약 1시간 동안 교반하였다. 자석을 이용해서 효소가 결합된 자성나노입자를 용액에서 분리하여, 인산염완충액으로 2회 세척했다. 본 발명에서는 상기 과정으로 제작된 고정화 효소를 각각 PMO@Ni/Si-MNPs와 CatA@Ni/Si-MNPs로 명명하였다. Ni/Si-MNPs@PMO와 Ni/Si-MNPs@CatA의 나켈/실리카-자성나노입자에 고정된 효소의 양은 BCA(bicinchoninic acid) 테스트로 정량 분석하여 측정하였다. 그 결과는 표 2(효소 고정화 효율)로 나타내었다. Histidine-labeled phenol-monoxidase and catechol-dioxidase (1 mg) dissolved in nickel / silica-magnetic nanoparticles (5 mg) prepared in Example 1 in 10 mM phosphate buffered saline (pH 7.4). / Ml) and stirred at 4 ° C. for about 1 hour. Magnetic nanoparticles bound to the enzyme were separated from the solution using a magnet and washed twice with phosphate buffer. In the present invention, the immobilized enzyme produced by the above process was named as PMO @ Ni / Si-MNPs and CatA @ Ni / Si-MNPs, respectively. The amount of enzyme immobilized on the nickel / silica-magnetic nanoparticles of Ni / Si-MNPs @ PMO and Ni / Si-MNPs @ CatA was measured by quantitative analysis by a bicinchoninic acid (BCA) test. The results are shown in Table 2 (enzyme immobilization efficiency).
(페놀-단일산화효소)PMO @ Ni / Si-MNPs
(Phenol-monooxidase)
(카테콜-이산화효소)CatA @ Ni / Si-MNPs
(Catechol-dioxide)
(㎍효소/㎎나노입자)Amount of fixed enzyme
(Μg enzyme / mg nanoparticle)
실시예Example 4 : 자성나노입자에 고정한 효소를 이용한 방향족화합물 생분해 실험 4: Biodegradation Experiment of Aromatic Compound Using Enzyme Immobilized on Magnetic Nanoparticles
상기에서 제조된 고정화효소인 PMO@Ni/Si-MNPs와 CatA@Ni/Si-MNPs를 이용해 난분해성 방향족화합물인 페놀과 카테콜을 생분해시켰다. 0.1mM의 페놀용액에 30㎎의 PMO@Ni/Si-MNPs를 첨가하고 37℃에서 12시간 동안 교반하면서 방치한 결과 90.03%의 분해효율을 나타냈다. 또한, 0.1mM의 카테콜용액에 5㎎의 CatA@Ni/Si-MNPs를 첨가하고 상온에서 2시간 동안 교반하면서 방치한 결과 88.75%의 분해효율을 나타냈다 (도 7). 상기 과정의 각 단계에서 자성나노입자에 고정화된 페놀-단일산화효소와 카테콜-이산화효소가 난분해성 방향족화합물인 페놀과 카테콜을 효과적으로 생분해하는 것을 알 수 있었다.
PMO @ Ni / Si-MNPs and CatA @ Ni / Si-MNPs, the immobilized enzymes prepared above, were used to biodegrade phenol and catechol, which are hardly decomposable aromatic compounds. 30 mg of PMO @ Ni / Si-MNPs was added to 0.1 mM phenol solution and left at 37 ° C. for 12 hours with stirring. The decomposition efficiency was 90.03%. In addition, 5 mg of CatA @ Ni / Si-MNPs was added to a 0.1 mM catechol solution and left at room temperature for 2 hours with stirring to show a decomposition efficiency of 88.75% (FIG. 7). In each step of the process, it was found that phenol-monooxidase and catechol-dioxidase immobilized on magnetic nanoparticles effectively biodegrade phenol and catechol, which are hardly decomposable aromatic compounds.
Claims (18)
상기 1주기 전이금속은 니켈, 구리, 코발트, 아연으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 난분해성 방향족화합물의 생분해 효소 고정화 자성나노입자.The method of claim 1,
The one-cycle transition metal is any one selected from the group consisting of nickel, copper, cobalt, zinc, biodegradable enzyme immobilized magnetic nanoparticles of a non-degradable aromatic compound.
상기 전이금속의 이온은 니켈, 구리, 코발트, 아연으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 전이금속의 이온인 것을 특징으로 하는 난분해성 방향족화합물의 생분해 효소 고정화 자성나노입자.The method of claim 1,
The ion of the transition metal is a biodegradable enzyme immobilized magnetic nanoparticles of a hardly decomposable aromatic compound, characterized in that the ion of the transition metal is any one selected from the group consisting of nickel, copper, cobalt, zinc.
상기 페놀-단일산화효소는 모노페놀-단일산화효소(monophenol-monooxygenase), 클로로페놀-단일산화효소 (chlorophenol-monooxygenase), 펜타클로로페놀-단일산화효소 (pentachlorophenol-monooxygenase), 니트로페놀-단일산화효소 (nitrophenol-monooxygenase)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 난분해성 방향족화합물의 생분해 효소 고정화 자성나노입자.The method of claim 1,
The phenol-monooxidase is monophenol-monooxygenase, chlorophenol-monooxygenase, pentachlorophenol-monooxygenase, nitrophenol-monooxidase (nitrophenol-monooxygenase) biodegradable enzyme immobilized magnetic nanoparticles of a non-degradable aromatic compound, characterized in that any one selected from the group consisting of.
상기 카테콜-이산화효소는 카테콜 1, 2-이산화효소 (cathecol 1, 2-dioxygenase), 카테콜 2, 3-이산화효소(catechol 2, 3-dioxygenase), 프로토카테츄에트-이산화효소(protocatechuate-dioxygenase), 젠티세이트-이산화효소 (gentisate-dioxygenase) 벤젠-이산화효소 (benzen-dioxygenase), 벤조에이트-이산화효소 (benzoate-dioxygenase), 톨루엔-이산화효소 (toluene-dioxygenase), 나프탈렌-이산화효소 (naphthalene-dioxygenase)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 난분해성 방향족화합물의 생분해 효소 고정화 자성나노입자. The method of claim 1,
The catechol-dioxidase is catechol 1, 2-dioxygenase, catechol 2, 3-dioxygenase, protocatechuate-dioxide (protocatechuate) -dioxygenase, gentisate-dioxygenase, benzene-dioxygenase, benzoate-dioxygenase, toluene-dioxygenase, naphthalene-dioxide Naphthalene-dioxygenase) is a biodegradable enzyme immobilized magnetic nanoparticles of a hardly decomposable aromatic compound, characterized in that any one selected from the group consisting of.
상기 1주기 전이금속은 니켈, 구리, 코발트, 아연으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 난분해성 방향족화합물의 생분해 효소 고정화 자성나노입자의 제조방법.The method of claim 9,
The one-cycle transition metal is any one selected from the group consisting of nickel, copper, cobalt, zinc, a method for producing a biodegradable enzyme-immobilized magnetic nanoparticles of a non-degradable aromatic compound.
상기 전이금속의 이온은 니켈, 구리, 코발트, 아연으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 전이금속의 이온인 것을 특징으로 하는 난분해성 방향족화합물의 생분해 효소 고정화 자성나노입자의 제조방법.The method of claim 9,
The ion of the transition metal is a method for producing a biodegradable enzyme-immobilized magnetic nanoparticles of a hardly decomposable aromatic compound, characterized in that the ion of the transition metal is any one selected from the group consisting of nickel, copper, cobalt, zinc.
상기 페놀-단일산화효소(phenol-monooxygenase) 또는 카테콜-이산화효소(catechol-dioxygenase)는 아미노산 서열의 말단에 4개 내지 12개의 연속된 히스티딘 서열을 포함하는 효소인 것을 특징으로 하는 난분해성 방향족화합물의 생분해 효소 고정화 자성나노입자의 제조방법.The method of claim 9,
The phenol-monooxygenase or catechol-dioxygenase is an hardly degradable aromatic compound, characterized in that the enzyme comprises 4 to 12 consecutive histidine sequences at the end of the amino acid sequence. Method for producing biodegradable enzyme-immobilized magnetic nanoparticles.
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Zhang et al. | Improvement of the stabilization and activity of protocatechuate 3, 4-dioxygenase isolated from Rhizobium sp. LMB-1 and immobilized on Fe 3 O 4 nanoparticles |
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