KR101325622B1 - A method for preparing an enantiopure epoxide using sphingopyxis sp. microorganism having enantioselective epoxide hydrolase activity - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to marine microorganisms having enantioselective epoxide hydrolase activity against a racemic epoxide substrate and a method for preparing enantiopure epoxide having enantioselective epoxide hydrolase activity from the racemic epoxide substrate using the microorganisms.

Description

광학선택적 에폭사이드 가수분해 활성을 갖는 스핑픽시스 속 미생물을 이용한 광학순도 에폭사이드의 제조방법 {A method for preparing an enantiopure epoxide using Sphingopyxis sp. microorganism having enantioselective epoxide hydrolase activity}A method for preparing an enantiopure epoxide using Sphingopyxis sp. microorganism having enantioselective epoxide hydrolase activity}

본 발명은 라세믹 에폭사이드 기질에 대하여 광학선택적(enantioselective) 가수분해효소 활성을 갖는 선별된 해양 미생물, 및 이를 이용하여 라세믹 에폭사이드 기질로부터 높은 광학활성을 갖는 광학순도 에폭사이드를 제조하는 방법에 대한 것이다.The present invention is directed to selected marine microorganisms having enantioselective hydrolase activity against racemic epoxide substrates, and to methods for producing optical purity epoxides having high optical activity from racemic epoxide substrates using the same. It is about.

의약품을 포함한 많은 생리활성물질들은 여러 종류의 광학이성질체(enantiomer)가 존재하며, 이들 중 특정 광학이성질체만이 올바른 활성을 보여주고 다른 이성질체는 경우에 따라 심각한 부작용을 유발하는 경우가 많다. 이와 같이 광학이성질체들의 생리활성 차이가 존재함에 따라 순수한 광학활성물질 합성에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 광학활성물질 합성에 사용될 수 있는 대표적인 합성 중간체인 광학활성 에폭사이드 (chiral epoxide)는 반응성이 우수하여 다양한 반응을 유도할 수 있어 광학활성 의약품, 농약 및 기능성 식품 합성용 중간체로 널리 사용되고 있다 (Archelas and Furstoss, Annu Rev Microbiol 51:491-525, 1997; Besse and Veschambre, Tetrahedron 50:8885-8892, 1994; Grogan et al., FEMS Microbiol. Lett., 141:239-243, 1996). Many bioactive materials, including pharmaceuticals, contain several types of optical isomers, and only certain optical isomers show the correct activity, and other isomers often cause serious side effects. As such, there is a great deal of research on the synthesis of pure optically active materials as there is a difference in the biological activity of the optical isomers. Optically active chiral epoxides, which are representative synthetic intermediates that can be used for the synthesis of optically active substances, are highly reactive and can induce a variety of reactions and are widely used as intermediates for synthesizing optically active pharmaceuticals, pesticides and functional foods (Archelas and Furstoss, Annu Rev Microbiol 51: 491-525, 1997; Besse and Veschambre, Tetrahedron 50: 8885-8892, 1994; Grogan et al., FEMS Microbiol. Lett., 141: 239-243, 1996).

광학활성 에폭사이드는 여러 종류의 키랄화학촉매 및 생촉매를 이용하여 제조할 수 있는데, 특히 라세믹 에폭사이드 (racemic epoxide) 기질의 각 광학이성질체에 대한 에폭사이드 가수분해효소 (epoxide hydrolyse, EHase; EC 3.3.2.3)의 선택적 분해능 차이를 이용하여 단일 광학 이성질체만을 제조하는 광학선택적 동력학적 가수분해 기술은 관심의 대상이 되고 있다. 이 방법은 저가의 생촉매를 사용하여 저가의 라세믹 기질로부터 고부가가치의 광학활성 에폭사이드를 제조할 수 있어 상업화 가능성이 높은 기술이다. 에폭사이드 가수분해효소는 라세믹 에폭사이드 기질로부터 (R) 또는 (S)-이성질체 중 한가지 광학이성질체만을 광학선택적으로 디올 (diol)로 가수분해시켜 제거시키고 나머지 이성질체만을 남겨 광학적으로 순수한 에폭사이드를 제조할 수 있는 효소이다 (예컨대, 도 1). 또한, (R)- 또는 (S)-이성질체에 대한 에폭사이드 가수분해효소의 광학선택성은 미생물의 종류 및 기질 구조에 따라 결정된다. Optically active epoxides can be prepared using a variety of chiral chemical and biocatalysts, in particular epoxide hydrolyse (EHase; EC) for each optical isomer of a racemic epoxide substrate. Optoselective kinetic hydrolysis techniques that produce only a single optical isomer using the differential resolution of 3.3.2.3) are of interest. This method is a highly commercialized technique that can produce high value-added optically active epoxides from low-cost racemic substrates using low-cost biocatalysts. Epoxide hydrolase removes only one of the (R) or (S) -isomers from the racemic epoxide substrate by optically hydrolyzing with diol optically and leaving only the remaining isomers to produce optically pure epoxides. Enzymes (eg, FIG. 1). In addition, the optical selectivity of the epoxide hydrolase for the (R)-or (S) -isomer is determined depending on the type of microorganism and the substrate structure.

에폭사이드 가수분해효소(epoxide hydrolyse, EHase; EC 3.3.2.3)는 박테리아, 효모, 곰팡이, 곤충, 식물 및 포유동물 등에서 분리된 유비쿼터스 효소로 알려져 있다(Weijers, et al., J. Mol. Catal. B Enzym., 6:199-214, 1999 및 Archelas & Furstoss, Curr. Opin. Chem. Biol., 5:112-119, 2001). 에폭사이드 가수분해효소의 생촉매는 보조인자(cofactor)의 재순환이 요구되지 않고, 효소자체를 생촉매로 사용할 수 있으며(whole-cell biocatalyst), 안정된 구조를 가지고 있어 상업적 유용성이 높은 생촉매로 평가되고 있다. 또한, 반응 부산물인 광학활성 디올 자체도 매우 유용한 고부가가치 합성 중간체라는 부가적인 장점이 있어 다양한 기질특이성을 가진 에폭사이드 가수분해효소 생촉매 개발은 의미가 있다. 그러나, 의약품 산업에 있어서 광학선택적 에폭사이드 가수분해효소는 그 수가 매우 제한되어 있기 때문에, 광학순도 에폭사이드를 생산할 수 있는 새로운 광학선택적 에폭사이드 가수분해효소가 절실히 요구되고 있다. Epoxide hydrolyse (EHase; EC 3.3.2.3) is known as an ubiquitous enzyme isolated from bacteria, yeast, fungi, insects, plants and mammals (Weijers, et al., J. Mol. Catal. B Enzym., 6: 199-214, 1999 and Archelas & Furstoss, Curr. Opin. Chem. Biol., 5: 112-119, 2001). The biocatalyst of epoxide hydrolase does not require the recycling of cofactors, and can be used as a biocatalyst (whole-cell biocatalyst). It is becoming. In addition, optically active diols, which are reaction by-products, also have the added advantage of being very useful, high value-added synthetic intermediates. Therefore, it is meaningful to develop an epoxide hydrolase biocatalyst having various substrate specificities. However, since the number of optically selective epoxide hydrolase is very limited in the pharmaceutical industry, there is an urgent need for a new optically selective epoxide hydrolase capable of producing optically pure epoxide.

본 발명자들은 과거에 기름으로 오염이 되었던 지역인 여수, 변산, 군산 그리고 태안 등에서 갯벌에서 에폭사이드 기질인 스티렌 옥사이드 및 그 유도체에 대하여 높은 광학선택적 가수분해 활성을 나타내는 균주를 선별하였으며, 상기 선별된 균주의 광학선택적 가수분해 활성의 특성을 분석한 결과, 기존에 보고된 야생 균주보다 짧은 반응시간 내에 높은 광학순도 및 수율을 나타내었음을 확인하였다. 따라서 선별된 균주가 새로운 광학선택적 에폭사이드 가수분해효소로 사용될 수 있음을 확인하여 본 발명을 완성하였다.The present inventors selected strains showing high optical selective hydrolytic activity against epoxide substrate styrene oxide and its derivatives in tidal flats in Yeosu, Byeonsan, Gunsan and Taean, which have been contaminated with oil in the past. As a result of analyzing the optical selective hydrolytic activity of, it was confirmed that showed higher optical purity and yield in a shorter reaction time than previously reported wild strains. Therefore, the present invention was completed by confirming that the selected strain can be used as a new optical selective epoxide hydrolase.

본 발명의 목적은 라세믹 에폭사이드 기질에 대하여 광학선택적 가수분해효소 활성을 갖는 선별된 해양 균주, 상기 균주를 포함하는 광학순도 에폭사이드 제조용 생촉매 조성물, 및 상기 균주를 이용한 광학순도 에폭사이드의 제조방법을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to select selected marine strains having optical selective hydrolase activity against racemic epoxide substrates, biocatalyst compositions for preparing optical purity epoxides comprising the strains, and preparation of optical purity epoxides using the strains. To provide a way.

보다 구체적으로, 본 발명의 하나의 목적은 광학선택적 에폭사이드 가수분해 활성을 가지는 스핑픽시스 속(Sphingopyxis sp.) BSNA05 균주(수탁번호 KCTC 12262BP) 를 제공하는 것이다.More specifically, one object of the present invention is to provide a Sphingopyxis sp. BSNA05 strain (Accession No. KCTC 12262BP) having optically selective epoxide hydrolysis activity.

본 발명의 또 하나의 목적은 상기 균주를 라세믹 에폭사이드 기질과 반응시키는 단계를 포함하는, 광학순도 에폭사이드를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide a method for preparing an optical purity epoxide, comprising reacting the strain with a racemic epoxide substrate.

본 발명의 또 하나의 목적은 상기 균주를 포함하는, 라세믹 에폭사이드 기질로부터 광학순도 에폭사이드를 제조하기 위한 생촉매 조성물을 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide a biocatalyst composition for preparing an optical purity epoxide from a racemic epoxide substrate comprising the strain.

상기 목적을 달성하기 위한 하나의 양태로서, 본 발명은 광학선택적 에폭사이드 가수분해 활성을 가지는 스핑픽시스 속 BSNA05 균주(수탁번호 KCTC 12262BP) 에 관한 것이다.As one aspect for achieving the above object, the present invention relates to the sphinxis BSNA05 strain (Accession No. KCTC 12262BP) having optically selective epoxide hydrolysis activity.

또 하나의 양태로서, 본 발명은 광학선택적 에폭사이드 가수분해 활성을 가지는 스핑픽시스 속 BSNA05 균주(수탁번호 KCTC 12262BP) 를 라세믹 에폭사이드 기질과 반응시키는 단계를 포함하는, 광학순도 에폭사이드를 제조하는 방법에 관한 것이다.In another aspect, the present invention provides a method for preparing an optically pure epoxide, comprising reacting a Sphinxis BSNA05 strain (Accession No. KCTC 12262BP) having an optical selective epoxide hydrolysis activity with a racemic epoxide substrate. It is about a method.

또 하나의 양태로서, 본 발명은 광학선택적 에폭사이드 가수분해 활성을 가지는 스핑픽시스 속 BSNA05 균주(수탁번호 KCTC 12262BP) 를 포함하는, 라세믹 에폭사이드 기질로부터 광학순도 에폭사이드를 제조하기 위한 생촉매 조성물에 관한 것이다.In another aspect, the present invention provides a biocatalyst composition for preparing an optical purity epoxide from a racemic epoxide substrate comprising a Sphinxis BSNA05 strain (Accession No. KCTC 12262BP) having optically selective epoxide hydrolysis activity. It is about.

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

본 발명에서 용어, "에폭사이드(epoxide)"란 산소 원자 하나와 탄소 원자 두 개로 구성된 삼각형 고리 분자를 가지는 유기화합물을 명명하는 것으로 당업계에서 일반적으로 사용되는 용어이며, "에폭시화물" 이라고도 한다. 바람직하게, 본 발명에서 에폭사이드는 스티렌 옥사이드 및 그 유도체를 포함한다.As used herein, the term "epoxide" refers to an organic compound having a tricyclic ring molecule composed of one oxygen atom and two carbon atoms, and is generally used in the art, and is also referred to as "epoxide". Preferably, the epoxide in the present invention includes styrene oxide and its derivatives.

본 발명에서 용어, "라세믹 에폭사이드(racemic epoxide)"란 에폭사이드의 (R)-이성질체와 (S)-이성질체의 혼합물을 의미한다.As used herein, the term "racemic epoxide" means a mixture of the (R)-and (S) -isomers of the epoxide.

본 발명에서 용어, "광학순도 에폭사이드(enantiopure epoxide)"란 에폭사이드 가수분해효소에 의하여 라세믹 에폭사이드 기질이 가수분해되는 과정에서 반응하지 않고 남아있는 광학적으로 순수한 에폭사이드를 말하며, (S)-광학순도 에폭사이드 또는 (R)-광학순도 에폭사이드가 될 수 있다. 상기 용어는 "광학활성 에폭사이드" 또는 "키랄 에폭사이드"로 대체하여 표현할 수 있다.As used herein, the term “optical purity epoxide” refers to an optically pure epoxide that remains unreacted in the course of hydrolysis of the racemic epoxide substrate by an epoxide hydrolase, (S) -Optical purity epoxide or (R)-optical purity epoxide. The term can be expressed by substituting "optically active epoxide" or "chiral epoxide".

본 발명에서 용어, "광학선택적(enantioselective)"이란 라세믹 에폭사이드 기질의 (R)- 또는 (S)-이성질체 중 어느 한 가지만을 제거하거나 또는 어느 한 가지만을 남기는 것을 의미한다.As used herein, the term "enantioselective" means removing only one of the (R)-or (S) -isomers of the racemic epoxide substrate or leaving only one.

본 발명에서 용어, "광학선택적 에폭사이드 가수분해효소"란 라세믹 에폭사이드 기질로부터 (R)- 또는 (S)-이성질체 중 어느 한 가지 광학이성질체만을 광학선택적으로 디올로 가수분해시켜 제거시키고 나머지 이성질체만을 남겨 광학순도 에폭사이드를 제조하는데 이용할 수 있는 효소를 말한다.As used herein, the term "optical selective epoxide hydrolase" means that only one optical isomer of either the (R)-or (S) -isomer is removed from the racemic epoxide substrate by optically hydrolyzing with diol and the remaining isomers. It refers to enzymes that can be used to prepare optical purity epoxides.

본 발명은 광학선택적 에폭사이드 가수분해 활성을 가지는 스핑픽시스 속 BSNA05 균주(수탁번호 KCTC 12262BP) 를 제공함을 특징으로 한다.The present invention is characterized by providing a BSNA05 strain of Sphinxis genus (Accession No. KCTC 12262BP) having optically selective epoxide hydrolysis activity.

본 발명에서는 상기 균주가 광학선택적 에폭사이드 가수분해효소 활성을 가지고 있기 때문에 그 전세포(whole cell) 자체를 미생물 생촉매로 사용할 수 있는 특징이 있음을 규명하였다.In the present invention, since the strain has optical selective epoxide hydrolase activity, it has been found that the whole cell itself can be used as a microbial biocatalyst.

보다 구체적으로, 본 발명자들은 다양한 에폭사이드 기질에 대하여 광학선택적 가수분해효소 활성이 있는 신규 에폭사이드 가수분해 활성 균주를 선발하기 위하여, 과거에 기름으로 오염이 되었던 지역인 여수, 변산, 군산 그리고 태안 등의 갯벌 샘플을 다환방향족탄화수소(Polycyclic aromatic hydrocarbon, PAH)와 농화배양법을 이용하여 분리하였다. 또한, 최종적으로 가스 크로마토그래피(GC) 분석을 통해 라세믹 스티렌 옥사이드에 에폭사이드 가수분해 활성을 보이는 우수 균주를 선별하였다. More specifically, the present inventors, in order to select a new epoxide hydrolytic activity strain having optical selective hydrolase activity against a variety of epoxide substrates, Yeosu, Byeonsan, Gunsan and Taean, etc. Tidal flat samples were isolated using polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) and thickening culture method. In addition, excellent strains showing epoxide hydrolysis activity in racemic styrene oxide were selected through gas chromatography (GC) analysis.

본 발명에 따른 균주를 16S rDNA 염기서열을 통해 분석한 결과, 서열번호 1의 16S rDNA 염기서열을 가지는 새로운 유전학적 성질의 균주로 동정할 수 있었고, 상기 균주를 Sphingopyxis sp. BSNA05 로 명명하고, 2012년 8월 14일자로 KCTC(Korean Colletion for Type Cultures, 대전광역시 유성구 과학로 125번지 생명공학연구소 유전자원센터)에 기탁하여 수탁번호 KCTC 12262BP 를 부여받았다.As a result of analyzing the strain according to the present invention through the 16S rDNA sequence, it could be identified as a strain of new genetic properties having the 16S rDNA sequence of SEQ ID NO: 1, the strain was Sphingopyxis sp. It was named BSNA05 and was deposited on August 14, 2012 to KCTC (Korean Colletion for Type Cultures, 125, Gwahakro, Yuseong-gu, Daejeon, Korea).

본 발명에서 선별한 균주는 에폭사이드 기질과 반응하여 광학순도 에폭사이드를 제조하는데 사용될 수 있다.The strains selected in the present invention can be used to prepare optical purity epoxides by reacting with epoxide substrates.

본 발명에서 에폭사이드 기질은, (R) 형과 (S)형으로 존재하는 라세믹 에폭사이드라면 제한없이 기질로 사용될 수 있으나, 바람직하게는 스티렌 옥사이드(styrene oxide, SO) 및 그 유도체를 사용할 수 있다. 더욱 바람직하게는 스티렌 옥사이드, 2-클로로스티렌 옥사이드(2-chlorostyrene oxide, 2CSO), 3-클로로스티렌 옥사이드(3-chlorostyrene oxide, 3CSO) 및 4-클로로스티렌 옥사이드(4-chlorostyrene oxide, 4CSO) 로 이루어진 군에서 선택되는 에폭사이드를 사용할 수 있다.In the present invention, the epoxide substrate may be used as the substrate without limitation as long as it is a racemic epoxide present in (R) and (S) forms, and preferably styrene oxide (SO) and its derivatives may be used. have. More preferably, it is composed of styrene oxide, 2-chlorostyrene oxide (2CSO), 3-chlorostyrene oxide (3CSO) and 4-chlorostyrene oxide (4CSO). Epoxides selected from the group can be used.

바람직한 일예로, 광학선택적 에폭사이드 가수분해 활성을 가지는 스핑픽시스 속 BSNA05 균주(수탁번호 KCTC 12262BP) 를 라세믹 스티렌 옥사이드 또는 그 유도체와 반응시켜 (S)형 광학순도 에폭사이드를 제조할 수 있다.In a preferred embodiment, (S) type optical purity epoxides can be prepared by reacting sphinxis BSNA05 strain (Accession No. KCTC 12262BP) with optical selective epoxide hydrolysis activity with racemic styrene oxide or derivatives thereof.

본 발명에서 선별된 균주는 기존에 보고된 야생 균주보다 짧은 반응시간 내에도 높은 광학순도 및 수율을 나타내었으므로, 광학순도 에폭사이드를 제조하는데 유용하게 사용될 수 있다.Since the strains selected in the present invention exhibited higher optical purity and yield even in a shorter reaction time than previously reported wild strains, they can be usefully used to prepare optical purity epoxides.

본 발명의 구체적인 실시예에서는 수용상의 반응액에 있는 남아있는 에폭사이드 기질을 유기용매로 추출한 다음 키랄 컬럼(chiral column)을 장착한 가스 크로마토그래피법(GC)으로 광학순도 및 생성물의 키랄성(chirality)을 분석하는 방법에 의하여 균주의 에폭사이드 가수분해효소 활성을 측정하였다.In a specific embodiment of the present invention, the remaining epoxide substrate in the aqueous solution of the aqueous phase is extracted with an organic solvent and then subjected to gas chromatography (GC) equipped with a chiral column to obtain optical purity and chirality of the product. The epoxide hydrolase activity of the strain was measured by the method of analysis.

그 결과, 본 발명의 균주는 라세믹 스티렌 옥사이드 및 그 유도체 기질에 대하여 에폭사이드 가수분해효소 활성을 나타내었다(실시예의 표 1 내지 표 4 , 도 3 내지 도 8 참조). 본 발명의 균주는 다양한 에폭사이드 기질에 대하여 (R)-form 을 광학선택적으로 분해를 하며 100%의 광학순도를 보였고, 각 기질에 대한 광학순도, 수율 그리고 E값도 기존에 보고된 야생균주에 뒤지지 않으며, 특히, 2CSO에 대한 수율과 E값은 매우 우수하였다. 특히, 지금까지 보고 된 균주나 효소보다도 2CSO에 대한 활성은 매우 우수한 것으로 보여지며, 특히 다른 유도체보다 2CSO에 대해 활성이 좋았던 균주에 대한 보고는 없었다. 본 발명의 균주는 기존의 분해 메커니즘이 완전히 따른 효소일 것으로 예측된다. 그리고, 반응 시간은 기존의 보고 균주보다 훨씬 짧은 시간에 이루어져 다양한 기질에 대한 광학선택적 에폭사이드 가수분해 활성의 우수성이 보여졌다. 따라서, 본 발명의 균주는 다양한 에폭사이드 기질들에 대하여 광학선택적 가수분해 활성을 나타내어 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.As a result, the strain of the present invention exhibited epoxide hydrolase activity against racemic styrene oxide and its derivative substrate (see Tables 1 to 4 and 3 to 8 of Examples). The strain of the present invention showed optical purity of 100% by optically decomposing (R) -form on various epoxide substrates, and the optical purity, yield and E value for each substrate were also reported in previously reported wild strains. In particular, the yield and E value for 2CSO were very good. In particular, it has been shown that the activity against 2CSO is much better than the strains or enzymes reported so far, and in particular, there was no report on the strain having better activity against 2CSO than other derivatives. It is expected that the strains of the present invention will be enzymes that fully follow existing degradation mechanisms. In addition, the reaction time was much shorter than the conventional reported strains, and showed superior optical selective epoxide hydrolysis activity on various substrates. Therefore, the strains of the present invention are expected to be useful because they exhibit optical selective hydrolytic activity against various epoxide substrates.

본 발명에 있어서, 반응 온도 또는 반응 pH는 선택된 균주의 활성온도 또는 활성 pH 에 따라 변화되므로 특별히 제한받지는 않으나, 일반적인 생촉매의 특성상 바람직한 반응 온도는 20 내지 40℃가 적당하며, 반응시의 pH는 pH 6 내지 9의 범위가 적당하다. 또한 가수분해 반응시 본 발명의 생촉매와 기질의 비율은 1 : 10 내지 10 : 1, 바람직하게는 1 :6 내지 10:1.2으로 할 수 있다 In the present invention, the reaction temperature or the reaction pH is not particularly limited because it changes depending on the activity temperature or the active pH of the selected strain, but the preferred reaction temperature is suitable 20 to 40 ℃ in the nature of the general biocatalyst, pH at the reaction The range of pH 6-9 is suitable. In addition, the ratio of the biocatalyst and the substrate of the present invention during the hydrolysis reaction may be 1:10 to 10: 1, preferably 1: 6 to 10: 1.2.

반응 공정은 당업계에 공지된 방법을 적절하게 선택하여 수행할 수 있다. 보다 구체적으로, 수용액 상에서 또는 유기용매 상에서 광학분할 반응을 수행할 수 있으며, 수용액과 유기용매의 2상계를 사용할 수도 있다. 수용액과 유기용매의 2상계를 사용하는 경우 수용액 상에서는 에폭사이드의 삼각형 고리구조가 물에 의해 쉽게 분해되는 특징이 있기 때문에 기질인 에폭사이드에 대해서는 유기용매를 사용하고, 생촉매는 유기용매와 접촉시 불활성화되는 경향이 있기 때문에 상기 균주에 대해서는 수용액을 사용함으로써 분리 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 반응 후 생성되는 디올은 대부분 수용성이 강한 반면, 에폭사이드는 유기용매에 용해되기 쉽기 때문에 분리 및 정제 과정에서 2상계를 사용할 수 있다. 이 경우, 생성물인 광학활성 디올은 수용액층에 존재하여 원심분리 등에 의해 생촉매와 분리할 수 있으며, 또 다른 생성물인 광학순도 에폭사이드는 유기용매층에 존재하여 증류(evaporation)를 거쳐 순수하게 분리할 수 있다. The reaction process can be carried out by appropriately selecting methods known in the art. More specifically, the optical splitting reaction may be performed on an aqueous solution or on an organic solvent, and a two-phase system of an aqueous solution and an organic solvent may be used. In the case of using a two-phase system of an aqueous solution and an organic solvent, since the triangular ring structure of the epoxide is easily decomposed by water, an organic solvent is used for the substrate epoxide, and the biocatalyst is in contact with the organic solvent. Since it tends to be inactivated, the separation efficiency can be improved by using an aqueous solution for the strain. In addition, while the diol produced after the reaction is mostly water-soluble, epoxide is easy to dissolve in the organic solvent can be used two-phase system in the separation and purification process. In this case, the optically active diol, which is a product, may be present in an aqueous solution layer and separated from the biocatalyst by centrifugal separation. can do.

회수된 균주 생촉매는 별도의 촉매 재생과정 없이 곧바로 반응기에 새로운 라세믹 에폭사이드를 넣고 물을 천천히 가하여 같은 반응을 계속 반복함으로써 키랄 에폭사이드 혹은 키랄 1,2-디올을 반복하여 합성해 낼 수 있다.The recovered strain biocatalyst can be synthesized by repeating the chiral epoxide or chiral 1,2-diol by adding new racemic epoxide to the reactor and adding water slowly to the reactor without repeated catalyst regeneration. .

광학활성 의약품 합성에 널리 사용되는 고부가가치 유기 중간체인 광학활성 에폭사이드의 상업화를 위해서는 다양한 에폭사이드 기질에 대한 광학선택적 가수분해 촉매활성이 우수한 에폭사이드 가수분해 효소를 가지는 신규 미생물 확보가 매우 중요하다. 본 발명에서는 이러한 신규 미생물들을 GC 분석에 의해 조사한 결과 전세포를 생촉매로 사용하여 다양한 에폭사이드 기질을 대상으로 광학선택적 가수분해 활성을 보이는 균주를 확보하였다. 확보된 균주 중 스핑픽시스 속 BSNA05 균주(수탁번호 KCTC 12262BP)는 라세믹 스티렌 옥사이드 포함한 모든 유도체 기질에 대해 매우 우수한 광학선택적 에폭사이드 가수분해 활성을 보였다. 본 발명에서 보여준 결과는 앞으로 광학선택적 에폭사이드 가수분해 효소 활성조사의 좋은 모델이 될 수 있으며 산업적으로 더 큰 응용성을 높일 수 있는 광학활성 의약품 합성에 널리 사용되는 고부가가치 유기 중간체 재료가 될 것으로 기대된다.For the commercialization of optically active epoxides, which are widely used in the synthesis of optically active pharmaceuticals, it is very important to secure new microorganisms having epoxide hydrolase with excellent optical selective hydrolytic catalytic activity on various epoxide substrates. In the present invention, as a result of investigating these new microorganisms by GC analysis, using a whole cell as a biocatalyst, a strain showing optical selective hydrolytic activity against various epoxide substrates was obtained. Among the obtained strains, the BSNA05 strain of Sphinxis (Accession No. KCTC 12262BP) showed very good optical selective epoxide hydrolysis activity against all derivative substrates including racemic styrene oxide. The results shown in the present invention can be a good model for the investigation of optical selective epoxide hydrolase activity, and it is expected to be a high value-added organic intermediate material which is widely used in the synthesis of optically active pharmaceuticals that can increase the industrial applicability. do.

본 발명의 선별된 균주는 광학선택적 에폭사이드 가수분해 활성을 가지므로 광학순도 에폭사이드를 고효율로 생합성하는데 유용하게 사용될 수 있다. 또한, 앞으로 광학선택적 에폭사이드 가수분해효소 활성조사의 좋은 모델이 될 수 있으며 산업적으로 더 큰 응용성을 높일 수 있는 광학활성 의약품 합성에 널리 사용되는 고부가가치 유기 중간체 재료로 사용될 수 있다.Since the selected strain of the present invention has optical selective epoxide hydrolysis activity, it can be usefully used for biosynthesis of optical purity epoxide with high efficiency. In addition, it can be a good model for the investigation of optical selective epoxide hydrolase activity in the future and can be used as a high value-added organic intermediate material widely used in the synthesis of optically active pharmaceuticals that can increase the industrial applicability.

도 1은 에폭사이드 가수분해효소의 가수분해 활성에 의하여 스티렌 옥사이드(SO)가 (S)-스티렌 옥사이드 및 (R)-1-페닐에탄-1,2-디올로 가수분해됨을 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명에 사용된 에폭사이드 기질의 화학구조식을 나타낸다. A, 스티렌 옥사이드(styrene oxide, SO); B, 2-클로로스티렌 옥사이드(2-chlorostyrene oxide, 2CSO); C, 3-클로로스티렌 옥사이드(3-chlorostyrene oxide, 3CSO); D, 4-클로로스티렌 옥사이드(4-chlorostyrene oxide, 4CSO).
도 3은 균체량(wet cell weight) 0.2g 의 8-NA-5 균주가 4mM 의 스티렌 옥사이드(SO)에 작용하는 광학 분할(kinetic resolution)을 나타낸 것이다.
도 4는 에폭사이드 가수분해효소 활성 균주 8-NA-5 의 16S rRNA 서열에 기초한 계통수를 나타낸 것이다. 괄호 안은 GenBank 데이터베이스의 등록번호를 나타낸다.
도 5는 균주 8-NA-5가 4 mM의 2CSO, 3CSO, 4CSO 를 가수분해하는 활성을 GC 분석으로 확인한 결과를 나타낸다.
도 6은 균주 8-NA-5 (0.2 g, wet cell weight)가 4 mM의 2CSO 에 작용하는 광학 분할(kinetic resolution)을 나타낸 것이다.
도 7은 균주 8-NA-5 (0.2 g, wet cell weight)가 4 mM의 3CSO 에 작용하는 광학 분할(kinetic resolution)을 나타낸 것이다.
도 8은 균주 8-NA-5 (0.2 g, wet cell weight)가 4 mM의 4CSO 에 작용하는 광학 분할(kinetic resolution)을 나타낸 것이다.
1 is a schematic diagram showing that styrene oxide (SO) is hydrolyzed to (S) -styrene oxide and (R) -1-phenylethane-1,2-diol by the hydrolytic activity of epoxide hydrolase.
Figure 2 shows the chemical structure of the epoxide substrate used in the present invention. A, styrene oxide (SO); B, 2-chlorostyrene oxide (2CSO); C, 3-chlorostyrene oxide (3CSO); D, 4-chlorostyrene oxide (4CSO).
Figure 3 shows the optical resolution (kinetic resolution) of 0.2g 8-NA-5 strain of wet cell weight acts on 4mM of styrene oxide (SO).
Figure 4 shows a phylogenetic tree based on the 16S rRNA sequence of the epoxide hydrolase active strain 8-NA-5. The parenthesis shows the registration number of the GenBank database.
Figure 5 shows the results confirmed by the GC analysis of the activity of strain 8-NA-5 hydrolyzes 4 mM 2CSO, 3CSO, 4CSO.
FIG. 6 shows the optical resolution of strain 8-NA-5 (0.2 g, wet cell weight) on 4 mM 2CSO.
7 shows the optical resolution of strain 8-NA-5 (0.2 g, wet cell weight) on 4 mM 3CSO.
FIG. 8 shows the optical resolution of strain 8-NA-5 (0.2 g, wet cell weight) on 4 mM 4CSO.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of examples. However, the following examples are illustrative of the present invention, and the present invention is not limited by the following examples.

실시예Example 1. 실험재료의 준비 1. Preparation of experimental materials

균주 배양에 사용된 기본 배지는 디프코사(Difco, USA)의 제품을 사용하였다. 본 연구에 사용된 다양한 에폭사이드 기질 중 2-클로로스티렌 옥사이드(2CSO)와 3-클로로스티렌 옥사이드(3CSO)는 알에스텍사(RStec, 한국)에서, 나머지 스티렌 옥사이드(SO)와 4-클로로스티렌 옥사이드(4CSO) 는 알드리치사(Aldrich, USA)에서 구입하였다. 그리고 본 연구에 사용된 모든 제품은 HPLC Grade로서 알드리치사에서 구입하였다. 도 2는 본 발명에 사용된 에폭사이드 기질의 화학구조식을 나타낸다.
The basal medium used for strain culture was a product of Difco, USA. Among the various epoxide substrates used in this study, 2-chlorostyrene oxide (2CSO) and 3-chlorostyrene oxide (3CSO) were obtained from Rstec (RStec, Korea), and the remaining styrene oxide (SO) and 4-chlorostyrene oxide. (4CSO) was purchased from Aldrich, USA. All products used in this study were purchased from Aldrich as HPLC Grade. Figure 2 shows the chemical structure of the epoxide substrate used in the present invention.

실시예Example 2.  2. 농화배양을Thickening culture 통한  through 다환방향족탄화수소Polycyclic Aromatic Hydrocarbons 컨소시엄( Consortium ( PAHPAH consortiumconsortium ) 및 ) And 단일균주Single strain 분리  detach

본 연구에서 사용한 배지는 최소영양배지인 MSM(Mineral salt medium, 1L의 DW에 NaNO3 4g, KH2PO4 1.5g, FeCl3·6H2O 0.005g, MgSO4 0.2g, CaCl·2H2O 0.01g, Na2HPO4 0.5g을 넣고 pH meter를 이용하여 pH를 7.2)를 사용하였다. 일반적인 영양배지로는 Marine broth배지 (DIFCO)를 사용하였고, 선택 균주는 과거에 기름으로 오염이 되었던 지역인 여수, 변산, 군산 그리고 태안 등의 갯벌 샘플을 다환방향족탄화수소와 농화배양법을 이용하여 분리하였다. The medium used in this study was MSM (Mineral salt medium, 1 L of DW), NaNO 3 4g, KH 2 PO 4 1.5g, FeCl 3 · 6H 2 O 0.005g, MgSO 4 0.2g, CaCl · 2H 2 O 0.01g, 0.5g of Na 2 HPO 4 was added and pH was used 7.2) using a pH meter. Marine broth medium (DIFCO) was used as a general nutrient medium, and selected strains were separated by polycyclic aromatic hydrocarbons and thickening cultures from the past tidal flat samples such as Yeosu, Byeonsan, Gunsan and Taean, which were previously contaminated with oil. .

갯벌시료 0.5g을 5 mL MSM 배지 안에 다환방향족탄화수소 (나프탈렌, 페난트렌, 피렌 및 벤조피렌)를 함께 넣고 25℃에서 50일 동안 배양하였다. 농화배양에 배양 2주 후에 1mL의 상층액을 새로운 MSM 배지에 넣은 후에 위에서 언급한 방법대로 50일 동안 더 배양하였다. 이와 같은 과정에 의해 다양한 다환방향족탄화수소 를 분해할 수 있는 컨소시엄을 얻었고 이 컨소시엄으로부터 순수한 단일 다환방향족탄화수소 분해 균주를 분리하였다. 최종적으로 가스 크로마토그래피(GC) 분석을 통해 라세믹 스티렌 옥사이드에 에폭사이드 가수분해 활성을 보이는 우수 균주를 선택하였다.
0.5 g of tidal-flat samples were added together with polyaromatic hydrocarbons (naphthalene, phenanthrene, pyrene and benzopyrene) in 5 mL MSM medium and incubated at 25 ° C. for 50 days. After 2 weeks of culture in concentrated culture, 1 mL of the supernatant was added to fresh MSM medium, followed by further incubation for 50 days as described above. By this process, a consortium capable of degrading various polycyclic aromatic hydrocarbons was obtained, and pure monopolyaromatic hydrocarbon decomposition strains were isolated from the consortium. Finally, an excellent strain showing epoxide hydrolysis activity in racemic styrene oxide was selected through gas chromatography (GC) analysis.

실시예Example 3. 선택된 우수 균주의 배양 조건 3. Culture conditions of selected good strains

본 연구에서 선택된 우수 균주들은 marine broth 배지에서 균 접종한 후 진탕 배양기를 이용하여 교반속도 180 rpm, 온도 25℃에서 3~4일간 배양하였다. 배양된 세포는 원심분리 후 50 mM Tris-HCl (pH 8.0)로 두 번 세척 한 다음 생촉매로 사용하였다.
The superior strains selected in this study were inoculated in marine broth medium and incubated for 3-4 days at agitation speed of 180 rpm and temperature of 25 ℃ using shaking incubator. The cultured cells were washed twice with 50 mM Tris-HCl (pH 8.0) after centrifugation and used as biocatalysts.

실시예Example 4. 선별 균주의 16s  4. 16s of Selected Strains rRNArRNA 시퀀싱 및 분류학적 위치 결정 Sequencing and Taxonomic Positioning

우수 균주의 게놈 DNA는 Wizard Genomic DNA Purification Kit (Promega, Madison, WI)를 이용하여 분리하였다. 16S rRNA는 16S rRNA 프라이머인, 27F (5'-AGA GTT TGA TCM TGG CTC AG-3'; Escherichia coli nucleotide 8~27) 와 1518R (5'-AAG GAG GTG ATC CAN CCR CA-3'; Escherichia coli nucleotide 1541~1522) 을 사용하여 PCR에 의해 게놈 DNA로부터 증폭하였다. PCR을 위한 반응혼합액은 50 mM Tris-HCl (pH 9.0), 0.1% TritonX-100, 1.5 mM MgCl2, 0.2 mM dNTPs, 0.2 μM 프라이머, 2.5 U Taq DNA polymerase (Promega Co., Madison, WI), 2.5~250 ng template가 포함된 50 ㎕의 1 X PCR 완층용액을 준비하였다. DNA 증폭은 model 2400 thermal cycler (PE, Applied Biosystem)를 이용하여 수행하였으며 반응조건은 다음과 같다. 94℃에서 5분간 초기 변성 반응 후 변성 (94℃, 1분), 어닐링 (60℃, 1분), 신장 (72℃, 2분)의 조건으로 35회 반복 반응시킨 후 72℃에서 7분간 더 반응시켰다. PCR 산물은 전기영동 (0.8% agarose)에 의해 DNA가 증폭되었음을 확인하였다. PCR 산물은 분리키트 (Wizard PCR Preps DNA Purification System, Promega)를 사용하여 분리한 후 pGEM-T Easy Vector (Promega, Madison, WI)에 ligation 후 E. coli JM109에 형질 전환시켰다. 16S rDNA는 자동염기서열장치 (ABI Prism 377 DNA Sequencer, Perkin Elmer)를 이용하여 염기서열을 결정하였다. 16S rDNA염기서열의 분석은 Ribosomal Database Project (RDP)의 SIMILARITY-RANK와 National Center Biotechnology Information (NCBI)의 Basic Local Alignment Search Tool (BLAST)(Altschul et al., J. Mol Biol. 215, 403-410, 1990)을 이용하여 수행하였다. Phylogenetic Interference Package (PHYLIP), version 3.57c (Felsenstein, 1993)을 서열 데이터를 분석하기 위해 사용하였으며 DNADIST 프로그램은 서열유사성을 결정하기 위하여, FITCH 프로그램은 계통도를 작성하기 위해 사용하였다.
Genomic DNA of excellent strains was isolated using Wizard Genomic DNA Purification Kit (Promega, Madison, Wis.). 16S rRNA is a 16S rRNA primer, 27F (5'-AGA GTT TGA TCM TGG CTC AG-3 '; Escherichia coli nucleotides 8-27) and 1518R (5'-AAG GAG GTG ATC CAN CCR CA-3'; Escherichia coli nucleotides 1541-1522) were used to amplify from genomic DNA by PCR. The reaction mixture for PCR was 50 mM Tris-HCl (pH 9.0), 0.1% TritonX-100, 1.5 mM MgCl 2, 0.2 mM dNTPs, 0.2 μM primer, 2.5 U Taq DNA polymerase (Promega Co., Madison, WI), 2.5 50 μl of 1 × PCR complete solution containing ˜250 ng template was prepared. DNA amplification was performed using a model 2400 thermal cycler (PE, Applied Biosystem) and the reaction conditions were as follows. After the initial denaturation reaction at 94 ° C. for 5 minutes, the reaction was repeated 35 times under conditions of denaturation (94 ° C., 1 minute), annealing (60 ° C., 1 minute), and elongation (72 ° C., 2 minutes), followed by further 7 minutes at 72 ° C. Reacted. PCR products were confirmed that the DNA was amplified by electrophoresis (0.8% agarose). PCR products were isolated using a separation kit (Wizard PCR Preps DNA Purification System, Promega) and then ligation to pGEM-T Easy Vector (Promega, Madison, WI) and transformed into E. coli JM109. 16S rDNA was determined by using an automatic base sequencer (ABI Prism 377 DNA Sequencer, Perkin Elmer). Analysis of the 16S rDNA base sequence was carried out using the SIMILARITY-RANK of the Ribosomal Database Project (RDP) and the Basic Local Alignment Search Tool (BLAST) by National Center Biotechnology Information (NCBI) (Altschul et al., J. Mol Biol. 215, 403-410). , 1990). The Phylogenetic Interference Package (PHYLIP), version 3.57c (Felsenstein, 1993) was used to analyze the sequence data, and the DNADIST program was used to determine the sequence similarity, and the FITCH program was used to generate the schematic.

실시예Example 5. 선별 균주 세포 유래의  5. Derived Strain Cells 에폭사이드Epoxide 가수분해 활성을 이용한 다양한  Various using hydrolysis activity 에폭사이드Epoxide 기질의  Temperamental 광학선택적Optical selective 가수분해 반응 Hydrolysis reaction

다양한 에폭사이드 라세믹 기질에 대한 가수분해 반응은 선별균주 전체 세포(0.2 g/ml)과 4 mM의 라세믹 에폭사이드 기질을 50 mM Tris-HCl (pH 8.0)에 현탁시킨 다음, 진탕 배양기 (25℃, 200 rpm)에서 교반하면서 반응을 진행하였다. 에폭사이드 가수분해 반응에 대한 GC 분석을 위하여 일정간격으로 얻은 샘플에 존재하는 에폭사이드를 2 ml의 헥산 (hexane)으로 추출하고, 이 유기용매층을 키랄(chiral) GC로 분석하여 광학순도(enantiomeric excess, ee), 전환율, 수율, 그리고 광학선택성의 활성 정도를 표현하는 E값 등을 결정하였다.Hydrolysis of the various epoxide racemic substrates was carried out by suspending the selected strain whole cells (0.2 g / ml) and 4 mM racemic epoxide substrate in 50 mM Tris-HCl (pH 8.0), followed by shaking incubator (25 The reaction proceeded while stirring at 200 ℃). For the GC analysis of the epoxide hydrolysis reaction, the epoxides present in the samples obtained at regular intervals were extracted with 2 ml of hexane, and the organic solvent layer was analyzed by chiral GC to obtain optical purity. excess, ee ), conversion, yield, and E value expressing the degree of activity of optical selectivity were determined.

광학순도(ee) = [ee(%)={(S)-에폭사이드 - (R)-에폭사이드} / {(S)-에폭사이드 + (R)-에폭사이드} X 100Optical purity (ee) = [ee (%) = {(S) -epoxide-(R) -epoxide} / {(S) -epoxide + (R) -epoxide} X 100

전환율(c)= [1 - {잔여 (S)-에폭사이드 + 잔여 (R)-에폭사이드} / {초기 (S)-에폭사이드 + 잔여 (R)-에폭사이드}]Conversion (c) = [1-{residual (S) -epoxide + residual (R) -epoxide} / {initial (S) -epoxide + residual (R) -epoxide}]

수율 (%) = [{residual (S)-에폭사이드} / {초기 라세믹 (S, R)-에폭사이드}] X 100 (최대이론치 50%)Yield (%) = [{residual (S) -epoxide} / {initial racemic (S, R) -epoxide}] X 100 (maximum theory 50%)

광학선택성 (E)= In{(1 - c)(1 - ees)}/In{(1 - c)(1 + ees)}
Optical selectivity (E) = In {(1-c) (1-ees)} / In {(1-c) (1 + ees)}

실시예Example 6. 가스 크로마토그래피( 6. Gas Chromatography GCGC ) 분석) analysis

에폭사이드 가수분해 활성에 의하여 분해되는 에폭사이드를 측정하기 위해 반응액을 취하여 헥산(hexane)으로 남은 에폭사이드를 추출한 후 유기용매층을 GC로 분석하였다. 검출기로는 FID를, 분석용 컴럼으로는 실리카 사이클로덱스트린 베타-DEX 120 (30 m length, 0.25 mm ID, and 0.25㎛ film thickness; Supelco, USA)을 사용하였다. 이동가스로 헬륨을 사용하였으며 시료주입기(injector) 및 검출기(detector)의 온도는 각각 180℃ 및 180℃였으며, 컬럼 온도는 각 기질에 맞게 Supelco사의 가이드를 참고하여 결정하였다 [SO, (R)-SO, tr = 10.7 min; (S)-SO, tr = 11.2 min (오븐온도 105℃); 2CSO, (R)- 2CSO, tr = 19.6 min; (S)-2CSO, tr = 40 min (오븐온도 105℃); 3CSO, (R)- 3CSO, tr = 34.9 min; (S)-3CSO, tr = 35.6 min (오븐온도 100℃); 및 4CSO, (R)- 4CSO, tr = 24.6 min; (S)-4CSO, tr = 25.4 min (오븐온도 110℃)].
In order to measure the epoxide decomposed by the epoxide hydrolysis activity, the reaction solution was taken, the remaining epoxide was extracted with hexane, and the organic solvent layer was analyzed by GC. FID was used as a detector and silica cyclodextrin beta-DEX 120 (30 m length, 0.25 mm ID, and 0.25 μm film thickness; Supelco, USA) was used as an analytical column. Helium was used as the transfer gas, and the temperature of the injector and detector was 180 ° C and 180 ° C, respectively, and the column temperature was determined by referring to Supelco's guide for each substrate [SO, ( R )- SO, t r = 10.7 min; ( S ) -SO, t r = 11.2 min (oven temperature 105 ° C.); 2CSO, ( R ) -2CSO, t r = 19.6 min; ( S ) -2CSO, t r = 40 min (oven temperature 105 ° C.); 3CSO, ( R ) -3CSO, t r = 34.9 min; ( S ) -3CSO, t r = 35.6 min (oven temperature 100 ° C.); And 4CSO, ( R ) -4CSO, t r = 24.6 min; ( S ) -4CSO, t r = 25.4 min (oven temperature 110 ° C.)].

실험결과Experiment result

1. One. GCGC 분석을 통한 스티렌 Styrene Through Analysis 옥사이드에Oxide 대한  About 광학선택적Optical selective 에폭사이드Epoxide 가수분해 활성 측정 Hydrolysis Activity Measurement

과거에 기름으로 오염이 되었던 갯벌과 기질인 다환방향족탄화수소와 농화배양을 한 후 순수 분리된 균주 (Whole cell)를 대상으로 전세포 (0.2 g/ml)과 17 mM의 라세믹 스티렌 옥사이드(styrene oxide)를 50 mM Tris-HCl (pH 8.0)에 현탁시킨 다음, 진탕 배양기 (30℃, 200 rpm)에서 교반하면서 광학선택적 가수분해 반응을 진행하였다. 키랄 에폭사이드를 헥산 (hexane)으로 추출하고, 이 유기용매층을 키랄 GC칼럼으로 분석하여 광학순도(enantiomeric excess, ee)를 결정하였다. 그 결과 광학선택적 에폭사이드 가수분해 활성이 가장 우수한 8-NA-5 균주를 최종적으로 선별하였다. 표 1은 라세믹 스티렌 옥사이드를 기질로 한 8-NA-5 균주의 에폭사이드 가수분해 활성을 나타낸 것이다 (표 1).Whole cells (0.2 g / ml) and 17 mM racemic styrene oxide in whole isolated cells after polycultured with polycyclic aromatic hydrocarbons, which were contaminated with oil in the past, and polyculture with thickened aromatics. ) Was suspended in 50 mM Tris-HCl (pH 8.0), followed by an optical selective hydrolysis reaction with stirring in a shake incubator (30 ° C., 200 rpm). Chiral epoxide was extracted with hexane, and the organic solvent layer was analyzed by chiral GC column to determine optical purity (enantiomeric excess, ee ). As a result, 8-NA-5 strain having the best optical selective epoxide hydrolysis activity was finally selected. Table 1 shows the epoxide hydrolysis activity of 8-NA-5 strain based on racemic styrene oxide (Table 1).

샘플링 지역Sampling area 균주명Strain name 계통학적으로 가장 근접한 균주Phylogenically closest strain 16S rRNA
상동성 (%)
16S rRNA
Homology (%)
eea(%)/abs.
Conf.b/(R):(S)
ee a (%) / abs.
Conf. b / (R): (S)
가수분해율
(x10-2)mg/h
Hydrolysis rate
(x10 -2 ) mg / h
SOSO (R)(R) (S)(S) 유류오염 지역 퇴적물Oil Pollution Area Sediment 8-NA-5c 8-NA-5 c SphingopyxisSphingopyxis flavimarisflavimaris 99.5399.53 10.6/S/(3.0)10.6 / S / (3.0) 1.481.48 0.500.50 a, 광학순도: (S-R)/(S+R) X 100
b, 남아있는 에폭사이드를 나타내는 절대적인 형태
c, 전세포 (wet. 0.2 g) 및 반응시간 16시간 사용
a, optical purity: (SR) / (S + R) X 100
b, absolute form representing remaining epoxide
c, whole cell (wet. 0.2 g) and reaction time 16 hours

광학선택적 에폭사이드 가수분해 활성을 보인 8-NA-5의 특성을 더 조사하기 위해 전세포의 양과 반응 시간별로 라세믹 스티렌 옥사이드에 대한 광학순도를 조사하였다. 8-NA-5의 전세포의 양은 0.1 g과 0.2 g을 사용하였고, 라세믹 스티렌 옥사이드의 농도는 4 mM, 반응시간은 광학순도가 100%에 도달하는 시간까지로 분석하였다. 분석 결과, 기질 농도가 4 mM일 때 전세포 0.2 g에서는 7 시간에 광학순도가 100%에 도달했고, 전세포 0.1 g에서는 13 시간이 걸려도 광학순도 86% 에 도달하였다 (도 3 및 표 2). 8-NA-5의 라세믹 스티렌 옥사이드에 대한 광학선택적 에폭사이드 가수분해 활성을 종합적으로 분석한 결과, 8-NA-5은 (R)-스티렌 옥사이드를 광학선택적으로 분해를 하며 100%의 광학순도를 보인다. 또한 높은 광학순도에 수율도 기존에 보고된 야생균주에 뒤지지 않는 광학선택적 에폭사이드 가수분해 활성의 우수성이 보여진다.To further investigate the properties of 8-NA-5, which showed optical selective epoxide hydrolysis activity, the optical purity of racemic styrene oxide was investigated by the amount of whole cells and reaction time. The amount of whole cells of 8-NA-5 was 0.1 g and 0.2 g, and the concentration of racemic styrene oxide was 4 mM, and the reaction time was analyzed until the time when the optical purity reached 100%. As a result, when the substrate concentration was 4 mM, the optical purity reached 100% at 7 hours in 0.2 g of whole cells, and 86% at 13 g in 0.1 g of whole cells. (Figure 3 and Table 2). As a result of comprehensive analysis of the optically selective epoxide hydrolysis activity of racemic styrene oxide of 8-NA-5, 8-NA-5 optically decomposes (R) -styrene oxide and has 100% optical purity. Seems. In addition, high optical purity and yield are shown to be excellent in optical selective epoxide hydrolysis activity, which is inferior to previously reported wild strains.

8-NA-5 균주의 광학선택적 에폭사이드 가수분해 활성Optically Selective Epoxide Hydrolysis Activity of 8-NA-5 Strains 기질농도Substrate concentration 시간(h)Time (h) ee(%)ee (%) ca c a Eb E b Yield(%)c Yield (%) c Abs.
Conf.d
Abs.
Conf. d
4mM SOe 4 mM SO e 1313 86.4686.46 0.80390.8039 3.93.9 21.821.8 SS 4mM SOf 4mM SO f 77 99.9999.99 0.76060.7606 12.212.2 20.620.6 SS a, 전환율(c) [c={1-(ERs+ESs/(ERso+ESso)}], 최초 (R) 및 (S) 에폭사이드는 Eso 로 나타내고, 남아있는 (R) 및 (S) 에폭사이드는 Es 로 나타냄
b, 광학선택성(E)은 전환율(c) 및 남아있는 기질의 이성질체의 광학순도(ees)에서 유래한 것임 [E= In{(1-c) (1-ees)}/In{(1-c) (1+ees)}]
c, 남아있는 에폭사이드의 수율
d, 남아있는 에폭사이드를 나타내는 절대적인 형태
e, 사용한 전세포의 양 (wet. 0.2 g)
f, 사용한 전세포의 양 (wet. 0.1 g)
a, conversion ( c ) [ c = {1- (ERs + ESs / (ERso + ESso)}], the initial (R) and (S) epoxides are denoted by Eso and the remaining (R) and (S) epoxides Side is represented by Es
b, the optical selectivity (E) is derived from the conversion (c) and the optical purity (ees) of the isomer of the remaining substrate [ E = In {(1- c ) (1-ees)} / In {(1- c ) (1 + ees)}]
c, yield of remaining epoxide
d, an absolute form representing the remaining epoxide
e, amount of whole cells used (wet. 0.2 g)
f, amount of whole cells used (wet. 0.1 g)

2. 선별 균주의 16s 2. 16s of Selected Strains rRNArRNA 시퀀싱 및 분류학적 위치 결정 Sequencing and Taxonomic Positioning

라세믹 스티렌 옥사이드를 대상으로 에폭사이드 가수분해 활성을 보인 균주 8-NA-5에 대해 16S rRNA 클론에 대한 염기서열을 분석하였다. 8-NA-5 균주의 16S rRNA 는 서열번호 1에 나타내었다. 도 4에 나타낸 계통학적 그림은 8-NA-5 16S rRNA의 1293 염기쌍을 기초로 만들어졌으며, 계통분석 결과 8-NA-5는 Sphingopyxis flavimaris (1444bp, NR025814) 와 99.53%의 높은 상동성을 갖는 것으로 나타났다. 이러한 결과에 기초하여 균주 8-NA-5를 Sphingopyxis sp. BSNA05 로 명명하고, 2012년 8월 14일자로 KCTC(Korean Colletion for Type Cultures, 대전광역시 유성구 과학로 125번지 생명공학연구소 유전자원센터)에 기탁하여 수탁번호 KCTC 12262BP 를 부여받았다.
The nucleotide sequence of 16S rRNA clone was analyzed for strain 8-NA-5 showing epoxide hydrolysis activity in racemic styrene oxide. 16S rRNA of 8-NA-5 strain is shown in SEQ ID NO: 1. Figure 4 Phylogenetic figure 8-NA-5 was created based on the 1293 base pairs of the 16S rRNA, system analysis 8-NA-5 shown in has to have high homology with 99.53% Sphingopyxis flavimaris (1444bp, NR025814 ) appear. Based on these results, strain 8-NA-5 was isolated from Sphingopyxis sp. It was named BSNA05 and was deposited on August 14, 2012 to KCTC (Korean Colletion for Type Cultures, 125, Gwahakro, Yuseong-gu, Daejeon, Korea).

3. 선별 균주의 스티렌 3. Styrene of Selected Strains 옥사이드Oxide 유도체 기질의 대한  For derivative substrates 광학선택적Optical selective 에폭사이드Epoxide 가수분해 활성 사전조사 Hydrolysis activity

8-NA-5 균주가 스티렌 옥사이드 외에 다양한 에폭사이드 기질들에 대하여도 광학선택적 에폭사이드 가수분해 활성을 가지는지를 확인하기 위하여 GC를 사용하여 분석하였다. 실험에 사용한 다양한 에폭사이드 기질들은 모두 라세믹 구조로, 스티렌 옥사이드 (SO)를 포함하여 스티렌 옥사이드의 유도체들인, 2-클로로스티렌 옥사이드 (2CSO), 3-클로로스티렌 옥사이드 (3CSO), 그리고 4-클로로스티렌 옥사이드 (4CSO) 이다 (도 2). 위의 GC 분석조건과 동일하게 조사하였으며 전세포와 기질의 반응 시간은 단일 조건에 맞춰 스크리닝 (사전 조사)하였다. The 8-NA-5 strain was analyzed using GC to confirm that it has optical selective epoxide hydrolysis activity against various epoxide substrates in addition to styrene oxide. The various epoxide substrates used in the experiments are all racemic structures, including derivatives of styrene oxide, including styrene oxide (SO), 2-chlorostyrene oxide (2CSO), 3-chlorostyrene oxide (3CSO), and 4-chloro Styrene oxide (4CSO) (FIG. 2). The GC assay was performed in the same manner as above, and the reaction time of whole cells and substrate was screened according to a single condition (preliminary investigation).

그 결과 각 균주들에 대한 각 기질들의 반응은 GC 결과 (도 5)와 분해율 (표 3)로 나타내었다. 도 5의 GC의 크로마토그램을 보면 2-클로로스티렌 옥사이드(2CSO)에 대한 8-NA-5 균주의 광학순도가 100%이었으며, (S)-2CSO 에 대해 광학선택성을 나타내었다. 또한, 3-클로로스티렌 옥사이드 (3CSO) 및 4-클로로스티렌 옥사이드 (4CSO) 기질에 대해서도 광학선택성 활성을 보였고, 각각 (S)-3CSO 및 (S)-4CSO 에 대해 광학선택성을 나타내었다. 결과적으로, 8-NA-5균주는 스티렌 옥사이드를 포함하여 스티렌 옥사이드의 유도체 (2CSO, 3CSO, 4CSO) 모두에 광학선택성을 보여 매우 우수함을 알 수 있었다. As a result, the response of each substrate to each strain is shown by GC results (FIG. 5) and degradation rate (Table 3). Looking at the chromatogram of GC of Figure 5 The optical purity of 8-NA-5 strain against 2-chlorostyrene oxide (2CSO) was 100% and showed optical selectivity for (S) -2CSO. In addition, it showed optically selective activity against 3-chlorostyrene oxide (3CSO) and 4-chlorostyrene oxide (4CSO) substrates, and showed optical selectivity to (S) -3CSO and (S) -4CSO, respectively. As a result, it was found that 8-NA-5 strain showed excellent optical selectivity to all derivatives of styrene oxide (2CSO, 3CSO, 4CSO) including styrene oxide.

균주Strain 가수분해율
(x10-2)mg/h
Hydrolysis rate
(x10 -2 ) mg / h
SOSO 2CSO2CSO 3CSO3CSO 4CSO4CSO (R)( R ) (S)( S ) (R)( R ) (S)( S ) (R)( R ) (S)( S ) (R)( R ) (S)( S ) 8-NA-5
(Sphingopyxis sp. BSNA05;
KCTC 12262BP)
8-NA-5
( Sphingopyxis sp. BSNA05;
KCTC 12262BP)
1.481.48 0.500.50 1.761.76 0.510.51 0.870.87 0.080.08 0.970.97 0.340.34

4. 선별 균주들의 스티렌 4. Styrene of Selected Strains 옥사이드Oxide 유도체 기질의 대한  For derivative substrates 광학선택적Optical selective 에폭사이드Epoxide 가수분해 활성  Hydrolytic activity

다음으로, 위의 GC분석조건과 동일한 조건에서, 8-NA-5 균주의 전세포와 스티렌 옥사이드의 유도체 (2CSO, 3CSO, 4CSO) 기질의 반응 시간을 조사하였다. 그 결과 각 균주들에 대한 각 기질들의 반응은 GC 결과를 도 6 내지 도 8에 나타내었다. Next, under the same conditions as the above GC analysis, the reaction time of all cells of 8-NA-5 strain and derivatives of styrene oxide (2CSO, 3CSO, 4CSO) substrate were investigated. As a result, the response of each substrate to each strain shows the GC results in FIGS. 6 to 8.

그 결과, 8-NA-5 균주는 2-클로로스티렌 옥사이드 (2CSO) 기질에 대해 광학선택성이 보여 (S)-2CSO를 선택하였으며 반응시간 100분에 광학순도가 100%가 되었다 (도 6). 일반적으로 지금까지 보고 된 논문에는 2CSO가 높은 광학선택성을 갖기 어려운 것으로 알려져 있었으므로, 8-NA-5 균주의 2CSO에 광학선택성은 기존의 보고 된 균주보다 매우 높은 활성임을 알 수 있다.As a result, 8-NA-5 strain showed optical selectivity for 2-chlorostyrene oxide (2CSO) substrate (S) -2CSO was selected and the optical purity was 100% at 100 minutes reaction time (Fig. 6) . In general, the papers reported so far have been known that 2CSO is difficult to have high optical selectivity, it can be seen that the optical selectivity of 2CSO of 8-NA-5 strain is much higher activity than the previously reported strain.

3-클로로스티렌 옥사이드 (3CSO) 기질에 대한 결과는 사전 조사와 마찬가지로 광학선택성 활성을 보였고, (S)-3CSO에 대해 광학선택성이 확인되었다. 광학순도가 100%되는데 걸린 시간은 120분으로, 역시 우수한 광학선택성을 나타내었다 (도 7). The results for the 3-chlorostyrene oxide (3CSO) substrate showed photoselective activity as well as prior irradiation, and the optical selectivity for (S) -3CSO was confirmed. The time taken for the optical purity to be 100% was 120 minutes, which also showed excellent optical selectivity (FIG. 7).

4-클로로스티렌 옥사이드 (4CSO) 기질에 대한 결과는 사전 조사와 마찬가지로 광학선택성 활성을 보였고, (S)-4CSO에 대해 광학선택성이 확인되었다. 광학순도가 100%되는데 걸린 시간은 55분으로, 역시 우수한 광학선택성을 나타내었다 (도 8).
The results for the 4-chlorostyrene oxide (4CSO) substrate showed photoselective activity as well as prior irradiation, and the optical selectivity for (S) -4CSO was confirmed. The time taken for the optical purity to be 100% was 55 minutes, which also showed excellent optical selectivity (FIG. 8).

5. 8-5. 8- NANA -- 5균주의5 strains 스티렌  Styrene 옥사이드Oxide 및 유도체 기질의 대한  For derivative substrates 광학선택적Optical selective 에폭사이드Epoxide 가수분해 활성 정리 Hydrolysis activity clearance

상술한 바와 같이, 8-NA-5균주는 스티렌 옥사이드를 포함하여 스티렌 옥사이드의 유도체 (2CSO, 3CSO, 4CSO) 모두에 대한 광학선택적 에폭사이드 가수분해 활성이 매우 우수하였다. 분석 결과 8-NA-5는 동일 농도의 스티렌 옥사이드를 포함하여 스티렌 옥사이드 유도체에 대하여 짧은 시간 내에 광학순도가 100%가 되도록 촉매작용을 충분히 수행하여, 명확하게 광학선택적 에폭사이드 가수분해 활성을 확인할 수 있었다 (표 4). 광학순도가 100%에 도달하는 시간은 기질의 차이에 따른 시간의 차이가 있었다. 즉, 농도가 4 mM일 때 8-NA-5의 동일 전세포 양 (0.2 g)에서 SO는 420분, 2CSO는 100분, 3CSO는 120분, 그리고 4CSO는 55분에 광학순도가 100%에 도달했다. As described above, the 8-NA-5 strain was very excellent in the optical selective epoxide hydrolysis activity for all derivatives of styrene oxide (2CSO, 3CSO, 4CSO) including styrene oxide. As a result of analysis, 8-NA-5, including the same concentration of styrene oxide, performs a sufficient catalysis to achieve 100% optical purity for the styrene oxide derivative in a short time, thereby clearly confirming the optical selective epoxide hydrolysis activity. (Table 4). The time for optical purity to reach 100% was the difference in time according to the difference in substrate. In other words, at 4 mM concentration, 8-NA-5 of the same whole cell volume (0.2 g), SO was 420 minutes, 2CSO was 100 minutes, 3CSO was 120 minutes, and 4CSO was 55 minutes. Reached .

결론적으로, 본 발명의 8-NA-5 균주는 스티렌 옥사이드를 포함하여 다양한 스티렌 옥사이드 유도체에서도 (R)-form 을 광학선택적으로 분해를 하며 100%의 광학순도를 보인다. 또한 4개의 기질에 대한 광학순도, 수율 그리고 E값도 기존에 보고된 야생균주에 뒤지지 않으며, 특히, 2CSO에 대한 수율과 E값은 매우 우수하다. 따라서, 8-NA-5는 지금까지 보고 된 균주나 효소보다도 2CSO에 대한 활성은 매우 우수한 것으로 보여지며, 특히 다른 유도체보다 2CSO에 대해 활성이 좋았던 균주에 대한 보고는 없었다. 8-NA-5 는 기존의 분해 메커니즘이 완전히 따른 효소일 것으로 예측된다. 그리고, 반응 시간은 기존의 보고 균주보다 훨씬 짧은 시간에 이루어져 다양한 기질에 대한 광학선택적 에폭사이드 가수분해 활성의 우수성이 보여졌다. 따라서, 8-NA-5 균주는 다양한 에폭사이드 기질들에 대하여 광학선택적 가수분해 활성을 나타내어 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다. In conclusion, the 8-NA-5 strain of the present invention exhibits optical purity of 100% by optically decomposing (R) -form even in various styrene oxide derivatives including styrene oxide. In addition, the optical purity, yield, and E value of the four substrates are also inferior to previously reported wild strains. In particular, the yield and E value of 2CSO are excellent. Therefore, 8-NA-5 was shown to have a much higher activity against 2CSO than the strains or enzymes reported so far, and in particular, there was no report on the strain having better activity against 2CSO than other derivatives. 8-NA-5 is expected to be an enzyme completely following existing degradation mechanisms. In addition, the reaction time was much shorter than the conventional reported strains, and showed superior optical selective epoxide hydrolysis activity on various substrates. Thus, 8-NA-5 strains are expected to be useful because they exhibit optically selective hydrolytic activity against various epoxide substrates.

8-NA-5 균주의 광학선택적 에폭사이드 가수분해 활성Optically Selective Epoxide Hydrolysis Activity of 8-NA-5 Strains 기질농도Substrate concentration 시간(분)Time (minutes) ee(%)ee (%) ca c a Eb E b Yield(%)c Yield (%) c Abs.
Conf.d
Abs.
Conf. d
4mM SOe 4 mM SO e 420420 99.9999.99 0.76060.7606 12.212.2 20.620.6 SS 4mM 2CSOe 4mM 2CSO e 100100 99.9999.99 0.60700.6070 42.142.1 39.339.3 SS 4mM 3CSOe 4mM 3CSO e 120120 99.9999.99 0.71310.7131 18.818.8 28.728.7 SS 4mM 4CSOe 4mM 4CSO e 5555 99.9999.99 0.73290.7329 16.816.8 26.826.8 SS a, 전환율(c) [c={1-(ERs+ESs/(ERso+ESso)}], 최초 (R) 및 (S) 에폭사이드는 Eso 로 나타내고, 남아있는 (R) 및 (S) 에폭사이드는 Es 로 나타냄
b, 광학선택성(E)은 전환율(c) 및 남아있는 기질의 이성질체의 광학순도(ees)에서 유래한 것임 [E= In{(1-c) (1-ees)}/In{(1-c) (1+ees)}]
c, 남아있는 에폭사이드의 수율
d, 남아있는 에폭사이드를 나타내는 절대적인 형태
e, 사용한 전세포의 양 (wet. 0.2 g)
a, conversion ( c ) [ c = {1- (ERs + ESs / (ERso + ESso)}], the initial (R) and (S) epoxides are denoted by Eso and the remaining (R) and (S) epoxides Side is represented by Es
b, the optical selectivity (E) is derived from the conversion (c) and the optical purity (ees) of the isomer of the remaining substrate [ E = In {(1- c ) (1-ees)} / In {(1- c ) (1 + ees)}]
c, yield of remaining epoxide
d, an absolute form representing the remaining epoxide
e, amount of whole cells used (wet. 0.2 g)

한국생명공학연구원Korea Biotechnology Research Institute KCTC12262BPKCTC12262BP 2012081420120814

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Claims (10)

광학선택적 에폭사이드 가수분해 활성을 가지는 스핑픽시스 속(Sphingopyxis sp.) BSNA05 균주(수탁번호 KCTC 12262BP) 를 라세믹 에폭사이드 기질과 반응시키는 단계를 포함하는, 광학순도 에폭사이드를 제조하는 방법.A method of preparing an optically pure epoxide, comprising reacting a Sphingopyxis sp. BSNA05 strain (Accession No. KCTC 12262BP) with optical selective epoxide hydrolysis activity with a racemic epoxide substrate. 제1항에 있어서, 상기 에폭사이드는 스티렌 옥사이드(styrene oxide, SO) 또는 그 유도체인 방법.The method of claim 1, wherein the epoxide is styrene oxide (SO) or a derivative thereof. 제2항에 있어서, 상기 스티렌 옥사이드 유도체는 2-클로로스티렌 옥사이드(2-chlorostyrene oxide, 2CSO), 3-클로로스티렌 옥사이드(3-chlorostyrene oxide, 3CSO) 또는 4-클로로스티렌 옥사이드(4-chlorostyrene oxide, 4CSO) 인 방법.The method of claim 2, wherein the styrene oxide derivative is 2-chlorostyrene oxide (2-chlorostyrene oxide, 2CSO), 3-chlorostyrene oxide (3-chlorostyrene oxide, 3CSO) or 4-chlorostyrene oxide (4-chlorostyrene oxide, 4CSO). 제1항에 있어서, 상기 광학순도 에폭사이드는 (S)형 광학순도 에폭사이드 또는 (R)형 광학순도 에폭사이드인 방법.The method of claim 1, wherein the optical purity epoxide is (S) type optical purity epoxide or (R) type optical purity epoxide. 제1항에 있어서, 광학선택적 에폭사이드 가수분해 활성을 가지는 스핑픽시스 속 BSNA05 균주(수탁번호 KCTC 12262BP) 를 라세믹 스티렌 옥사이드 또는 그 유도체와 반응시켜 (S)형 광학순도 에폭사이드를 제조하는 것인 방법.The method according to claim 1, wherein (S) type optical purity epoxide is prepared by reacting sphinxis BSNA05 strain (Accession No. KCTC 12262BP) having optical selective epoxide hydrolysis activity with racemic styrene oxide or a derivative thereof. Way. 제1항에 있어서, 가스 크로마토그래피를 이용하여 광학순도 에폭사이드를 분리 및 정제하는 단계를 추가로 포함하는 방법.The method of claim 1, further comprising separating and purifying the optical purity epoxide using gas chromatography. 광학선택적 에폭사이드 가수분해 활성을 가지는 스핑픽시스 속 BSNA05 균주(수탁번호 KCTC 12262BP) 를 포함하는, 라세믹 에폭사이드 기질로부터 광학순도 에폭사이드를 제조하기 위한 생촉매 조성물.A biocatalyst composition for preparing optical purity epoxides from racemic epoxide substrates comprising a Sphinxis genus BSNA05 strain having accessoselective epoxide hydrolysis activity (Accession No. KCTC 12262BP). 제7항에 있어서, 상기 에폭사이드는 스티렌 옥사이드 또는 그 유도체인 조성물.8. The composition of claim 7, wherein the epoxide is styrene oxide or a derivative thereof. 제8항에 있어서, 상기 스티렌 옥사이드 유도체는 2-클로로스티렌 옥사이드, 3-클로로스티렌 옥사이드 또는 4-클로로스티렌 옥사이드인 조성물.The composition of claim 8, wherein the styrene oxide derivative is 2-chlorostyrene oxide, 3-chlorostyrene oxide or 4-chlorostyrene oxide. 광학선택적 에폭사이드 가수분해 활성을 가지는 스핑픽시스 속 BSNA05 균주(수탁번호 KCTC 12262BP).
BSNA05 strain of Sphinxis genus having optical selective epoxide hydrolysis activity (Accession No. KCTC 12262BP).
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