KR101364994B1 - Expression of tyrosinase by gene sequence optimization of helpful protein and production methods of catechol-like construction material using tyrosinase and its inhibitor - Google Patents
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Abstract
본 발명은 티로시나아제의 발현을 도울 수 있는 도움 단백질의 유전자 서열을 포함하고 있으며 효소 촉매화 반응을 이용한 카테콜형 구조물질의 생산에 적용이 가능하다.
또한 본 발명은 이종 카테콜형 구조물질을 첨가하여 목적물질에 해당하는 카테콜형 구조물질을 부반응 없이 대량으로 생산할 수 있는 방법을 제안한다. The present invention includes the gene sequence of a helper protein that can help the expression of tyrosinase, and is applicable to the production of catechol-type structures using enzyme catalysis.
In addition, the present invention proposes a method capable of producing a large amount of catechol-type structural substances corresponding to the target substance without side reactions by adding heterogeneous catechol-type structural substances.
Description
본원발명은 멜라닌 합성에 이용되는 티로시나아제, 그 티로시나아제가 활성을 가진 구조를 갖도록 돕는 도움 단백질 및 각각의 유전자를 포함한 재조합 균주를 생촉매로 이용하여, 카테콜형 구조를 갖는 화학물질을 생산하는 방법에 관한 것이다.The present invention uses a tyrosinase for melanin synthesis, a helper protein that helps the tyrosinase to have an active structure, and recombinant strains containing respective genes as biocatalysts to produce chemicals having a catechol-like structure. It is about how to.
카테콜형 구조물질은 항산화, 항암, 항염증 또는 항바이러스 효과 등에 있어서 향상된 생리활성을 나타내며, 모노페놀형 구조물질보다 효과가 높은 것으로 보고된다. 특히, 카테콜형 구조물질은 티로시나아제의 억제제로 활용이 되고 있으며, 티로시나아제에 의한 멜라닌의 생산을 줄이는 효과를 가지고 있다. Catechol-type structures exhibit enhanced physiological activity in antioxidant, anticancer, anti-inflammatory or antiviral effects, and are reported to be more effective than monophenolic structures. In particular, catechol-type structural materials are used as inhibitors of tyrosinase, and have an effect of reducing melanin production by tyrosinase.
종래의 생촉매를 활용하여 카테콜형 구조물질을 생산하는 경우에는, P450 모노옥시게나아제를 비롯한 다양한 모노옥시게나아제를 이용하고 있다. 그러나 대부분의 모노옥시게나아제의 경우, 조효소를 필요로 하며, 전자 전달을 요구하게 된다. 또한, 기질의 생변환 반응 속도에 영향을 미칠 뿐만 아니라, 조효소와 단백질간의 전자 전달 반응 효율이 낮은 것으로 보고되고 있다.When producing a catechol-type structural material by utilizing a conventional biocatalyst, various monooxygenases including P450 monooxygenase are used. Most monooxygenases, however, require coenzymes and require electron transfer. In addition, it is reported that not only affects the rate of biotransformation reaction of the substrate, but also the efficiency of electron transfer reaction between coenzyme and protein is low.
반면, 조효소의 사용이 요구되지 않으면서, 수산화 반응 산물을 생산할 수 있는 효소가 티로시나아제이다. 티로시나아제를 이용하여 티로신으로부터 도파 (DOPA) 를 생산하는데 주로 응용이 되고 있다. 티로시나아제는 모노페놀 구조물질을 산화하여 카테콜형 구조물질로 변환한 후에 멜라닌을 생산함으로써 자외선 영역의 빛을 차단하는 기능을 가지고 있는 것으로 보고된다. On the other hand, tyrosinase is an enzyme that can produce hydroxylated products without requiring the use of coenzymes. It is mainly applied to the production of dopa (DOPA) from tyrosine using tyrosinase. Tyrosinase is reported to have a function of blocking light in the ultraviolet region by producing melanin after oxidizing the monophenol structure and converting it into a catechol-type structure.
또한, 수산화 반응과 산화 반응을 동시에 촉매화하는 티로시나아제의 경우, 대부분 멜라닌의 생산과 관계된 효소로 활용이 되고 있다. 대개 일차 수산화 반응의 반응 속도 상수 (k1) 보다 이차 산화 반응의 속도 상수 (k2) 가 10 배 가량 크기 때문에 중간 생성물인 카테콜형 구조물질을 축적하기에 어려움이 있다.In addition, in the case of tyrosinase which catalyzes the oxidation reaction and the oxidation reaction at the same time, it is mostly utilized as an enzyme related to the production of melanin. In general, since the rate constant (k2) of the secondary oxidation reaction is about 10 times larger than the reaction rate constant (k1) of the primary hydroxide reaction, it is difficult to accumulate an intermediate catechol-type structure.
아울러, 티로시나아제를 이종 숙주에서 유전공학 기술을 도입하여 발현할 경우에는 완전한 활성을 갖는 구조를 갖기 어렵다. 그 이유는 각 미생물 내에 존재하는 번역 시스템이 상이할 뿐만 아니라, 활성을 가진 구조를 이루도록 도움을 줄 수 있는 도움 단백질이 부재하기 때문이다. In addition, when tyrosinase is expressed by introducing genetic engineering techniques in heterologous hosts, it is difficult to have a structure having full activity. The reason for this is that not only are the translation systems present in each microorganism different, but there is also no helper protein that can help to achieve an active structure.
현재 기술적인 상황에서, 발현시스템이 유사한 종속의 미생물간의 발현을 응용하여 사용하거나, 이종 숙주 내에 티로시나아제 및 도움 단백질을 함께 발현하여 멜라닌을 생산하고 있다. 그러나 이종 숙주 내에 티로시나아제 및 도움 단백질을 도입한 재조합 균주로부터 발현된 티로시나아제를 응용하여, 카테콜형 구조물질을 생산하는 사례는 보고되지 않고 있다.In the current technical context, expression systems are used to apply expression between microorganisms of similar dependencies, or to produce melanin by expressing tyrosinase and helper proteins together in heterologous hosts. However, there have been no reports on the production of catechol-like structures by applying tyrosinase expressed from recombinant strains incorporating tyrosinase and help proteins in heterologous hosts.
한편, 생물학적인 방법을 적용한 카테콜형 구조물질의 대표적인 생산방법은 첫째, 카테콜과 기타 구조의 결합 방법과 둘째, 벤젠형 구조물질 혹은 모노페놀형 구조물질의 수산화반응으로 나눌 수 있다. On the other hand, the typical production method of the catechol-type structural material applying the biological method can be divided into first, the method of combining catechol and other structures, and second, the hydroxylation reaction of the benzene-type or monophenolic structural material.
첫째 예에 해당하는 대표적인 반응은 일본 아지노모토사 (Ajinomoto) 에서 도파 (DOPA) 를 생산하는 방법으로서, 카테콜, 아세트산 및 암모니아를 기질로 하고, 티로신-페놀 리아제를 사용하여 도파 (DOPA) 를 생산하는 반응이다. 최대 100 g/L 수준으로 생산이 가능하며 카테콜형 구조물질의 대량생산의 대표적인 예라고 할 수 있다. 리아제를 사용하여 카테콜형 구조물질을 생산하기 위해서는 카테콜과 탄소-탄소 결합을 형성할 수 있는 특이적인 기질과 상응하는 리아제의 스크리닝이 요구된다.A representative example of the first example is a method for producing dopa (DOPA) in Ajinomoto, Japan, which is based on catechol, acetic acid, and ammonia, and produces dopa (DOPA) using tyrosine-phenolase. Reaction. It can be produced at the maximum level of 100 g / L and is a representative example of mass production of catechol-type structural materials. The production of catechol-like structures using lyases requires the screening of lyases corresponding to specific substrates that can form carbon-carbon bonds with catechol.
둘째, 벤젠형 구조물질 혹은 모노페놀형 구조물질의 수산화반응의 예는 모노옥시게나아제를 이용하는 방법이다. 모노옥시게나아제는 산화환원효소의 일종으로 전자전달계에 의한 전자의 공급이 요구된다. 대표적인 모노옥시게나아제 반응 효소는 시토크롬 P450 이며 효소의 중심에 자리하고 있는 헴 (heme) 구조의 철 이온의 산화 환원 작용으로부터 반응이 유도된다. 시토크롬 P450 의 기질 특이성을 변환시킴으로써 다양한 구조의 카테콜형 구조물질의 생산에 적용하고 있다. Second, an example of the hydroxylation reaction of a benzene structure or a monophenolic structure is a method using a monooxygenase. Monooxygenase is a type of oxidoreductase that requires the supply of electrons by an electron transport system. A representative monooxygenase reactive enzyme is cytochrome P450 and the reaction is derived from the redox action of iron ions of the heme structure located at the center of the enzyme. By converting the substrate specificity of cytochrome P450, it is applied to the production of catechol-type structural substances of various structures.
또 다른 수산화 반응으로는 티로시나아제의 응용이다. 티로시나아제의 경우에는 다양한 종류의 모노페놀형 구조물질을 기질로서 사용하여 카테콜형 구조물질로 변환할 수 있는 장점이 있다. 그러나 티로시나아제의 경우에는 모노페놀형 구조물질을 수산화하여 카테콜형 구조물질을 만드는 촉매화 반응과 동시에 카테콜형 구조물질을 산화하여 다이퀴논 형태를 형성하기도 한다. 상기 티로시나아제 반응의 중간체인 카테콜형 구조물질의 축적을 위한 방법으로는 환원제를 처리하여 과산화를 방지, 티로시나아제의 개량을 통하여 디옥시게나아제 활성의 감소 및 모노옥시게나아제 활성의 증대 등이 응용되고 있다.Another hydroxylation reaction is the application of tyrosinase. In the case of tyrosinase, there is an advantage that can be converted to catechol-type structural material using a variety of monophenolic structural material as a substrate. However, in the case of tyrosinase, the catalyzed reaction to hydrate the monophenolic structural material to form a catechol-type structural material, and at the same time, oxidize the catechol-type structural material to form a diquinone form. As a method for accumulating the catechol-type structural material, which is an intermediate of the tyrosinase reaction, treatment with a reducing agent prevents peroxidation, reduction of deoxygenase activity and increase of monooxygenase activity through improvement of tyrosinase. It is applied.
상기 티로시나아제는 구리를 포함하고 있는 산화환원 촉매효소로서 두 개의 구리 이온 사이에 산소 분자를 포함하고 있다. 상기 티로시나아제는 모노옥시게나아제 작용을 촉매화하고, 상기 모노옥시게나아제 작용으로 인해 티로시나아제가 포함하고 있는 산소 분자 중 하나의 산소 원자가 기질 내에 삽입된다. 상기 수산화반응 이후에 생성된 두 개의 수산화 잔기로부터 수소 이온을 제거하여 남아있는 하나의 산소 이온과 결합하여 물을 생성하는 산화 반응이 연속적으로 발생한다. 생성되는 산물은 오르소-벤조퀴논 형태의 구조물질을 생산한다. The tyrosinase is a redox catalytic enzyme containing copper and contains oxygen molecules between two copper ions. The tyrosinase catalyzes the monooxygenase action, and the monooxygenase action inserts the oxygen atom of one of the oxygen molecules contained in the tyrosinase into the substrate. An oxidation reaction is generated in which hydrogen ions are removed from two hydroxide residues generated after the hydroxylation, and water is combined with one oxygen ion remaining to generate water. The resulting product produces a structural material in the form of ortho-benzoquinone.
티로시나아제는 기질의 반응 특이성이 보편적인 특성을 갖는다. 모노페놀형 구조를 포함하고 있는 구조물질의 경우 전반적으로 카테콜형 구조물질로의 변환이 가능한 장점이 있다. Tyrosinase has the property that the reaction specificity of the substrate is universal. In the case of a structural material containing a monophenolic structure, there is an advantage in that the conversion to a catechol-type structural material as a whole.
이처럼, 다양한 기질특이성을 갖는 티로시나아제의 경우 미생물, 곰팡이 및 버섯류에서 추출하고 분리 정제하여 활용하거나 유전자 정보를 이용하여 재조합균주로 제작하기도 한다. 티로시나아제의 유전자를 PCR 증폭한 후에 재조합 플라스미드에 삽입하고 발현을 유도할 수 있는 균주 내에 삽입을 하여 배양을 한다. 배양한 균주에 단백질의 발현을 유도하는 물질을 처리한 이후에 발현된 티로시나아제를 분리 정제하여 반응하거나 전세포 반응으로 활용한다.As such, tyrosinase having various substrate specificities may be extracted from microorganisms, fungi, and mushrooms, used to separate and purify, or may be produced as recombinant strains using genetic information. After PCR amplification of the gene of tyrosinase, it is inserted into a recombinant plasmid and cultured by inserting it into a strain capable of inducing expression. After treating the strain to induce the expression of the protein in the cultured strains, the expressed tyrosinase is isolated and purified or used as a whole-cell reaction.
상기 기재한 바와 같이, 생물학적인 카테콜형 구조물질의 생산 방법에 있어서, 리아제를 활용하거나 모노옥시게나아제를 활용할 경우 기질 특이성이 크기 때문에 원하는 산물에 맞는 효소를 스크리닝하거나 효소를 개량하는 것이 불가피하다. 특이한 모노페놀형 구조물질을 수산화하여 카테콜형 구조물질로 생산할 수 있는 효소를 스크리닝 혹은 개량한 경우라 할지라도 생산 효율을 보장할 수 없다. As described above, in the method for producing a biological catechol-type structure, it is inevitable to screen for enzymes or to improve enzymes for a desired product because of the high substrate specificity when using lyase or monooxygenase. Production efficiency cannot be guaranteed even if the enzymes that can be produced as catechol-type structures by hydroxylating specific monophenol-type structures are screened or improved.
한편, 티로시나아제를 촉매화하여 카테콜형 구조물질을 생산하는 방법은 다양한 모노페놀형 구조물질의 기질에 보편적으로 활용이 가능한 장점이 있다. 효소의 반응 속도 또한 산업적으로 응용 가능한 수준에 이른다. 버섯류 유래의 티로시나아제는 kcat/Km 값이 1000 mM-1s-1 이상의 값을 가지며, 생산성을 고려할 때, 타 효소에 비해 가장 유리한 장점을 갖는다.On the other hand, the method of producing a catechol-type structural material by catalyzing tyrosinase has the advantage that it can be commonly used in the substrate of various monophenolic structural materials. Reaction rates of enzymes also reach industrially applicable levels. Tyrosinase derived from mushrooms has a value of k cat / K m of 1000 mM −1 s −1 or more, and considering the productivity, it has the most advantageous advantage over other enzymes.
그러나 티로시나아제를 이용한 촉매화는 부가적인 산화반응이 진행되므로 목적 물질로 여기는 카테콜형 구조물질을 축적하기에 어려운 단점이 있다. 카테콜형 구조물질이 매우 빠른 속도로 산화되어 오르소-벤조퀴논 형태로 변환되므로 실제로 생산할 수 있는 카테콜형 구조물질의 생산 수율은 현저하게 낮다. However, catalysis using tyrosinase has a disadvantage in that it is difficult to accumulate a catechol-type structural material, which is regarded as a target material because an additional oxidation reaction proceeds. Since the catechol type structure is oxidized at a very high rate and converted into the ortho-benzoquinone form, the production yield of the catechol type structure that can be actually produced is remarkably low.
이러한 단점을 해결하기 위한 목적으로, 환원제를 처리하거나 전기화학적인 방법으로 환원력을 제공하여 산화반응 속도를 줄이려는 노력들이 많은 연구진에 의해 이루어지고 있다. 그러나 사용되는 환원제의 경우 가격이 고가인 단점이 있으며 전기적인 방법으로 환원력을 제공할 경우 전극 표면에 고정화된 티로시나아제에 국한하여 활용할 수밖에 없는 단점이 있다.In order to solve this drawback, many researchers have made efforts to reduce the rate of oxidation by treating the reducing agent or providing reducing power by an electrochemical method. However, in the case of the reducing agent used, there is a disadvantage in that the price is expensive, and in the case of providing the reducing power by an electric method, there is a disadvantage in that it is limited to tyrosinase immobilized on the electrode surface.
또한 티로시나아제를 산업적으로 응용하기 위한 단위 생산에도 제약이 있다. 티로시나아제 자체가 카테콜형 구조물질에 의해 반응 억제가 되는 성질이 있으므로, 과량의 티로시나아제의 투입이 요구되지만, 티로시나아제를 활용한 카테콜형 구조물질의 생산에 적용하기 위해서는 자연계에서 생산되는 티로시나아제를 추출하는 것에는 한계가 있다. 따라서, 유전자 정보를 이용한 재조합 미생물 균주를 제작하여 증폭, 생산하는 것이 현실적으로 요구된다.There are also restrictions on the production of units for industrial application of tyrosinase. Since tyrosinase itself has a property of inhibiting reaction by a catechol-type structure, an excess amount of tyrosinase is required, but it is produced in nature in order to be applied to the production of a catechol-type structure using tyrosinase. There is a limit to extracting tyrosinase. Therefore, it is realistically required to produce, amplify, and produce a recombinant microbial strain using genetic information.
이에 따라, 티로시나아제의 유전자 정보로부터 재조합 플라스미드를 제작하고 대장균류의 이종 숙주에 도입하여 발현하고자 하는 시도들이 진행되고 있다. 이종 숙주 내의 발현에 있어서 가장 문제가 되는 과정이 티로시나아제의 정상적인 단백질 접힘을 이루지 못하는 부분이다. 티로시나아제를 코딩하고 있는 유전자의 정보가 본래 숙주의 발현시스템에 최적화되어 있기 때문에, 이종 숙주의 외래 환경에서는 정상적인 발현 및 단백질 구조를 이루기 어렵다. 위와 같은 이유로 티로시나아제를 활용한 카테콜형 구조물질의 대량 생산에 제약이 있다.Accordingly, attempts have been made to produce recombinant plasmids from the genetic information of tyrosinase and introduce them into heterologous hosts of E. coli. The most problematic process for expression in heterologous hosts is the part that does not achieve normal protein folding of tyrosinase. Since the information of the gene encoding tyrosinase is originally optimized for the expression system of the host, it is difficult to achieve normal expression and protein structure in the foreign environment of the heterologous host. For the same reason, there is a limitation in mass production of catechol-type structural materials using tyrosinase.
한편, 일부 미생물의 경우, 티로시나아제와 동일한 오픈리딩프레임 (ORF) 내에 도움 단백질 유전자가 함께 존재한다. 도움 단백질의 기능은 티로시나아제의 촉매활성 부위에 구리 이온을 넣어 정상적인 접힘 구조를 갖도록 한다. 하지만, 대개 도움 단백질의 경우 미생물의 세포막에 존재하고 희귀 코돈 서열로 이루어져 있으므로 대장균을 비롯한 이종숙주 내에서 발현 자체가 어려운 점이 있다.On the other hand, for some microorganisms, helper protein genes coexist in the same open reading frame (ORF) as tyrosinase. The function of the helper protein is to put copper ions into the catalytic activity of tyrosinase so that it has a normal folding structure. However, since the help protein is usually present in the cell membrane of the microorganism and consists of a rare codon sequence, the expression itself is difficult in heterologous hosts including Escherichia coli.
본 발명은 미생물에 존재하는 티로시나아제의 촉매활성을 이용하여 모노페놀형 화학물질의 오르소 위치에 수산화작용기가 도입된 카테콜형 구조물질을 효과적으로 생산하는 방법에 관한 것이다. 티로시나아제의 수산화 반응 이후 부가적인 산화반응 억제제를 첨가함으로써 카테콜형 구조물질의 생산 수율을 높이는데 목적이 있다. The present invention relates to a method for effectively producing a catechol-type structural material having a hydroxyl functional group introduced at the ortho position of a monophenolic chemical using the catalytic activity of tyrosinase present in a microorganism. It is an object to increase the production yield of catechol-type structural material by adding an additional oxidation inhibitor after the hydroxylation reaction of tyrosinase.
또한, 본 발명은 이종 균주의 티로시나아제가 도입되어 과발현된 대장균 균주에 관한 것으로 티로시나아제의 발현을 도울 수 있는 도움 단백질의 유전자의 서열을 포함하고 있다.In addition, the present invention relates to an E. coli strain overexpressed by introducing a tyrosinase of a heterologous strain, and includes a sequence of genes of a helper protein that may help the expression of tyrosinase.
본 발명은 방선균 및 기타 미생물로부터 티로시나아제와 도움 단백질의 유전 정보를 이용하여 재조합 균주를 제작하고 상기 단백질의 발현을 극대화하는 방법을 제공한다. The present invention uses recombinant genetic information of tyrosinase and helper protein from actinomycetes and other microorganisms to provide a method for producing a recombinant strain and maximizing expression of the protein.
또한, 본 발명은 도움 단백질의 유전자를 대장균의 발현 시스템에 적합한 유전자 서열로 합성한 내용으로서, 도움 단백질의 발현 코돈을 대장균에 풍부하게 존재하는 서열로 대체하여 동일한 아미노산이 이종숙주 내에서 발현되는 방법을 제공한다. In addition, the present invention synthesized the gene of the help protein into a gene sequence suitable for the expression system of E. coli, a method in which the same amino acid is expressed in heterologous host by replacing the expression codon of the help protein with a sequence rich in E. coli To provide.
즉, 개량된 도움 단백질과 티로시나아제 서열 정보가 도입된 유전정보를 이용하여 단백질의 발현을 극대화하고 카테콜형 구조물질의 촉매화 반응에 적용하는 것이다. In other words, by utilizing the genetic information introduced the improved help protein and tyrosinase sequence information, the expression of the protein is maximized and applied to the catalysis of the catechol-type structural material.
또한, 본 발명은 과발현된 티로시나아제 혹은 티로시나아제가 발현된 전세포를 이용하여 카테콜형 구조물질을 생산하는 방법을 제공한다. The present invention also provides a method for producing a catechol-type structural material using overexpressed tyrosinase or whole cells expressed with tyrosinase.
또한, 과산화에 의한 카테콜형 구조물질의 부반응을 억제하기 위해 카테콜 혹은 이종 카테콜형 구조물질을 추가로 첨가하여 반응시키는 방법을 제공한다. The present invention also provides a method of additionally adding a catechol or a hetero catechol type structural material to suppress side reactions of the catechol type structural material due to peroxidation.
또한, 본 발명은 서열번호 2 및 4 의 DNA 서열을 포함하는 도움 단백질 유전자 및 이를 포함하는 재조합 DNA 벡터, 그리고 재조합 DNA 벡터로 형질 전환된 숙주세포를 제공한다.The present invention also provides a helper protein gene comprising the DNA sequences of SEQ ID NOs: 2 and 4, a recombinant DNA vector comprising the same, and a host cell transformed with the recombinant DNA vector.
구체적으로, 본 발명은 하기를 제공한다.Specifically, the present invention provides the following.
(1) 티로시나아제 도움 단백질을 코딩하는 DNA 로서, 서열번호 2 의 DNA 서열을 갖는 DNA.(1) DNA encoding a tyrosinase helper protein, the DNA having the DNA sequence of SEQ ID NO: 2.
(2) 티로시나아제 도움 단백질을 코딩하는 DNA 로서, 서열번호 2 의 DNA 서열과 78 % 이상의 상동성을 갖는 DNA.(2) DNA encoding a tyrosinase helper protein, the DNA having at least 78% homology with the DNA sequence of SEQ ID NO: 2.
(3) 티로시나아제 도움 단백질을 코딩하는 DNA 로서, 서열번호 4 의 DNA 서열을 갖는 DNA.(3) DNA encoding a tyrosinase helper protein, the DNA having the DNA sequence of SEQ ID NO: 4.
(4) 티로시나아제 도움 단백질을 코딩하는 DNA 로서, 서열번호 4의 DNA 서열과 78 % 이상의 상동성을 갖는 DNA.(4) DNA encoding a tyrosinase helper protein, the DNA having at least 78% homology with the DNA sequence of SEQ ID NO: 4.
(5) (1) 내지 (4) 중 어느 하나의 DNA 를 포함하는 재조합 DNA 벡터.(5) A recombinant DNA vector comprising the DNA of any one of (1) to (4).
(6) (5) 의 재조합 DNA 벡터로 형질전환된 숙주세포.(6) A host cell transformed with the recombinant DNA vector of (5).
(7) (1) 내지 (4) 중 어느 하나의 DNA 에 의해 발현된 티로시나아제 도움 단백질.(7) A tyrosinase helper protein expressed by the DNA of any one of (1) to (4).
(8) (7) 의 티로시나아제 도움 단백질에 의해 활성구조로 변환된 티로시나아제.(8) A tyrosinase converted into an active structure by the tyrosinase helper protein of (7).
(9) (7) 의 티로시나아제 도움 단백질을 포함하는 세포 추출물.(9) A cell extract comprising the tyrosinase helper protein of (7).
(10) (8) 의 티로시나아제를 포함하는 숙주세포.(10) A host cell comprising the tyrosinase of (8).
(11) (8) 의 티로시나아제를 포함하는 세포 추출물.(11) A cell extract comprising the tyrosinase of (8).
(12) (1) 내지 (4) 중 어느 하나의 DNA 와 티로시나아제를 코딩하는 DNA 가 함께 구축된 벡터.(12) A vector in which the DNA encoding any one of (1) to (4) and a DNA encoding tyrosinase are constructed together.
(13) (12) 의 DNA 벡터로 형질 전환된 숙주세포.(13) A host cell transformed with the DNA vector of (12).
(14) (12) 의 DNA 벡터로 형질 전환된 숙주세포의 추출물.(14) An extract of a host cell transformed with the DNA vector of (12).
(15) (1) 내지 (4) 중 어느 하나의 DNA 와 티로시나아제를 코딩하는 DNA 가 함께 구축된 벡터로 형질전환된 숙주세포를 생촉매로 사용하고, 모노페놀형 구조물질을 변환하여 카테콜형 구조물질을 생산하는 방법.(15) Using a host cell transformed with a vector constructed with the DNA of any one of (1) to (4) together with a DNA encoding tyrosinase as a biocatalyst, the monophenolic structural substance is converted into a cate Method of producing colloidal structures.
(16) (1) 내지 (4) 중 어느 하나의 DNA 와 티로시나아제를 코딩하는 DNA 가 함께 구축된 벡터로 형질전환된 숙주세포의 추출물을 생촉매로 사용하고, 모노페놀형 구조물질을 변환하여 카테콜형 구조물질을 생산하는 방법.(16) Using the extract of the host cell transformed with the vector constructed with the DNA of any one of (1) to (4) together with the DNA encoding tyrosinase as a biocatalyst, and converts the monophenol-type structural material To produce a catechol type structural material.
(17) (15) 에 있어서, 20 내지 70 ℃ 의 온도에서 반응을 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.(17) The method according to (15), wherein the reaction is carried out at a temperature of 20 to 70 ° C.
(18) (16) 에 있어서, 20 내지 70 ℃ 의 온도에서 반응을 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.(18) The method according to (16), wherein the reaction is carried out at a temperature of 20 to 70 ° C.
(19) (15) 에 있어서, pH 5 내지 10 에서 반응을 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.(19) The method according to (15), wherein the reaction is performed at pH 5 to 10.
(20) (16) 에 있어서, pH 5 내지 10 에서 반응을 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.(20) The method according to (16), wherein the reaction is performed at pH 5 to 10.
(21) (15) 에 있어서, 반응에 사용되는 모노페놀형 구조물질이 페놀, 레스베라트롤, 파라-쿠마릭산, 다이드제인, 제니스테인, 파라-니트로페놀, 파라-크레졸, 파라-비닐페놀, 오르소-아미노페놀, 커큐민, 아피제닌, 플로레틴 및 크리신으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.(21) The monophenolic structural substance used in the reaction according to (15) is phenol, resveratrol, para-coumaric acid, diadzeze, genistein, para-nitrophenol, para-cresol, para-vinylphenol, ortho -Aminophenol, curcumin, apigenin, floretine and chrysin.
(22) (16) 에 있어서, 반응에 사용되는 모노페놀형 구조물질이 페놀, 레스베라트롤, 파라-쿠마릭산, 다이드제인, 제니스테인, 파라-니트로페놀, 파라-크레졸, 파라-비닐페놀, 오르소-아미노페놀, 커큐민, 아피제닌, 플로레틴 및 크리신으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.(22) The method of (16), wherein the monophenolic structural material used in the reaction is phenol, resveratrol, para-coumaric acid, dyedze, genistein, para-nitrophenol, para-cresol, para-vinylphenol, ortho -Aminophenol, curcumin, apigenin, floretine and chrysin.
(23) (15) 에 있어서, 추가로 티로시나아제의 억제제로 사용할 수 있는 이종 카테콜형 구조체를 포함하고, 상기 이종 카테콜형 구조체가 카테콜, 3-메틸카테콜, 4-메틸카테콜, 피로갈롤 및 카테콜 비올렛으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.(23) The composition according to (15), further comprising a heterologous catechol-type construct which can be used as an inhibitor of tyrosinase, wherein the heterologous catechol-type construct is catechol, 3-methylcatechol, 4-methylcatechol, fatigue Galol and catechol violet.
(24) (16) 에 있어서, 추가로 티로시나아제의 억제제로 사용할 수 있는 이종 카테콜형 구조체를 포함하고, 상기 이종 카테콜형 구조체가 카테콜, 3-메틸카테콜, 4-메틸카테콜, 피로갈롤 및 카테콜 비올렛으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.(24) The method according to (16), further comprising a heterologous catechol-type construct which can be used as an inhibitor of tyrosinase, wherein the heterologous catechol-type construct is catechol, 3-methylcatechol, 4-methylcatechol, fatigue Galol and catechol violet.
(25) (15) 에 있어서, 추가로 티로시나아제의 억제제로 사용할 수 있는 벤젠 및 모노페놀형 구조물질을 포함하는 방법.(25) The method according to (15), further comprising a benzene and a monophenolic structural substance which can be used as an inhibitor of tyrosinase.
(26) (16) 에 있어서, 추가로 티로시나아제의 억제제로 사용할 수 있는 벤젠 및 모노페놀형 구조물질을 포함하는 방법.(26) The method according to (16), further comprising a benzene and monophenolic structural substance which can be used as an inhibitor of tyrosinase.
도움 단백질의 유전자 서열 최적화를 통한 이종 숙주 내에서의 발현 및 티로시나아제의 단백질 구조 안정화를 통해 대량으로 티로시나아제를 생산할 수 있다. 생산한 티로시나아제는 전세포 반응 혹은 세포 추출물 반응을 통해 모노페놀형 구조물질을 카테콜형 구조물질로 변환할 수 있다. 일반적인 모노옥시게나아제의 반응에서 맞춤형 효소 개량 및 스크리닝의 별도의 과정없이 보편적인 기질에 대하여 촉매화 반응이 가능하다. Tyrosinase can be produced in large quantities through expression in heterologous hosts through gene sequence optimization of helper proteins and stabilizing protein structure of tyrosinase. The produced tyrosinase can convert monophenolic structures into catechol type structures through whole cell reactions or cell extract reactions. Catalytic reactions to universal substrates are possible in the reaction of general monooxygenase without the need for custom enzyme improvement and screening.
또한 억제제 첨가방법을 적용할 경우, 부반응 없이 목적 물질로 생각하는 모노페놀형 구조물질을 카테콜형 구조물질로 축적할 수 있다. 고부가가치의 카테콜형 구조물질은 생리활성 물질로 활용되어 미백제, 항산화제, 항암성 물질 또는 항바이러스성 물질로 활용이 가능하다.In addition, when the inhibitor addition method is applied, the monophenolic structural material that is considered as the target substance can be accumulated as a catechol-type structural material without side reaction. High value-added catechol-type structural materials can be used as bioactive substances, and can be used as whitening agents, antioxidants, anticancer substances or antiviral substances.
부가적으로 상기 제작된 재조합 균주를 이용하여 다양한 종류 및 대량으로 멜라닌을 생산할 수 있으며, 고분자 합성 첨가제, 착색제, 접착제, 자외선 차단제 및 전반적인 공업 화학 분야에 적용하여 활용할 수 있다.In addition, it is possible to produce melanin in various kinds and in a large amount using the prepared recombinant strain, and may be applied to polymer synthetic additives, colorants, adhesives, sunscreens and general industrial chemistry.
도 1 은 본 발명에 사용한 화합물의 구조식 및 과산화를 방지하여 카테콜형 구조물질을 축적하는 방법의 개략적인 모식도로서, (a) 는 모노페놀형 구조물질, (b) 는 카테콜형 구조물질, (c) 는 오르소-벤조퀴논 구조물질 및 (d) 는 이종 카테콜형 구조물질을 나타낸다.
도 2 는 스트렙토마이세스 아버미틸리스 MA4680 (Streptomyces avermitilis MA4680) 유래의 도움 단백질의 DNA 서열 또는 아미노산 서열을 나타낸 것으로서, (a) 는 SAV1136 의 DNA 서열 (서열번호 1), (b) 는 SAV1136 의 DNA 를 최적화되도록 변환시킨 서열 (서열번호 2), (c) 는 SAV5361 의 DNA 서열 (서열번호 3), (d) 는 SAV5361 의 DNA 를 최적화되도록 변환시킨 서열 (서열번호 4) 이다.
도 3 은 도움 단백질 MelC1* (SAV1136 변환) 및 이에 의해 정상적인 구조를 갖는 티로시나아제 MelC2 의 전기영동 젤 사진이다.
도 4 는 도움 단백질 melC1 (SAV1136:서열번호 1), melC1* (SAV1136 변환:서열번호 2), melD1 (SAV5361:서열번호 3) 또는 melD1* (SAV5361 변환:서열번호 4) 에 의해 발현된 티로시나아제 melC2 (SAV1137) 에 의한 멜라닌 생성 실험결과이다.
도 5 는 도움 단백질 (SAV1136 변환:서열번호 2) 의 DNA 위치 1 내지 78 이 삭제된 DNA 변이체 (서열번호 5) 의 DNA 서열 및 제거된 서열로부터 번역된 아미노산 잔기의 성질과 관련된 그래프이다.
도 6 은 도움 단백질 (SAV1136 변환:서열번호 2) 의 위치 274 내지 276 의 티로신을 코딩하는 TAC 서열을, 다른 기타 아미노산을 코딩하는 유전자로 치환한 총 19 개의 돌연변이 및 서열번호 2 (WT) 에 의해 발현된 티로시나아제에 의한 멜라닌의 생성 여부 실험 결과이다.
도 7 은 레스베라트롤과 카테콜의 처리에 따른, 티로시나아제 발현 전세포 반응의 피세아타놀 생산성 그래프이다.
도 8 은 티로시나아제 발현 세포 추출물을 이용한 다양한 카테콜형 구조물질 (초기 농도: 1 mM) 들의 생산성 그래프로서, (a) 피세아타놀 생산 (b) 3'-다이드제인 생산 (c) 카페익산 생산에 관한 그래프이다.
도 9 는 티로시나아제 발현 세포 추출물을 이용한 피세아타놀의 생산에 관한 고성능-액체크로마토그래피 정량분석 결과이다.1 is a schematic diagram of a structural formula of a compound used in the present invention and a method of accumulating catechol type structural substances by preventing peroxidation, wherein (a) is a monophenolic structural material, (b) is a catechol type structural material, and (c) ) Represents an ortho-benzoquinone structure and (d) represents a heterologous catechol type structure.
Figure 2 is a Streptomyces Arbor US subtilis MA4680 (Streptomyces avermitilis MA4680) showing the DNA sequence or amino acid sequence of the help protein derived from (a) is a DNA sequence of SAV1136 (SEQ ID NO: 1), (b) is a sequence transformed to optimize the DNA of SAV1136 (SEQ ID NO: 2), (c) is the DNA sequence of SAV5361 (SEQ ID NO: 3), and (d) is the sequence which converted the DNA of SAV5361 to be optimized (SEQ ID NO: 4).
3 is an electrophoretic gel photograph of the help protein MelC1 * (SAV1136 transformation) and thereby tyrosinase MelC2 with normal structure.
4 shows tyrosinase expressed by the help protein melC1 (SAV1136: SEQ ID NO: 1), melC1 * (SAV1136 conversion: SEQ ID NO: 2), melD1 (SAV5361: SEQ ID NO: 3) or melD1 * (SAV5361 conversion: SEQ ID NO: 4). It is the result of melanin production experiment by aze melC2 (SAV1137).
FIG. 5 is a graph related to the nature of the amino acid residues translated from the DNA sequence of the deleted DNA variant (SEQ ID NO: 5) and the removed sequence of
FIG. 6 shows a total of 19 mutations and SEQ ID NO: 2 (WT) in which the TAC sequence encoding tyrosine at positions 274-276 of the helper protein (SAV1136 transformation: SEQ ID NO: 2) was substituted with a gene encoding another other amino acid. Experimental results of the production of melanin by the expressed tyrosinase.
7 is a graph of piacetanol productivity of tyrosinase expressing whole cell response following treatment with resveratrol and catechol.
FIG. 8 is a productivity graph of various catechol-like structures (initial concentration: 1 mM) using tyrosinase-expressing cell extracts, (a) physethanol production (b) 3'-dyezein production (c) caffeic acid Graph about production.
FIG. 9 shows the results of high performance liquid chromatography quantitative analysis for the production of piaceanol using tyrosinase expressing cell extracts.
본 발명에서 사용되는 용어는 당업계에서 통상적으로 사용되는 것으로 당업자라면 그 의미를 누구나 이해할 수 있을 것이나, 본 명세서에서 간략히 설명하면 다음과 같다: The terms used in the present invention are commonly used in the art and those skilled in the art will understand the meaning, but briefly described in the present specification are as follows:
(1) 티로시나아제는 구리포함 단백질로서 멜라닌의 생산을 촉매화하는 효소를 의미한다. (1) Tyrosinase refers to an enzyme that catalyzes the production of melanin as a copper-containing protein.
(2) 모노페놀형 구조물질은 도 1 의 (a) 와 같은 구조를 가진 물질을 의미한다. (2) The monophenolic structural material means a material having a structure as shown in FIG.
(3) 카테콜형 구조물질은 도 1 의 (b) 와 같은 구조를 가진 물질을 의미한다. (3) The catechol-type structural material means a material having a structure as shown in FIG.
(4) 이종 카테콜형 구조물질은 도 1 의 (d) 와 같은 구조를 가진 물질을 의미한다. (4) Heterologous catechol-type structural material means a material having a structure as shown in FIG.
(5) 세포추출물은 도움 단백질과 티로시나아제가 발현된 본 발명의 미생물 추출물을 의미한다. (5) Cell extract means a microbial extract of the present invention in which helper protein and tyrosinase are expressed.
(6) 전세포 반응은 특정 효소를 포함하는 세포를 파쇄하여 세포 내용물을 이용하거나 또는 효소를 분리정제하지 않고 온전한 세포 전체를 이용한 반응을 의미한다. (6) Whole-cell reaction refers to a reaction using whole cell cells without breaking down the cell containing the specific enzyme and using the cell contents or separating and purifying the enzyme.
(7) 모노옥시게나아제는 탄소-수소 결합 내에 산소 원자 도입을 촉매화하는 효소를 의미하며 수산화 잔기를 생성한다. (7) Monooxygenase means an enzyme that catalyzes the introduction of an oxygen atom into a carbon-hydrogen bond and produces a hydroxyl moiety.
(8) 디옥시게나아제는 카테콜형 구조물질에서 산소에 결합된 수소와 전자를 제거하여 벤조퀴논 형태로 촉매화하는 효소를 의미한다. (8) Deoxygenase means an enzyme that catalyzes the benzoquinone form by removing hydrogen and electrons bound to oxygen in the catechol-type structural material.
(9) ORF 는 오픈리딩 프레임 (Open Reading Frame) 을 의미한다. (9) ORF means Open Reading Frame.
(10) PCR 은 중합 효소 연쇄반응 (Polymerase Chain Reaction) 으로서, DNA 의 어떤 영역을 특이적으로 증폭시키는 방법을 의미한다. (10) PCR is a polymerase chain reaction, and means a method of specifically amplifying a certain region of DNA.
(11) 벡터는 단일가닥, 이중가닥, 원형 또는 초나선 DNA 또는 RNA 로 이루어진 폴리뉴클레오티드를 의미하며, 재조합 단백질을 생산할 수 있도록 적절한 거리에 작동적으로 연결되어 있는 구성요소들을 포함할 수 있다.(11) A vector refers to a polynucleotide consisting of single-stranded, double-stranded, circular or ultra-stranded DNA or RNA, and may include components that are operably linked at a suitable distance to produce a recombinant protein.
이러한 구성요소에는 복제 오리진, 프로모터, 인핸서, 5'mRNA 리더 서열, 리보솜 결합부위, 핵산 카세트, 종결 및 폴리아데닐화 부위, 또는 선별 가능한 표지 서식 등이 포함될 수 있으며, 상기 구성요소들은 특이적인 용도에 따라 하나 또는 그 이상이 빠질 수도 있다. 핵산 카세트는 발현할 재조합 단백질의 삽입을 위한 제한효소 부위를 포함할 수 있다. 기능적 벡터에 있어서, 핵산 카세트는 번역 개시 및 종결 부위를 포함하는 발현될 핵산 서열을 함유하며, 필요에 따라 벡터에 내에 두 종류의 카세트를 삽입할 수 있는 벡터를 사용하기도 하며 상기 언급한 기능들이 부가적으로 서열화될 수 있다. Such components may include replication origins, promoters, enhancers, 5'mRNA leader sequences, ribosomal binding sites, nucleic acid cassettes, termination and polyadenylation sites, or selectable label formats, and such components may be used for specific applications. So one or more may be missing. The nucleic acid cassette may comprise restriction enzyme sites for insertion of the recombinant protein to be expressed. In a functional vector, the nucleic acid cassette contains a nucleic acid sequence to be expressed that includes a translation initiation and termination site, and may use a vector capable of inserting two kinds of cassettes into the vector, if necessary, and the functions mentioned above may be added. Can be sequenced.
재조합 벡터에 삽입된 유전자는 발현용 대장균 균주 BL21 (DE3) 등을 사용할 수 있으나, 삽입된 벡터의 종류에 따라 달라질 수 있다. 이러한 벡터 및 발현 균주는 당업자라면 용이하게 선택할 수 있다. The gene inserted into the recombinant vector may use E. coli strain BL21 (DE3) for expression, but may vary depending on the type of the inserted vector. Such vectors and expression strains can be readily selected by those skilled in the art.
도움 단백질의 코돈 서열 변화 및 티로시나아제의 발현Codon Sequence Changes and Expression of Tyrosinase in Helper Proteins
본 발명의 도움 단백질의 서열은 스트렙토마이세스 아버미틸리스 MA4680 (Streptomyces avermitilis MA4680) 유래의 좌위 수 (Locus number) SAV1136 변환(서열번호 2) 과 SAV5361 변환 (서열번호 4) 이며, 도 2 의 (b) 및 (d) 서열과 같다. 기존에 알려진 대장균 BL21 (Escherichia coli BL21(DE3)) 에 최적화된 코돈 사용 테이블을 근거로 하여 새로운 서열로 합성된 유전자를 사용하였다. The sequence of the helper protein of the present invention is the locus number SAV1136 transform (SEQ ID NO: 2) and SAV5361 transform (SEQ ID NO: 4) derived from Streptomyces avermitilis MA4680. and b) and (d) sequences. Previously known Escherichia coli BL21 ( Escherichia coli Genes synthesized with the new sequences were used based on the codon usage table optimized for BL21 (DE3).
본 발명에서 합성된 유전자는 PCR 의 용이성을 위해 구아닌과 시토신의 함량은 60 % 이내가 되도록 조절하였다. 본 발명에서 합성된 유전자는 벡터내에 제한 효소를 이용하여 활용할 수 있도록 하기 위하여 NdeI, BamHI, EcoRI, HindIII 및 XhoI 의 서열에 해당하는 유전자 서열은 배제를 하였다. Gene synthesized in the present invention was adjusted so that the content of guanine and cytosine within 60% for ease of PCR. Genes synthesized in the present invention were excluded from the gene sequence corresponding to the sequence of NdeI, BamHI, EcoRI, HindIII and XhoI in order to utilize the restriction enzyme in the vector.
본 발명에서 도움 단백질을 코딩하는 최적화된 DNA 는 서열번호 2 및 4 뿐만 아니라, 서열번호 2 및 4 의 DNA 서열과 78% 이상의 상동성을 가지고 있는 DNA 도 가능하다. The optimized DNA encoding the helper protein in the present invention is not only SEQ ID NO: 2 and 4, but also DNA having at least 78% homology with the DNA sequence of SEQ ID NO: 2 and 4.
예를 들어, 78% 이상의 상동성을 갖는 DNA 서열은 서열번호 2 의 DNA 위치 1 내지 78 의 코돈 서열이 삽입, 결실, 치환 또는 전좌된 DNA 변이체 또는 DNA 위치 274 내지 276 에 해당하는 코돈이 다른 코돈으로 치환된 DNA 변이체가 가능하다.For example, a DNA sequence having at least 78% homology may be a DNA variant in which the codon sequence at
상기 DNA 변이체의 특정 구현예에서, 도움 단백질 (SAV1136 변환) 의 코돈 서열 (서열번호 2) 중 DNA 위치 274 내지 276 에 해당하는 코돈이 다른 코돈으로 치환되고, 상기 코돈 서열로부터 번역된 아미노산 서열은 91 번 티로신이 다른 아미노산으로 치환된다. 치환된 아미노산은 적절한 구조의 도움 단백질을 이루며, 티로시나아제가 정상적인 접힘 구조를 갖도록 돕는다.In certain embodiments of the DNA variants, the codon corresponding to DNA positions 274 to 276 in the codon sequence (SEQ ID NO: 2) of the help protein (SAV1136 transformation) is substituted with another codon, and the amino acid sequence translated from the codon sequence is 91 Burn tyrosine is substituted with other amino acids. Substituted amino acids constitute a helper protein of appropriate structure and help tyrosinase to have a normal folding structure.
또 다른 특정 구현예에서, 도움 단백질 (SAV1136 변환) 의 코돈 서열 (서열번호 2) 의 79 번째부터 마지막 서열 (서열번호 5) 을 증폭할 수 있는 프라이머를 디자인하고, PCR 증폭, 제한 효소 반응, 발현용 벡터에 접합, 발현 균주에 도입하는 일련의 과정을 거쳐 티로시나아제와 함께 발현시켰다. 이 경우, 제거된 서열번호 2 의 위치 1 내지 78 의 코돈으로부터 번역된 N 말단의 26 개의 아미노산은 세포의 막에 고정화되는 부분으로서, 도움 단백질의 구조를 이루는 성질과는 무관하다. 따라서, 서열번호 2 의 DNA 위치 1 내지 78 에 코돈 서열이 삽입, 결실, 치환 또는 전좌된 DNA 변이체 또한 티로시나아제가 정상적인 접힘 구조를 갖도록 도울 수 있으며, 발현한 티로시나아제는 정상적으로 멜라닌을 합성할 수 있었다.In another specific embodiment, a primer is designed that can amplify the 79th to the last sequence (SEQ ID NO: 5) of the codon sequence (SEQ ID NO: 2) of the helper protein (SAV1136 transformation), and PCR amplification, restriction enzyme reaction, expression It was expressed together with tyrosinase through a series of processes that were conjugated to a dragon vector and introduced into an expression strain. In this case, the 26 amino acids at the N-terminal translated from the codons at
본 발명에서 합성된 도움 단백질 유전자와 티로시나아제 유전자를 제한효소를 이용하여 하나 혹은 다수 벡터에 카세트 형태로 삽입한 뒤 발현 숙주 내에 주입하였다. 티로시나아제의 발현을 유도할 수 있는 인핸서와 구리 이온을 첨가하여 배양한 뒤, 티로제나아제 발현 전세포 또는 세포 추출물을 생산하였다. 배양 온도는 4 내지 40 ℃ 가 바람직하며 4 내지 30 ℃ 가 더 바람직하고, 10 내지 20 ℃ 가 더욱 바람직하다. 16 내지 24 시간이 발현하기에 가장 적절한 시간이다. The help protein gene and tyrosinase gene synthesized in the present invention were inserted into one or more vectors in the form of a cassette using restriction enzymes and then injected into an expression host. After incubation with the addition of an enhancer capable of inducing the expression of tyrosinase and copper ions, a tyrosinase expressing whole cell or cell extract was produced. 4-40 degreeC is preferable, 4-30 degreeC is more preferable, and 10-20 degreeC is still more preferable. 16 to 24 hours is the most appropriate time for expression.
티로시나아제 발현 세포 추출물과 이종 Tyrosinase Expressing Cell Extracts and Heterologous 카테콜형Catechol type 구조물질을 이용한 Using structural materials 카테콜형Catechol type 구조물질의 생산방법 Production method of structural material
상기 수득한 티로제나아제 발현 전세포 또는 정상적으로 발현된 티로제나아제 발현 세포 추출물과 도 1 의 (a) 와 같은 모노페놀형 구조물질을 반응하여, (b) 와 같은 카테콜형 구조물질을 생산한다. 상기 반응에는 이종 카테콜형 구조물질을 첨가하여 (c) 물질 이후의 생산과정을 억제한다. 첨가한 억제제의 농도는 모노페놀형 구조물질의 농도 대비 1 내지 100 배가 바람직하며 5 내지 30 배가 더 바람직하고, 7 내지 13 배가 더욱 바람직하다. 본 발명의 반응온도는 2 내지 80 ℃ 가 바람직하며 20 내지 70 ℃ 가 더 바람직하고, 20 내지 40 ℃ 가 더욱 바람직하다. 반응액의 pH 는 5 내지 11 이 바람직하며 5 내지 11 이 더 바람직하고, 6 내지 8 이 더욱 바람직하다. The obtained tyrogenase-expressing whole cell or normally expressed tyrogenase-expressing cell extract is reacted with the monophenol-type structural material as shown in (a) of FIG. 1 to produce a catechol-type structural material as shown in (b). In the reaction, a heterologous catechol-type structural material is added to inhibit the production process after the material (c). The concentration of the added inhibitor is preferably 1 to 100 times, more preferably 5 to 30 times, and more preferably 7 to 13 times the concentration of the monophenolic structural substance. 2-80 degreeC is preferable, 20-70 degreeC is more preferable, and 20-40 degreeC of the reaction temperature of this invention is more preferable. 5-11 are preferable, as for pH of a reaction liquid, 5-11 are more preferable, and 6-8 are more preferable.
상기 모노페놀형 구조물질로는, 페놀, 레스베라트롤, 파라-쿠마릭산, 다이드제인, 제니스테인, 파라-니트로페놀, 파라-크레졸, 파라-비닐페놀, 오르소-아미노페놀, 커큐민, 아피제닌, 플로레틴 또는 크리신 등을 사용할 수 있다.Examples of the monophenolic structural material include phenol, resveratrol, para-coumaric acid, dydzein, genistein, para-nitrophenol, para-cresol, para-vinylphenol, ortho-aminophenol, curcumin, apigenin and flore. Tin or chrysin can be used.
상기 억제제로서, 이종 카테콜형 구조물질, 벤젠 또는 모노페놀형 구조물질 등을 사용할 수 있으며, 이종 카테콜형 구조물질로는, 카테콜, 3-메틸카테콜, 4-메틸카테콜, 피로갈롤 또는 카테콜 비올렛 등을 사용할 수 있다. 또한, 모노 페놀형 구조물질로는, 페놀, 다이드제인, 제니스테인, p-쿠마릭 산 등을 사용할 수 있다.As the inhibitor, a heterologous catechol-type structural material, a benzene or a monophenolic structural material, or the like can be used, and as the heterologous catechol-type structural material, catechol, 3-methylcatechol, 4-methylcatechol, pyrogallol or cate Cole violet, etc. can be used. As the monophenolic structural substance, phenol, diindase, genistein, p-coumaric acid, or the like can be used.
본 발명의 구체적인 방법을 실시예로서 상세히 설명하나, 본 발명의 기술적 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다. 하기 실시예에서 특별한 언급이 없으면, 모든 퍼센트는 최종 조성물의 100 중량 % 를 기준으로 한다. Although the specific method of this invention is demonstrated in detail as an Example, the technical scope of this invention is not limited to these Examples. Unless stated otherwise in the examples below, all percentages are based on 100% by weight of the final composition.
[[ 제조예Manufacturing example 1]: One]: 티로시나아제 추출물의 생산Production of Tyrosinase Extract
트립톤 (10 g/L), 효모추출물 (5 g/L) 및 염화나트륨 (10 g/L) 으로 구성된 배지에서 배양된 세포를 완충용액 (pH 8) 으로 3 회 세척하여 회수된 세포 외부의 배지성분을 제거하였다. 회수된 세포를 3 내지 10 배 부피비의 Tris-HCl 완충용액에 혼탁한 후, 음파파쇄기를 이용하여 세포를 파쇄하였다. 상기 파쇄 추출물을 13,000 rpm 에서 30 분간 원심분리 후, 상등액을 회수하고 필터링하여 최종 티로시나아제 추출물을 생산하였다. 상기 배지에서 12 ~ 26 mg/L 의 티로시나아제를 생산할 수 있었다. Cells cultured in a medium consisting of tryptone (10 g / L), yeast extract (5 g / L) and sodium chloride (10 g / L) were washed three times with buffer (pH 8) to recover the extracellular medium. The component was removed. The recovered cells were suspended in Tris-HCl buffer at a volume ratio of 3 to 10 times and then disrupted with a sonicator. After the crushed extract was centrifuged at 13,000 rpm for 30 minutes, the supernatant was recovered and filtered to produce the final tyrosinase extract. It was possible to produce 12-26 mg / L tyrosinase in the medium.
[[ 제조예Manufacturing example 2]: 2]: 코돈 서열을 조절한 도움 단백질 유전자의 발현 및 티로시나아제의 발현Expression of helper protein gene and tyrosinase expression with codon sequence control
스트렙토마이세스 아버미틸리스 MA4680 (Streptomyces avermitilis MA4680) 유래 도움 단백질 (SAV1136) 의 코돈 서열 (서열번호 1) 로부터 대장균에 최적화한, 본원발명의 도움 단백질 (SAV1136 변환) 의 코돈 서열 (서열번호 2) 을 티로시나아제 (Locus number: SAV1137) 와 함께 발현하였다. 1mM 의 CuSO4 및 0.2 mM 인핸서 (Isopropyl β-D-1-thiogalactopyranoside) 를 첨가하여 발현한 결과 티로시나아제가 정상적인 접힘 구조를 갖는 것을 전기영동을 통해 확인하였으며, 이를 도 3에 나타내었다. 상기 도 3 에서 MelC1* 은 도움 단백질 (SAV1136 변환) 이고, MelC2 는 정상적인 구조를 갖는 티로시나아제이다. Streptomyces Arbor US subtilis MA4680 (Streptomyces avermitilis MA4680) codon sequence (SEQ ID NO: 2), tyrosinase (Locus number of codon sequence (SEQ ID NO: 1), help the protein of the present invention (SAV1136 conversion) optimized for E. coli from the origin help protein (SAV1136): SAV1137) Expressed together. Expression of 1 mM CuSO 4 and 0.2 mM enhancer (Isopropyl β-D-1-thiogalactopyranoside) was confirmed by electrophoresis that tyrosinase had a normal folding structure, which is shown in FIG. 3. In FIG. 3, MelC1 * is a helper protein (SAV1136 transformation), and MelC2 is a tyrosinase having a normal structure.
또한, 대장균에 최적화한 본원발명의 도움 단백질 (SAV1136 변환:서열번호 2) 및 티로시나아제 (SAV1137) 을 함께 발현한 실험군의 경우 (도 4 의 (c)) 에는 모노페놀형 구조물질로부터 어두운 갈색 혹은 검정색 멜라닌을 생산하는 반면, 비교군인, 티로시나아제를 단독으로 발현한 경우 (도 4 의 (a)), 변환되지 않은 도움 단백질 (SAV1136:서열번호 1) 과 티로시나아제를 발현한 경우 (도 4 의 (b)) 및 최적화된 도움 단백질 (SAV5361 변환:서열번호 4) 과 변환되지 않은 도움 단백질 (SAV1136:서열번호 1) 을 함께 변환한 경우 (도 4 의 (d)) 에는 황색 계열의 세포 및 배지 색을 나타냄을 확인하였으며, 이를 도 4 에 나타내었다.In addition, in the case of the experimental group expressing the helper protein of the present invention optimized for E. coli (SAV1136 conversion: SEQ ID NO: 2) and tyrosinase (SAV1137) (Fig. 4 (c)), dark brown from monophenolic structure Or black melanin, while the comparative group, the expression of tyrosinase alone (Fig. 4 (a)), the unconverted helper protein (SAV1136: SEQ ID NO: 1) and the expression of tyrosinase ( (B) of FIG. 4 and the optimized helper protein (SAV5361 transform: SEQ ID NO: 4) and the unconverted helper protein (SAV1136: SEQ ID NO: 1) are transformed together (FIG. It was confirmed that the cells and the medium color, which is shown in Figure 4.
[[
제조예Manufacturing example
3]: 서열번호 3]:
서열번호 2 의 79 번째부터 마지막 서열을 증폭할 수 있는 프라이머 디자인, PCR 증폭, 제한 효소 반응, 발현용 벡터에 접합, 발현 균주에 도입하는 일련의 과정을 거쳐 티로시나아제와 함께 발현시켰다. 이 경우에도 티로시나아제가 정상적인 구조를 이루었으며 멜라닌이 생산되는 것을 확인하였다.It was expressed together with tyrosinase through a series of processes of primer design, PCR amplification, restriction enzyme reaction, conjugation to an expression vector, and introduction into an expression strain. In this case, tyrosinase had a normal structure, and it was confirmed that melanin was produced.
상기 서열번호 2 의 DNA 위치 1 내지 78 의 서열이 제거된 서열을 도 5 의 (A) 에 나타내었으며, 제거된 서열번호 2 의 위치 1 내지 78 의 DNA 로부터 번역된 N 말단의 26 개의 아미노산이 소수성 잔기들로 이루어져 있음을 상용화된 예측 프로그램 (웹기반의 SignalP 사용) 을 통해서 예측할 수 있으며, 그 결과는 도 5 의 (B) 에 나타내었다. The sequence from which the sequence of
[[
제조예Manufacturing example
4]: 서열번호 4]:
서열번호 2 의 위치 274 내지 276 에 해당하는 TAC 서열을 랜덤하게 치환한 NNK 서열 (N 은 A, C, G 또는 T 이고, K 는 G 또는 T 인 서열) 이 도입된 프라이머를 이용하여 벡터 전체를 PCR 하여 라이브러리를 구축하고 서열확인을 통해 19 개의 상이한 아미노산을 코딩하도록 디자인하였다. 첫 메티오닌의 서열은 생략하고 아미노산의 서열을 헤아릴 경우 91 번 위치에 해당하는 아미노산의 서열은 티로신이다.The entire vector was obtained by using a primer to which a NNK sequence (N is A, C, G or T, and K is G or T), which randomly substituted the TAC sequence corresponding to positions 274 to 276 of SEQ ID NO: 2. The library was constructed by PCR and designed to encode 19 different amino acids via sequencing. If the sequence of the first methionine is omitted and the amino acid sequence is not known, the amino acid sequence corresponding to position 91 is tyrosine.
서열번호 2 의 위치 274 내지 276 번의 티로신을 코딩하는 DNA 서열을, 다른 기타 아미노산을 코딩하는 유전자로 치환한 총 19 개의 돌연변이 및 서열번호 2 (WT) 의 도움단백질 활성을 비교한 결과, 티로시나아제의 발현량을 확인할 수 있었으며, 이는 도 6 에 나타내었다.A total of 19 mutations in which the DNA sequence encoding tyrosine at positions 274 to 276 of SEQ ID NO: 2 with genes encoding other amino acids and the help protein activity of SEQ ID NO 2 (WT) were compared. The expression level of was confirmed, which is shown in FIG.
[[ 실시예Example 1]: One]: 티로시나아제 발현 Tyrosinase expression 전세포를Whole cells 이용한 Used 레스베라트롤Resveratrol (resveratrol) 의 수산화 반응 및 hydroxylation of resveratrol and 피세아타놀Piaceanol ( ( piceatannolpiceatannol )) 의 생산Production of
제조예 2 에서 배양한 티로시나아제 발현 세포를 파쇄하지 않고 세포만을 세척하여 0.1 mM 레스베라트롤, 1 mM 의 카테콜을 첨가하여 3 시간 이내에 70 % 상당의 피세아타놀을 생산하였으며, 이를 도 7 에 나타내었다. 반응 후 동량의 에틸아세테이트 혹은 비극성 용매를 이용하여 추출한 후 고성능-액체크로마토그래피로 정량분석 하였다.Tyrosinase-expressing cells cultured in Preparation Example 2 were washed without disrupting the cells, and 0.1 mM resveratrol and 1 mM catechol were added to produce 70% of piaceanol within 3 hours, as shown in FIG. 7. It was. After the reaction was extracted using the same amount of ethyl acetate or non-polar solvent and quantitatively analyzed by high performance liquid chromatography.
[[ 실시예Example 2]: 2]: 티로시나아제 발현 세포 추출물을 이용한 Using Tyrosinase-expressing Cell Extracts 레스베라트롤Resveratrol (resveratrol) 의 수산화 반응 및 hydroxylation of resveratrol and 피세아타놀Piaceanol (( piceatannolpiceatannol )) 의 생산Production of
제조예 2 에서 획득한 티로시나아제 발현 세포 추출물을 이용하여 0.1 mM 레스베라트롤과 1 mM 의 카테콜을 첨가하여 10 분 이내에 50 % 상당의 피세아타놀을 생산하였으며, 이를 도 8 의 (a) 에 나타내었다. 반응 후 동량의 에틸아세테이트 혹은 비극성 용매를 이용하여 추출한 후 고성능-액체크로마토그래피로 정량분석 하였다. 상기 고성능-액체크로마토그래피 정량분석 결과를 도 9 에 나타내었다.Using tyrosinase-expressing cell extract obtained in Preparation Example 2, 0.1% resveratrol and 1 mM catechol were added to produce 50% of piaceanol within 10 minutes, which is shown in (a) of FIG. 8. It was. After the reaction was extracted using the same amount of ethyl acetate or non-polar solvent and quantitatively analyzed by high performance liquid chromatography. The high performance liquid chromatography quantitative analysis results are shown in FIG. 9.
[[ 실시예Example 3]: 3]: 티로시나아제 발현 Tyrosinase expression 전세포를Whole cells 이용한 Used 다이드제인Dyed Jane ( ( daidzeindaidzein ) 의 수산화 반응 및 3'-Hydroxylation of 3'- 히드록시다이드제인Hydroxide Jane (3'- (3'- hydroxydaidzeinhydroxydaidzein ) 의 생산Production of
제조예 2 에서 배양한 티로시나아제 발현 세포를 파쇄하지 않고 세포만을 세척하여 0.1 mM 다이드제인, 1 mM 의 카테콜을 첨가하여 3시간 이내에 40 % 상당의 3'-히드록시다이드제인을 생산하였다. 반응 후 동량의 에틸아세테이트 혹은 비극성 용매를 이용하여 추출한 후 고성능-액체크로마토그래피로 정량분석하였다. Only the cells were washed without disrupting the tyrosinase-expressing cells cultured in Preparation Example 2 to produce 40% of 3'-hydroxydide zein within 3 hours by adding 1 mM catechol, 0.1 mM dyzezein. It was. After the reaction was extracted using the same amount of ethyl acetate or a non-polar solvent and quantitatively analyzed by high performance liquid chromatography.
[[ 실시예Example 4]: 4]: 티로시나아제 발현 세포 추출물을 이용한 Using Tyrosinase-expressing Cell Extracts 다이드제인Dyed Jane (daidzein) 의 수산화 반응 및 3'- hydroxylation of (daidzein) and 3'- 히드록시다이드제인Hydroxide Jane (3'- (3'- hydroxydaidzeinhydroxydaidzein ) 의 생산Production of
제조예 2 에서 획득한 티로시나아제 발현 세포 추출물을 이용하여 0.1 mM 다이드제인, 1 mM 의 카테콜을 첨가하여 10 분 이내에 40 % 상당의 3'-히드록시다이드제인을 생산하였으며, 이를 도 8 의 (b)에 나타내었다. 반응 후 동량의 에틸아세테이트 혹은 비극성 용매를 이용하여 추출한 후 고성능-액체크로마토그래피로 정량분석하였다.Using the tyrosinase-expressing cell extract obtained in Preparation Example 2, 40% of 3'-hydroxydidezein was produced within 10 minutes by adding 0.1 mM dyzezein and 1 mM catechol. It is shown to 8 (b). After the reaction was extracted using the same amount of ethyl acetate or a non-polar solvent and quantitatively analyzed by high performance liquid chromatography.
[[ 실시예Example 5]: 5]: 티로시나아제 발현 Tyrosinase expression 전세포를Whole cells 이용한 파라- Para- 쿠마릭산Kumaric acid (p- (p- coumariccoumaric acid) 의 수산화 반응 및 hydroxylation of acid) and 카페익산Cafe Iksan ( ( caffeiccaffeic acidacid ) 의 생산Production of
제조예 2 에서 배양한 티로시나아제 발현 세포를 파쇄하지 않고 세포만을 세척하여 0.1 mM 파라-쿠마릭산, 1 mM 의 카테콜을 첨가하여 3 시간 이내에 40 % 상당의 카페익산을 생산하였다. 반응 후 동량의 에틸아세테이트 혹은 비극성 용매를 이용하여 추출한 후 고성능-액체크로마토그래피로 정량분석하였다. Tyrosinase-expressing cells cultured in Preparation Example 2 were washed without breaking the cells, and 0.1 mM para-coumaric acid and 1 mM catechol were added to produce 40% equivalent caffeic acid within 3 hours. After the reaction was extracted using the same amount of ethyl acetate or a non-polar solvent and quantitatively analyzed by high performance liquid chromatography.
[[ 실시예Example 6]: 6]: 티로시나아제 발현 세포 추출물을 이용한 파라-Para- Using Tyrosinase Expressing Cell Extracts 쿠마릭산Kumaric acid (p-coumaric (p-coumaric acidacid ) 의 수산화 반응 및 Hydroxide reaction and 카페익산Cafe Iksan ( ( caffeiccaffeic acidacid ) 의 생산Production of
제조예 2 에서 획득한 티로시나아제 발현 세포 추출물을 이용하여 0.1 mM 파라-쿠마릭산, 1 mM 의 카테콜을 첨가하여 10 분 이내에 40 % 상당의 카페익산을 생산하였으며, 이를 도 8 의 (c) 에 나타내었다. 반응 후 동량의 에틸아세테이트 혹은 비극성 용매를 이용하여 추출한 후 고성능-액체크로마토그래피로 정량분석하였다.Using tyrosinase-expressing cell extracts obtained in Preparation Example 2, 0.1 mM para-coumaric acid and 1 mM catechol were added to produce 40% of caffeic acid within 10 minutes. Shown in After the reaction was extracted using the same amount of ethyl acetate or a non-polar solvent and quantitatively analyzed by high performance liquid chromatography.
[[ 실시예Example 7]: 7]: 티로시나아제 발현 Tyrosinase expression 전세포를Whole cells 이용한 Used 레스베라트롤Resveratrol (resveratrol) 의 수산화 반응 및 hydroxylation of resveratrol and 피세아타놀(piceatannol)의Of piceatannol 생산: 억제제로서, 4-메 Production: As inhibitor, 4-meth 틸카테콜Tilcatechol 의 사용Use of
제조예 2 에서 배양한 티로시나아제 발현 세포를 파쇄하지 않고 세포만을 세척하여 0.1 mM 레스베라트롤, 1 mM 의 4-메틸카테콜을 첨가하여 3 시간 이내에 70 % 상당의 피세아타놀을 생산하였다. 반응 후 동량의 에틸아세테이트 혹은 비극성 용매를 이용하여 추출한 후 고성능-액체크로마토그래피로 정량분석하였다. Tyrosinase-expressing cells cultured in Preparation Example 2 were washed without disrupting cells, and 0.1 mM resveratrol and 1 mM 4-methylcatechol were added to produce 70% of piaceanol within 3 hours. After the reaction was extracted using the same amount of ethyl acetate or a non-polar solvent and quantitatively analyzed by high performance liquid chromatography.
[[ 실시예Example 8]: 8]: 티로시나아제 발현 세포 추출물을 이용한 Using Tyrosinase-expressing Cell Extracts 레스베라트롤Resveratrol (resveratrol) 의 수산화 반응 및 hydroxylation of resveratrol and 피세아타놀(piceatannol)의Of piceatannol 생산: 억제제로서, 4-메 Production: As inhibitor, 4-meth 틸카테콜Tilcatechol 의 사용Use of
제조예 2 에서 획득한 티로시나아제 발현 세포 추출물을 이용하여 0.1 mM 레스베라트롤과 1 mM 의 4-메틸카테콜을 첨가하여 10 분 이내에 50 % 상당의 피세아타놀을 생산하였다. 반응 후 동량의 에틸아세테이트 혹은 비극성 용매를 이용하여 추출 한 후 고성능-액체크로마토그래피로 정량분석하였다. Using tyrosinase-expressing cell extracts obtained in Preparation Example 2, 0.1% resveratrol and 1 mM 4-methylcatechol were added to produce 50% of piaceanol within 10 minutes. After the reaction was extracted using the same amount of ethyl acetate or non-polar solvent and quantitatively analyzed by high-performance liquid chromatography.
상기 언급한 도움 단백질의 유전자 서열 최적화를 통한 이종 숙주 내에서의 발현 및 티로시나아제의 단백질 구조 안정화를 통해 대량으로 티로시나아제를 생산할 수 있다. 생산한 티로시나아제는 전세포 반응 혹은 세포 추출물 반응을 통해 모노페놀형 구조물질을 카테콜형 구조물질로 변환할 수 있다. 일반적인 모노옥시게나아제의 반응에서 맞춤형 효소 개량 및 스크리닝의 별도의 과정없이 보편적인 기질에 대하여 촉매화 반응이 가능하다. Tyrosinase can be produced in large quantities through expression in heterologous hosts through gene sequence optimization of the aforementioned helper proteins and stabilizing protein structure of tyrosinase. The produced tyrosinase can convert monophenolic structures into catechol type structures through whole cell reactions or cell extract reactions. Catalytic reactions to universal substrates are possible in the reaction of general monooxygenase without the need for custom enzyme improvement and screening.
또한 상기 언급한 억제제 첨가방법을 적용할 경우, 부반응 없이 목적 물질로 생각하는 모노페놀형 구조물질을 카테콜형 구조물질로 축적할 수 있다. 고부가가치의 카테콜형 구조물질은 생리활성 물질로 활용되어 미백제, 항산화제, 항암 또는 항바이러스성 물질로 활용이 가능하다. In addition, when the above-mentioned inhibitor addition method is applied, a monophenolic structural material that is considered as a target substance can be accumulated as a catechol-type structural material without side reactions. High value-added catechol-type structural materials can be used as bioactive substances, and can be used as whitening agents, antioxidants, anticancer or antiviral substances.
부가적으로 상기 제작된 재조합 균주를 이용하여 다양한 종류 및 대량으로 멜라닌을 생산할 수 있으며, 고분자 합성 첨가제, 착색제, 접착제, 자외선 차단제 및 전반적인 공업 화학 분야에 적용하여 활용할 수 있다.In addition, it is possible to produce melanin in various kinds and in a large amount using the prepared recombinant strain, and may be applied to polymer synthetic additives, colorants, adhesives, sunscreens and general industrial chemistry.
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