KR101444273B1

KR101444273B1 - 흑염소 반추위 미생물 유래의 섬유소분해효소 cel5-KG71 유전자 및 이의 용도

Info

Publication number: KR101444273B1
Application number: KR1020130074054A
Authority: KR
Inventors: 이경태; 김태헌; 김경운; 백열창; 김영주; 김지훈; 김재영; 김영민; 정경용; 김남신; 정원형; 라벤더 세바스찬
Original assignee: 대한민국
Priority date: 2013-06-26
Filing date: 2013-06-26
Publication date: 2014-09-29

Abstract

본 발명은 흑염소 반추위 미생물 유래의 섬유소분해효소 cel5-KG71 유전자 및 이의 용도에 관한 것으로, 보다 구체적으로 흑염소 반추위 미생물로부터 선별한 신규한 섬유소분해효소 유전자인 cel5-KG71 유전자 및 이의 단백질 산물을 제공하고, 이를 이용하여 사료첨가제, 세제 조성물 및 바이오연료를 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 흑염소 반추위 미생물로부터 신규한 섬유소분해효소 유전자인 cel5-KG71 유전자를 선별할 수 있으며, 이를 통해 섬유소분해효소 cel5-KG71 유전자 및 단백질 산물을 제공함으로써 저가의 사료 첨가제 개발에 이용할 수 있고, 섬유 유연제 및 세제 개발뿐만 아니라 풍부한 자원인 섬유소를 분해하여 바이오연료의 생산에도 적극적으로 이용할 수 있다.

Description

흑염소 반추위 미생물 유래의 섬유소분해효소 cel5-KG71 유전자 및 이의 용도{cellulase cel5-KG71 gene from rumen microorganism of black goat and uses thereof}

본 발명은 흑염소 반추위 미생물 유래의 섬유소분해효소 cel5-KG71 유전자 및 이의 용도에 관한 것으로, 보다 구체적으로 흑염소 반추위 미생물로부터 선별한 신규한 섬유소분해효소 유전자인 cel5-KG71 유전자 및 이의 단백질 산물을 제공하고, 이를 이용하여 사료첨가제, 세제 조성물 및 바이오연료를 제조하는 방법에 관한 것이다.

식물 세포벽의 주요 구성 요소는 셀룰로오스(cellulose), 헤미-셀룰로오스(hemi-cellulose) 및 펙틴(pectin)이며, 이들은 초식동물의 반추위에서 복잡하고도 효과적인 미생물 분해과정에 의하여 소화된다. 반추위의 미생물은 극도의 혐기성 미생물이며, 곰팡이, 프로토조아 및 박테리아로 이루어져 있으며, 섬유소분해는 주로 박테리아와 곰팡이에서 이루어지는 것으로 알려져 있다. 하지만 이들 미생물은 대부분은 배양이 어려워 잘 알려져 있지 않은 상태다.

현재까지 반추위 박테리아 중에서 식물 세포벽을 소화하는데 주요하게 관여하는 박테리아로는 피브로박터 숙시노게네스(Fibrobacter succinogenes), 루미노코커스 플라베파시엔스(Ruminococcus flavefaciens), 루미노코커스 알부스(Ruminococcus albus), 부티리비브리오 피브리솔벤스(Butyrivibrio fibrisolvens), 유박테리움 셀룰로솔벤스(Eubacterium cellulosolvens), 프레보텔라(Prevotella) 및 일부분의 클로스트리디움(Clostridium) 속에 속하는 박테리아로 밝혀져 있다.

현재까지 대부분의 반추동물의 섬유소분해효소 유전자를 발굴하기 위하여 소와 토끼, 캥거루의 소화기관의 총 미생물 DNA, 혹은 메타게놈 (metagenome; 환경미생물의 총 DNA를 일컬음)을 연구하였고, 이로부터 다수의 글루카나아제(glucanase), 자일라나아제(xylanase) 및 셀룰로솜 복합체 (cellulosome complex)들이 밝혀진 바가 있다. 하지만 이들은 대부분 연질의 식물 섬유소원을 먹이로 진화한 경우이며, 섬유소분해효소 중에서도 경질의 섬유소원에 대한 분해 능력이 요구된다.

흑염소는 일반적으로 나뭇가지, 껍질 및 초목과 같은 조악한 섬유소원의 사료에 잘 적응하고 소화할 수 있도록 현재까지 진화되어온 것으로 알려져 있다. 비록 흑염소의 반추위 미생물에 대한 연구는 소에 비하여 상대적으로 많이 이루어지지 않은 실정이나, 흑염소의 반추위 미생물은 섬유소분해 능력과 관련하여 소와 같은 대가축의 반추위와는 다른 보다 효율적인 환경 미생물로 이루어져 있을 것으로 예상되고 있다. 이는 흑염소의 반추위 미생물군이 다른 초식동물과 다르게 공생되어 진화되었다는 것을 의미한다.

난배양성 미생물군에 대한 유전자 탐색을 위하여 포스미드(fosmid), 코스미드(cosmid) 및 BAC (bacterial artificial chromosome) 유전자은행을 이용하여 신규 물질을 탐색하는 기술이 널리 사용되고 있다. 본 발명 역시 최근 획기적으로 발전한 메타게놈 유전체 분석 기법을 적용하여 고효율 섬유소분해효소 유전자를 발굴하고자 하였다. 이러한 방법으로 현재까지 많은 섬유소분해효소 유전자가 밝혀졌지만, 본 발명에 따른 흑염소 유래 섬유소분해효소 유전자는 현재까지 밝혀진 어떤 유전자와도 상이한 신규의 것이다.

한편, 종래기술로서 한국공개특허공보 제2011-0119961호에는 '섬유소분해효소를 생산하는 넥트리아 시나바리나 및 이를 이용한 셀룰로오스의 당화방법'이 개시되어 있으, 한국공개특허공보 제2007-0116881호에는 '셀룰라제, 이것을 암호화하는 핵산 및 이들을 제조 및 사용하는 방법'이 개시되어 있다.

한국공개특허공보 제2011-0119961호 한국공개특허공보 제2007-0116881호

이와 같은 기술적 배경 하에서 본 발명자들은 예의 노력한 결과 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

결국, 본 발명의 목적은 흑염소 반추위 미생물 유래의 섬유소분해효소 cel5-KG71 유전자 및 이의 용도를 제공하는데 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 서열번호 1로 표시되는 염기서열로 이루어진, 흑염소 반추위 미생물 유래의 섬유소분해효소 cel5-KG71 유전자가 제공될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 유전자로부터 인코딩되며, 서열번호 2로 표시되는 아미노산 서열로 이루어진, 흑염소 반추위 미생물 유래의 섬유소분해효소 상과(cellulase superfamily) 도메인 계열 섬유소분해효소 단백질이 제공될 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 유전자를 포함하는 재조합 벡터가 제공될 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 재조합 벡터로 형질전환된 숙주세포가 제공될 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 섬유소분해효소 단백질을 포함하는 섬유소 분해 증진용 사료 첨가제가 제공될 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 섬유소분해효소 단백질을 포함하는 세제 조성물이 제공될 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 바이오매스 물질에 상기 섬유소분해효소 단백질을 첨가하여 가수분해시키는 단계를 포함하는 바이오연료의 제조방법이 제공될 수 있다.

본 발명에 따르면, 흑염소 반추위 미생물로부터 신규한 섬유소분해효소 유전자인 cel5-KG71 유전자를 선별할 수 있으며, 이를 통해 섬유소분해효소 cel5-KG71 유전자 및 단백질 산물을 제공함으로써 저가의 사료 첨가제 개발에 이용할 수 있고, 섬유 유연제 및 세제 개발뿐만 아니라 풍부한 자원인 섬유소를 분해하여 바이오연료의 생산에도 적극적으로 이용할 수 있다.

도 1은 뉴클레오티드 블라스트(nucleotide blast) 검색 결과를 나타낸 것이다.
도 2는 단백질 블라스트(protein blast) 검색에 따른 주요 도메인 확인 결과를 나타낸 것이다.
도 3은 단백질 블라스트 검색 결과 중 최상위 상동 단백질에 대한 유사성 검토(phylogenetic tree) 및 상동성과 추정값을 나타낸 것이다.
도 4는 CMC-Agar 플레이트 상에 접종 후 CMC 분해 활성도를 나타낸 것이다.

이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

본 발명에서 사용되는 용어, '반추위 미생물(rumen microorganism)'이란, 반추류(Ruminantia)의 동물(소, 염소, 양, 사슴 등)에 있는 반추위에 서식하는 미생물로서, 소화하기 어려운 섬유소 등을 반추위에 대량으로 공생하고 있는 미생물이 휘발성 지방산 등으로 분해한다. 대표적인 예로, 피브로박터 숙시노게네스(Fibrobacter succinogenes), 루미노코커스 플라베파시엔스(Ruminococcus flavefaciens), 루미노코커스 알부스(Ruminococcus albus), 부티리비브리오 피브리솔벤스(Butyrivibrio fibrisolvens), 유박테리움 셀룰로솔벤스(Eubacterium cellulosolvens), 프레보텔라(Prevotella) 및 일부분의 클로스트리디움(Clostridium) 속에 속하는 박테리아 등이 있다.

본 발명에서 사용되는 용어, '탄수화물 결합 단위(CBM; carbohydrate-binding module)'란, 탄수화물-활성 효소(carbohydrate-active enzyme)에서 발견되는 단백질 도메인으로, 상기 도메인은 탄수화물-결합 활성(carbohydrate-binding activity)을 가지고 있다. 상기 CBM은 주로 셀룰로오즈-결합 도메인(cellulose-binding domain)으로 알려져 있으며, 셀룰로소말 스캐폴딩 단백질(cellulosomal scaffoldin protein)에서 발견되기도 하며, 현재 아미노산 서열의 유사 정도에 따라 64개의 패밀리로 분류되고 있다.

본 발명에서 사용되는 용어, '글라이코시드 가수분해효소(GH; glycoside hydrolase) 도메인'이란, 배당체와 올리고당, 다당에 작용하고 글리코시드 결합을 가수분해하는 효소 활성을 가지는 도메인을 의미하며, 현재 아미노산 서열의 유사 정도에 따라 127개의 패밀리로 분류되고 있다.

본 발명에서 사용되는 용어, 상과(superfamily)란, 아미노산 배열, 단백질 기능 및 단백질의 입체 구조 등이 서로 유사한 단백질 군을 의미한다.

본 발명에서 사용되는 용어, '바이오매스(biomass)'란, 태양광을 사용하여 이산화탄소를 고정하는 탄소동화과정을 하는 식물체와 이를 먹고 살아가는 동물체를 포함하는 생물유기체 전반을 일컫는다. 상기 바이오매스로부터 생산되는 알콜, 디젤, 수소와 같은 각종 연료는 바이오연료(biofuel)라 불리우며 이러한 바이오매스, 특히 섬유소와 같은 식물계 바이오매스는 석유로 부터 얻어지는 화학물질들을 대체할 수 있는 물질로 제안되고 있다. 식물계 바이오매스는 각종 화학제품을 생산하는데 있어 석유를 원료로 하는 것보다 에너지 수지면에서 유리하다. 그 이유는 식물계 바이오매스의 경우는 산소를 포함하는 다양한 기능기가 포함되어 있어 기능기가 첨부된 각종 화학제품들을 생산하는 경우 더 낮은 활성화 에너지로 전환이 가능하기 때문이다.

본 발명에서 사용되는 용어, '바이오연료(biofuel)'란, 연료로 살아있는 유기체뿐 아니라 동물의 배성물 등 대사활동에서 나오는 부산물을 모두포함하며, 화석연료와는 다른 신재생에너지로 바이오에탄올과 바이오디젤 등이 포함된다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 서열번호 1로 표시되는 염기서열(1,467bp)로 이루어진, 흑염소 반추위 미생물 유래의 섬유소분해효소 cel5-KG71 유전자가 제공될 수 있다.

본 발명에 따른 섬유소분해효소 cel5-KG71 유전자는 섬유소분해효소 단백질을 코딩하는 DNA 또는 RNA 일 수 있다. DNA는 cDNA, 게놈 DNA 또는 인위적인 합성 DNA를 포함한다. DNA는 단일 가닥 또는 이중 가닥일 수 있다. DNA는 코딩(coding) 가닥 또는 넌코딩(non-coding) 가닥일 수 있다.

바람직하게는, 본 발명에 따른 섬유소분해효소 cel5-KG71 유전자는 서열번호 1로 표시되는 염기서열을 포함할 수 있다. 또한, 상기 염기 서열의 변이체가 본 발명의 범위 내에 포함된다. 보다 구체적으로, 상기 유전자는 서열번호 1의 염기서열로부터 70% 이상, 바람직하게는 80% 이상, 더욱 바람직하게는 90% 이상, 가장 바람직하게는 95% 이상의 서열 상동성을 가지는 염기서열을 포함할 수 있다.

폴리뉴클레오티드에 대한 '서열 상동성의 %'는 두 개의 최적으로 배열된 서열과 비교 영역을 비교함으로써 확인되며, 비교 영역에서의 폴리뉴클레오티드 서열의 일부는 두 서열의 최적 배열에 대한 참고 서열(추가 또는 삭제를 포함하지 않음)에 비해 추가 또는 삭제(즉, 갭)를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따라, 섬유소분해효소 cel5-KG71 유전자는 바람직하게는 흑염소 반추위 미생물 유래일 수 있다. 다만, 반드시 이에 제한될 것은 아니며, 본 발명의 실시예는 섬유소분해효소 cel5-KG71 유전자와 높은 상동성(예를 들어, 70% 이상, 바람직하게는 80% 이상, 더욱 바람직하게는 90% 이상, 가장 바람직하게는 95% 이상의 서열 상동성)을 갖고, 흑염소가 아닌 다른 생물의 반추위 미생물로부터 유래한 유전자를 포함할 수 있다. 서열정렬 방법 및 서열 상동성을 결정하기 위한 수단(예를 들어, BLAST 등)은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 주지되어 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 유전자로부터 인코딩되며, 서열번호 2로 표시되는 아미노산 서열(488개의 아미노산)로 이루어진, 흑염소 반추위 미생물 유래의 섬유소분해효소 상과(cellulase superfamily) 도메인 계열 섬유소분해효소 단백질이 제공될 수 있다.

본 발명에 따른 섬유소분해효소 단백질은 농촌진흥청 국립축산과학원 가축유전자원시험장 출생 흑염소 3두(수컷 2두, 암컷 1두)에 대하여 동물유전체과에서 관리 이전 후 볏짚 사료와 미네랄 보충제로만 한 달간 급여한 후 도축하여 얻은 반추위에 공생하는 미생물 시료로부터 얻어졌다.

본 발명에 따른 섬유소분해효소 단백질의 범위는 흑염소 반추위 미생물로부터 분리된 서열번호 2로 표시되는 아미노산 서열로 이루어진 섬유소분해효소 상과(cellulase superfamily) 도메인 계열 단백질 및 상기 단백질의 기능적 동등물을 포함한다.

상기 '기능적 동등물'이란 용어는, 아미노산의 부가, 치환 또는 결실의 결과, 상기 서열번호 2로 표시되는 아미노산 서열과 적어도 70% 이상, 바람직하게는 80% 이상, 더욱 바람직하게는 90% 이상, 가장 바람직하게는 95% 이상의 서열 상동성을 갖는 것으로, 서열번호 2로 표시되는 아미노산 서열로 이루어진 단백질과 실질적으로 동질의 생리활성을 나타내는 단백질을 말한다. 상기 '실질적으로 동질의 생리활성'이란 용어는, 동일한 섬유소분해효소 활성을 의미한다.

본 발명은 또한 섬유소분해효소 단백질의 단편, 유도체 및 유사체(analogues)를 포함한다. 상기 '단편', '유도체' 및 '유사체'란 용어는 본 발명에 따른 섬유소분해효소 단백질과 실질적으로 같은 생물학적 기능 또는 활성을 보유하는 폴리펩티드를 의미한다.

본 발명에 따른 섬유소분해효소 단백질의 단편, 유도체 및 유사체는 (i) 하나 이상의 보존적(conservative) 또는 비보존적 아미노산 잔기(바람직하게는 보존적 아미노산 잔기)가 치환된 폴리펩티드(상기 치환된 아미노산 잔기는 유전암호에 의해 암호화될 수도, 되지 않을 수도 있다) 또는 (ii) 하나 이상의 아미노산 잔기에서 치환기(들)를 가지는 폴리펩티드, 또는 (iii) 또 다른 화합물(폴리펩티드의 반감기를 연장할 수 있는 화합물, 예를 들면 폴리에틸렌 글리콜)과 결합된 성숙 폴리펩티드로부터 유래된 폴리펩티드, 또는 (iv) 부가적인 아미노산 서열(예를 들면, 선도 서열, 분비 서열, 상기 폴리펩티드를 정제하는데 사용된 서열, 프로테이노젠(proteinogen) 서열 또는 융합 단백질)과 결합된 상기 폴리펩티드로부터 유래된 폴리펩티드일 수 있다. 본 발명에 따라 정의된 상기 단편, 유도체 및 유사체는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 주지되어 있다.

서열번호 2로 표시되는 아미노산 서열, 즉 성숙(mature) 폴리펩티드를 암호화하는 폴리뉴클레오티드는 오직 성숙 폴리펩티드만을 암호화하는 코딩 서열; 성숙 폴리펩티드 및 다양한 부가적인 코딩 서열을 암호화하는 서열; 성숙 폴리펩티드(및 임의의 부가적인 코딩 서열) 및 넌코딩 서열을 암호화하는 서열을 포함한다.

상기 '폴리펩티드를 암호화하는 폴리뉴클레오티드'란 용어는 폴리펩티드를 암호화하는 폴리뉴클레오티드, 또는 부가적인 코딩 및/또는 넌코딩 서열을 더 포함하는 폴리뉴클레오티드를 말한다.

또한, 본 발명은 상기에 기재된 것과 동일한 아미노산 서열, 또는 이의 단편, 유사체 및 유도체를 포함하는 폴리펩티드를 암호화하는 상기 폴리뉴클레오티드의 변이체에 관한 것이다. 폴리뉴클레오티드 변이체는 자연적으로 발생하는 대립유전자 변이체 또는 비자연적으로 발생하는 변이체일 수 있다. 상기 뉴클레오티드 변이체는 치환 변이체, 결실 변이체, 및 삽입 변이체를 포함한다.

본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 주지된 바와 같이, 대립유전자 변이체는 폴리뉴클레오티드의 대안(alternative)이며, 이는 하나 이상의 치환, 결실 또는 삽입된 뉴클레오티드를 포함할 수 있으며, 변이체에 의해 암호화된 폴리펩티드에서 실질적인 기능 변화를 초래하지는 않는다.

본 발명에 따른 벡터는 전형적으로 클로닝 또는 발현을 위한 벡터로서 구축될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 벡터는 원핵 세포 또는 진핵 세포를 숙주로 하여 구축될 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 벡터가 발현 벡터이고, 원핵 세포를 숙주로 하는 경우에는, 전사를 진행시킬 수 있는 강력한 프로모터 (예컨대, pL프로모터, trp 프로모터, lac 프로모터, T7 프로모터, tac 프로모터 등), 해독의 개시를 위한 리보좀 결합 자리 및 전사/해독 종결 서열을 포함하는 것이 일반적이다. 숙주 세포로서 대장균(E. coli)이 이용되는 경우, E. coli 트립토판 생합성 경로의 프로모터 및 오퍼레이터 부위, 그리고 파아지 의 좌향 프로모터 (pL프로모터)가 조절 부위로서 이용될 수 있다.

여기서, 본 발명에 이용될 수 있는 벡터는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적으로 사용되는 플라스미드 (예: pSC101, ColE1, pBR322, pUC8/9, pHC79, pGEX, pQE80L 시리즈, pET 시리즈 및 pUC19 등), 파지 (예: gt4B, -Charon, z1 및 M13 등) 또는 바이러스 (예: SV40 등)를 조작하여 제작될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 벡터가 발현 벡터이고, 진핵 세포를 숙주로 하는 경우, 포유동물 세포의 게놈으로부터 유래된 프로모터(예: 메탈로티오닌 프로모터) 또는 포유동물 바이러스로부터 유래된 프로모터(예: 아데노바이러스 후기 프로모터, 백시니아 바이러스 7.5K 프로모터, SV40 프로모터, 사이토메갈로바이러스 프로모터 및 HSV의 tk 프로모터)가 이용될 수 있으며, 전사 종결 서열로서 일반적으로 폴리아데닐화 서열을 갖는다.

본 발명에 따른 벡터는 선택표지(marker)로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적으로 이용되는 항생제 내성 유전자, 예를 들어 암피실린, 겐타마이신, 카베니실린, 클로람페니콜, 스트렙토마이신, 카나마이신, 게네티신, 네오마이신 및 테트라사이클린에 대한 내성 유전자를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 벡터를 원핵세포에 안정적으로 형질전환시킨 후 발현시키기 위한 숙주세포는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적으로 이용되는 숙주세포, 예를 들어, E. coli JM109, E. coli BL21, E. coli RR1, E. coli LE392, E. coli B, E. coli X 1776, E. coli W3110, 바실러스 서브틸리스, 바실러스 츄린겐시스와 같은 바실러스 속 균주, 또는 살모넬라 티피무리움, 세라티아 마르세슨스 및 다양한 슈도모나스 종과 같은 장내균과 균주 등을 이용할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 벡터를 진핵 세포에 형질전환시키는 경우, 숙주세포로서, 효모(Saccharomyce cerevisiae), 곤충세포, 사람세포 (예컨대, CHO 세포주 (Chinese hamster ovary), W138, BHK, COS-7, 293, HepG2, 3T3, RIN 및 MDCK 세포주) 및 식물세포 등을 이용할 수 있다.

본 발명에 따른 벡터를 숙주세포 내로 운반하는 방법은, 숙주 세포가 원핵 세포인 경우, CaCl₂ 방법, 하나한 방법 (Hanahan, D., J. Mol. Biol., 166:557-580(1983)) 및 전기천공 방법 등에 의해 실시될 수 있다. 또한, 숙주세포가 진핵세포인 경우, 미세주입법, 칼슘포스페이트 침전법, 전기천공법, 리포좀-매개 형질감염법, DEAE-덱스트란 처리법, 및 유전자 밤바드먼트 등에 의해 벡터를 숙주세포 내로 주입할 수 있다.

본 발명에 따른 사료 첨가제는 구연산, 후말산, 아디픽산, 젖산 및 사과산 등과 같은 유기산; 인산나트륨, 인산칼륨, 산성피로인산염, 폴리인산염(중합인산염)등과 같은 인산염; 폴리페놀, 카테킨(catechin), 알파-토코페롤, 로즈메리 추출물(rosemary extract), 비타민 C, 녹차 추출물, 감초 추출물, 키토산, 탄닌산, 피틴산 등과 같은 천연 항산화제;로부터 선택되는 하나 이상을 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 사료 첨가제는 아미노산, 무기염류, 비타민, 항생물질, 항균물질, 항산화, 항곰팡이 효소 및 다른 생균 형태의 미생물 제제 등과 같은 보조제 성분; 곡물, 예를 들어, 분쇄 또는 파쇄된 밀, 귀리, 보리, 옥수수 및 쌀; 식물성 단백질 사료, 예를 들어, 평지, 콩 및 해바라기를 주성분으로 하는 것; 동물성 단백질 사료, 예를 들어, 혈분, 육분, 골분 및 생선분; 당분 및 유제품, 예를 들어, 각종 분유 및 유장 분말로 이루어지는 건조성분; 지질, 예를 들어, 가열에 의해 임의로 액화시킨 동물성 지방 및 식물성 지방 등과 같은 주성분; 영양보충제, 소화 및 흡수향상제, 성장촉진제, 질병예방제 등과 같은 첨가제;로부터 선택되는 하나 이상을 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 사료 첨가제는 건조 또는 액체 상태의 제제 형태일 수 있으며, 사료 첨가용 부형제를 포함할 수 있다. 상기 사료 첨가용 부형제로는 예를 들어, 제올라이트, 옥분 또는 미강 등이 있으며, 반드시 상기의 예시에 한정되지 않는다.

본 발명에 따른 사료 첨가제는 효소 제제, 예를 들어, 리파아제(lipase)와 같은 지방 분해효소, 피틴산(phytic acid)을 분해하여 인산염과 이노시톨인산염을 만드는 파이타제(phytase), 녹말과 글리코겐 등에 포함되어 있는 알파-1,4-글리코시드 결합(-1,4-glycoside bond)을 가수분해하는 효소인 아밀라제, 유기인산에스테르를 가수분해하는 효소인 포스파타제(phosphatase), 말토오스를 두 분자의 글루코스로 가수분해하는 말타제 및 사카로스를 가수분해하여 글루코스-프룩토스 혼합물을 만드는 전환효소 등으로부터 선택되는 하나 이상을 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 사료 첨가제는 동물에게 단독으로 투여되거나 식용 담체 중에서 다른 사료 첨가제와 조합되어 투여될 수 있다. 또한, 상기 사료 첨가제는 탑 드레싱으로서 또는 이들을 가축 사료에 직접 혼합하거나 또는 사료와 별도로, 별도의 경구 제형으로, 또는 다른 성분과 조합하여 쉽게 투여할 수 있다.

본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적으로 알려진 바와 같이 단독 일일 섭취량 또는 분할 일일 섭취량을 사용할 수 있다.

본 발명에 따른 사료 첨가제가 사용될 수 있는 동물은 예를 들어 식용우, 젖소, 송아지, 돼지, 돼지새끼, 양, 염소, 말, 토끼, 개, 고양이 등과 같은 가축, 병아리, 알닭, 가정용 닭, 수탉, 오리, 거위, 칠면조, 메추라기, 작은새 등과 같은 가금류를 포함하며, 반드시 상기의 예시에 한정되지 않는다.

본 발명에 따른 사료 첨가제에 포함되는 본 발명에 따른 섬유소분해효소의 양은 특별히 한정되지 않으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적으로 알려진 바와 같이 가축의 소화관에서 장기간 생존하면서 섬유질계 및 반섬유질계 물질을 분해하기에 적합한 양으로 포함된다.

본 발명에 따른 세제 조성물은 1부 및 2부 수성 세제 조성물, 비수성 액체 세제 조성물, 성형 고체(cast solid), 과립 형태, 입자 형태, 압축 정제, 겔, 페이스트 또는 슬러리 형태일 수 있다. 상기 세제 조성물을 사용하여 음식물의 찌든 때, 음식물 잔류막 및 기타 소량의 식품 조성물을 신속하게 제거할 수 있다.

본 발명에 따른 세제 조성물은 전분 다당류의 촉매-매개 가수분해를 통한 말라붙은 얼룩 제거에 효과적일 수 있다.

본 발명에 따른 세제 조성물은 단단한 표면을 세정하는 세제 조성물, 직물을 세정하는 세제 조성물, 설거지용 세제 조성물, 구강 세정용 세제 조성물, 의치 세정용 세제 또는 콘택트 렌즈 세정 용액과 같은 형태로 제공될 수 있다.

본 발명에 따른 바이오매스 물질은 고분자량의 탄수화물을 포함하는 바이오매스 물질이며, 본 발명에 따른 바이오연료의 제조방법은 고분자량의 탄수화물을 포함하는 바이오매스 물질을 전처리하는 단계; 전처리한 바이오매스를 효소로 가수분해시키는 단계; 및 가수분해된 바이오매스 물질을 발효시키는 단계;로 이루어지며, 상기 바이오연료의 제조방법은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적으로 알려진 바이오연료(Biofuel)의 제조방법을 통해 수행될 수 있다.

본 발명에 따른 바이오연료의 제조방법에 있어서, 상기 바이오매스는 전분질계(곡물, 감자류 등), 셀룰로오스계(초본, 임목, 왕겨 등), 당질계(사탕수수, 사탕무 등) 또는 단백질계(가축분뇨, 사체, 미생물 균체 및 이들로부터 유래하는 종이와 음식물찌꺼기 등 유기성 자원)등의 고분자량의 탄수화물일 수 있으며, 반드시 상기의 예시에 한정되지 않는다.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 한정되지 않는다.

실시예 1. 흑염소 반추위 미생물 분리 및 DNA 추출

수컷 2마리와 암컷 1마리 흑염소에 대하여 1개월간 볏짚 사료와 미네랄 보충제만으로 사육한 후, 도축을 실시하였고 이로부터 4개의 위 중에서 첫 번째 위인 반추위를 취하여 그 내용물을 확보하였다. 확보된 내용물은 먼저 거즈를 이용하여 위액상(Lq; liquid phase)과 사료 소화상(Ad; adherent phase)으로 구분하여 시료를 준비하였다. 사료 소화상 Ad는 거즈로 거른 후의 찌꺼기를 다시 0.15%(volume/volume) Tween-80, PBS 용액에 현탁하여 볏짚 소화물에 부착된 미생물을 회수한 것이다. 이들에 대해 각각 5g의 침전 시료를 마련하고 이를 CTAB (hexadecylmethylammonium bromide)와 SDS (sodium dodecyl sulfate)를 이용하여 총 DNA를 추출하였다.

실시예 2. 흑염소 반추위 미생물 메타게놈 대량 염기서열 해독

사료 소화상(Ad)과 위액상(Lq)에서 추출된 DNA에 대하여 454 GS-FLX 플랫폼 염기서열 해독 시스템을 이용하여 각 사료 소화상 및 위액상에 대하여 염기서열 해독을 수행하였다. 총 1.95Gb의 데이터를 생산하였으며, 상기 데이터는 분석에 앞서 prinseq-lite.pl (version 0.14.2; 최소 서열 길이, 50 bp; 반복 서열 제거 파라미터, 1245)를 사용해서 양질의 데이터로 마련하였다(표 1 참조).

시료	위치	성별	읽기수	총 염기	최솟값	최댓값	평균값	중앙값
Ad_A	소화상	수컷	879,151	351,697,538	40	1,899	400	445
Ad_B	소화상	수컷	837,109	332,000,114	40	2,020	396	440
Ad_C	소화상	암컷	858,051	347,688,619	40	1,587	405	445
Lq_A	위액상	수컷	772,580	305,470,209	40	1,749	395	456
Lq_B	위액상	수컷	742,853	294,733,416	40	1,873	396	455
Lq_C	위액상	암컷	845,921	327,803,241	40	1,750	387	429

상기 표 1은 흑염소로부터 추출한 반추위 미생물 메타게놈 DNA 염기서열 해독 데이터 생산량을 나타낸 것이다. 상기 데이터에서 벼, 소, 양의 유전체 정보를 대상으로 ssaha2 프로그램을 사용하여 흑염소의 자체 DNA 정보 및 벼의 DNA 정보 등을 제거하였다(서열의 전체 80% 이상 (coverage)에 대하여 90% 이상 상동성(identity)을 보이는 서열은 제거). 이렇게 마련된 서열 정보는 Newbler 2.5.3 (Roche사 제공) 패키지의 de novo assembler로 매우 엄격하게 조합 작업을 수행하였다(최소 상동성, 98%; 최소 겹침 길이, 100 bp).

실시예 3. 유전자 영역 탐색 및 섬유소분해활성 관련 도메인 유전자 선발

MetaGeneMark 프로그램을 사용하여 완전한 단백질을 만들 수 있도록 개시코돈과 종료코돈을 모두 갖추고 있는 유전자 영역을 탐색하였다. 그리고 이들의 기능을 추정하기 위하여 PFAM (protein family) 데이터베이스(버전 25.0)에서 PfamScan과 HMMer3 프로그램을 사용하여 기능적 도메인들을 탐색하였으며, 또한 CAMERA 웹사이트에 마련된 COG (clusters of orthologous groups of proteins) 파이프라인을 사용하였다. 섬유소분해 활성을 갖기 위한 필수 도메인인 글라이코시드 하이드롤라아제(GH; glycoside hydrolase) 도메인과 탄수화물 결합 단위(CBM; carbohydrate binding module) 도메인을 갖는 유전자는 Carbohydrate Active Enzyme (CAZy) 데이터베이스(http://www.cazy.org/)에 속하는 Pfam GH와 CBM에 국한하여 이를 포함한 유전자들을 선정하였다(표 2 참조).

	컨티그(contig) 내				싱글톤(singleton) 내
	총 유전자*	(CA 유전자**)	완전장 유전자	(CA 유전자)	총 유전자	(CA 유전자)	완전장 유전자	(CA 유전자)
개체의 합
총	198,396	(2,544)	69,171	(701)	2,417,798	(22,683)	252,056	(1,048)
소화상 (Ad)	116,908	(1,818)	38,524	(478)	1,292,970	(13,239)	127,155	(566)
Ad_A	46,943	(765)	17,405	(237)	377,207	(3,896)	36,343	(146)
Ad_B	34,964	(592)	10,956	(144)	432,904	(4,113)	44,807	(183)
Ad_C	35,001	(461)	10,163	(97)	482,859	(5,230)	46,005	(237)
위액상 (Lq)	81,488	(726)	30,647	(223)	1,124,828	(9,444)	124,901	(482)
Lq_C	29,726	(248)	11,893	(79)	358,599	(2,853)	39,969	(151)
Lq_A	25,041	(244)	9,258	(81)	393,945	(3,435)	42,046	(144)
Lq_B	26,721	(234)	9,496	(63)	372,284	(3,156)	42,886	(187)
합병 어셈블리
총	297,445	(3,673)	102,584	(1,097)	1,794,132	(16,426)	187,907	(765)
소화상 (Ad)	142,703	(2,111)	49,704	(644)	1,079,082	(10,761)	106,432	(464)
위액상 (Lq)	114,198	(1,111)	40,230	(304)	959,518	(8,003)	107,027	(417)

* "총" 유전자는 구조적 완전한 것과 불완전한 것을 모두 합한 수를 의미한다.

** "CA" 유전자는 탄수화물 분해 활성을 의미한다.

상기 표 2는 서열 조합을 통해 얻은 반추위 미생물 유래 유전체 조각 서열들로부터 추정된 유전자 및 탄수화물 분해활성 유전자들의 수를 나타낸 것이다.

실시예 4. 섬유소분해 활성 유전자 선정 및 이에 대한 유사성 및 활성 조사

표 2에서와 같이 총 290,491개의 전장 유전자 서열 정보에서 일차적으로 자체 pfam 도메인 데이터베이스에서 글라이코시드 하이드롤라아제(GH; glycoside hydrolase) 도메인과 탄수화물 결합 단위(CBM; carbohydrate binding module) 도메인을 갖는 유전자를 탐색한 결과, cel5-KG71 유전자에서 섬유소분해효소(cellulase) 도메인을 확인하였다. 그리고 이들에 대해서 NCBI 데이터베이스에서 동일 혹은 유사 서열이 존재하는지 확인하기 위하여 뉴클레오티드와 단백질에 대한 BLAST 검색을 수행하였다(2013년 6월 기준). 뉴클레오티드 BLAST 검색 결과 기본 검색 조건에서 어떠한 유사 DNA 서열을 찾을 수 없었다(도 1 참조). 또한 단백질 BLAST 검색 결과 일반적인 섬유소분해효소(cellulase) 도메인을 갖고 있음을 확인할 수 있었으며(도 2 참조), 가장 유사한 유전자는 Prevotella buccase ATCC 33574에서 섬유소분해효소 상과(cellulase superfamily) 도메인을 지닌 엔도글루카나아제(endoglucanase) A 유전자(Accession No. ZP_07883323.1)로서 총 498개 아미노산 중에서 245개만이 서로 상동성(49%)을 보였다(도 3 참조).

cel5-KG71 유전자는 최초 메타게놈 추출 DNA를 대상으로 중합효소연쇄반응을 통하여 증폭하여 그 DNA 단편을 확보하였으며, 확보된 DNA 단편은 pQE80L 대장균 발현벡터에 클로닝하였다. 이 클론은 0.5% CMC가 포함된 아가(agar) 플레이트에서 배양된 후, 콩고 레드(Congo red) 염색법에 의해 뚜렷한 명반(clear zone)이 생기는 것을 확인하였기에, 이로써 본 발명에서 밝혀 낸 cel5-KG71 유전자 및 그의 산물은 신규 섬유소분해효소라고 할 수 있다(도 4 참조).

상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따르면, 흑염소 반추위 미생물로부터 신규한 섬유소분해효소 유전자인 cel5-KG71 유전자를 선별할 수 있으며, 이를 통해 섬유소분해효소 cel5-KG71 유전자 및 단백질 산물을 제공함으로써 저가의 사료 첨가제 개발에 이용할 수 있고, 섬유 유연제 및 세제 개발뿐만 아니라 풍부한 자원인 섬유소를 분해하여 바이오연료의 생산에도 적극적으로 이용할 수 있다.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항 들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

<110> RURAL DEVELOPMENT ADMINISTRATION <120> cellulase cel5-KG71 gene from rumen microorganism of black goat and uses thereof <130> NPF-23708 <160> 2 <170> KopatentIn 2.0 <210> 1 <211> 1467 <212> DNA <213> unidentified bacterium <400> 1 atgcatatca aaaaggttgc ggcagcagtc atttgcatcc tgctcctcgc tccttgcgcc 60 acgctcctca cctcgtgcag cgacgtcgag aacgaaccca gctacacggg gcgtagtgag 120 gggcctgcca cgaaactgaa cattctcaag gacagtgtca atgttaacga catgctcacg 180 ttcagcatgg gcgcctccag cgtcatcctc ggcgtggagt gcgacggcga ctggactgtc 240 gaactgtccg acacctcttg ggtgaaactc tccaaccatg ccggctacgg cttcttcgac 300 cgttggtcgt tcctgcgtgt cgatgtccag aagaacgacg gcgatgagcg cacatcgacg 360 ctcaccatcc gttccggctc catgtcgaag tccgttgccc tgacgcagcg cggtaccggc 420 accgacccag gcgacacctt cccctcgtcg tttgctacac ttgaagcctt caagttaggc 480 tataacctcg gcaatacgct cgactcatgg cctgtcggcg actggtggga ccctgccacg 540 aagtcaccca ccgactggga gcagggatgg ggacagccca tcactacgcc tgagattatc 600 aacgccattg ccggaaaagg cttcaacatc attcgtatca ccaccacatg gggacctcac 660 atggacgctg agggtaacgt cgatgccgca tggatggcac gtgtgaagga agttgttgat 720 atggtgcttg atgccggttg ctatgccatc gtcaacgcgc agcacgacac aggtgctgcc 780 gagacggcct ggcttattgc cgatatggat gtctatccca ctgcctcgcc gcgcttcaag 840 aagctgtgga cgcagattgc cacgaccttc cgtgactatg gcgaccacct gctcttcgag 900 gctttcaacg agatacttgc cgtgaacaac aacaacggct ggacagcacc gccagcaggc 960 tccacgagct acgaggctat ccgtcgctat catcaggact tcgtcgatgc cgtgcgtgct 1020 acgggtggta acaacgagtt ccgtaacctc gtcatcaatc cctatgccgg aggtaactca 1080 caggtcgtgc tcaacgagat ggctgtgcct aacgacaagc actccaacca catcctcatg 1140 tccgtccact cctacgaccc gtacaacttc tgcaacgaca acggtgagtg gagtatcctc 1200 gtgttcaacc aggagtgtaa ggacgagatt gatgccgtgt tcaaccgtgt catcagccgt 1260 gccggagact tgggcgttcc tgctttcttc ggagagttcg gtgccatcga cggcaagaaa 1320 gaccctgccg agcgtatcaa gtacgccagc tatatgcgtc agaagttcca gcagtatgcc 1380 actgccggtc tctggtggat gggacttatc gaccgtgcca cacttcagtg gaacgagcag 1440 gaaattgtcg atgccttgtt cgaatag 1467 <210> 2 <211> 488 <212> PRT <213> unidentified bacterium <400> 2 Met His Ile Lys Lys Val Ala Ala Ala Val Ile Cys Ile Leu Leu Leu 1 5 10 15 Ala Pro Cys Ala Thr Leu Leu Thr Ser Cys Ser Asp Val Glu Asn Glu 20 25 30 Pro Ser Tyr Thr Gly Arg Ser Glu Gly Pro Ala Thr Lys Leu Asn Ile 35 40 45 Leu Lys Asp Ser Val Asn Val Asn Asp Met Leu Thr Phe Ser Met Gly 50 55 60 Ala Ser Ser Val Ile Leu Gly Val Glu Cys Asp Gly Asp Trp Thr Val 65 70 75 80 Glu Leu Ser Asp Thr Ser Trp Val Lys Leu Ser Asn His Ala Gly Tyr 85 90 95 Gly Phe Phe Asp Arg Trp Ser Phe Leu Arg Val Asp Val Gln Lys Asn 100 105 110 Asp Gly Asp Glu Arg Thr Ser Thr Leu Thr Ile Arg Ser Gly Ser Met 115 120 125 Ser Lys Ser Val Ala Leu Thr Gln Arg Gly Thr Gly Thr Asp Pro Gly 130 135 140 Asp Thr Phe Pro Ser Ser Phe Ala Thr Leu Glu Ala Phe Lys Leu Gly 145 150 155 160 Tyr Asn Leu Gly Asn Thr Leu Asp Ser Trp Pro Val Gly Asp Trp Trp 165 170 175 Asp Pro Ala Thr Lys Ser Pro Thr Asp Trp Glu Gln Gly Trp Gly Gln 180 185 190 Pro Ile Thr Thr Pro Glu Ile Ile Asn Ala Ile Ala Gly Lys Gly Phe 195 200 205 Asn Ile Ile Arg Ile Thr Thr Thr Trp Gly Pro His Met Asp Ala Glu 210 215 220 Gly Asn Val Asp Ala Ala Trp Met Ala Arg Val Lys Glu Val Val Asp 225 230 235 240 Met Val Leu Asp Ala Gly Cys Tyr Ala Ile Val Asn Ala Gln His Asp 245 250 255 Thr Gly Ala Ala Glu Thr Ala Trp Leu Ile Ala Asp Met Asp Val Tyr 260 265 270 Pro Thr Ala Ser Pro Arg Phe Lys Lys Leu Trp Thr Gln Ile Ala Thr 275 280 285 Thr Phe Arg Asp Tyr Gly Asp His Leu Leu Phe Glu Ala Phe Asn Glu 290 295 300 Ile Leu Ala Val Asn Asn Asn Asn Gly Trp Thr Ala Pro Pro Ala Gly 305 310 315 320 Ser Thr Ser Tyr Glu Ala Ile Arg Arg Tyr His Gln Asp Phe Val Asp 325 330 335 Ala Val Arg Ala Thr Gly Gly Asn Asn Glu Phe Arg Asn Leu Val Ile 340 345 350 Asn Pro Tyr Ala Gly Gly Asn Ser Gln Val Val Leu Asn Glu Met Ala 355 360 365 Val Pro Asn Asp Lys His Ser Asn His Ile Leu Met Ser Val His Ser 370 375 380 Tyr Asp Pro Tyr Asn Phe Cys Asn Asp Asn Gly Glu Trp Ser Ile Leu 385 390 395 400 Val Phe Asn Gln Glu Cys Lys Asp Glu Ile Asp Ala Val Phe Asn Arg 405 410 415 Val Ile Ser Arg Ala Gly Asp Leu Gly Val Pro Ala Phe Phe Gly Glu 420 425 430 Phe Gly Ala Ile Asp Gly Lys Lys Asp Pro Ala Glu Arg Ile Lys Tyr 435 440 445 Ala Ser Tyr Met Arg Gln Lys Phe Gln Gln Tyr Ala Thr Ala Gly Leu 450 455 460 Trp Trp Met Gly Leu Ile Asp Arg Ala Thr Leu Gln Trp Asn Glu Gln 465 470 475 480 Glu Ile Val Asp Ala Leu Phe Glu 485

Claims

서열번호 1로 표시되는 염기서열로 이루어진, 흑염소 반추위 미생물 유래의 섬유소분해효소 cel5-KG71 유전자.
제1항에 따른 유전자로부터 인코딩되며, 서열번호 2로 표시되는 아미노산 서열로 이루어진, 흑염소 반추위 미생물 유래의 섬유소분해효소 상과(cellulase superfamily) 도메인 계열 섬유소분해효소 단백질.
제1항에 따른 유전자를 포함하는 재조합 벡터.
제3항에 따른 재조합 벡터로 형질전환된 숙주세포.
제2항에 따른 섬유소분해효소 단백질을 포함하는 섬유소 분해 증진용 사료 첨가제.
제2항에 따른 섬유소분해효소 단백질을 포함하는 세제 조성물.
바이오매스 물질에 제2항에 따른 섬유소분해효소 단백질을 첨가하여 가수분해시키는 단계를 포함하는 바이오연료의 제조방법.