KR101550389B1 - Method for Screening of Useful Enzymes from Metagenome Using Forced Transcription - Google Patents

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Abstract

본 발명은 메타게놈 라이브러리로부터 고효율로 유용효소를 탐색하는 방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 메타게놈 유래 유전자를 양방향 프로모터를 채용한 강제전사 시스템을 이용하여 외래 유전자의 발현을 강제적으로 증가시키고, 전사조절단백질을 기반으로 하는 재설계 유전자회로와 함께 연계하여 사용하는 것을 특징으로 하는 고효율로 유용효소를 탐색하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 기존에 발현효율이 낮아서 목적 유전자의 활성을 직접 탐색하는데 많은 어려움이 있었던 메타게놈 유래 외래 유전자를 양방향 프로모터를 채용한 강제전사 시스템을 이용하여 외래 유전자의 발현을 강제적으로 증가시키고, 전사조절단백질을 기반으로 하는 재설계 유전자회로와 함께 연계하여 사용함으로써, 목적 효소에 의하여 생성된 극미량의 반응산물 조차도 형광 및 항생제 저항성 등 리포터 단백질의 발현을 통하여 감지할 수 있어, 고효율로 목적 유전자의 선별 및 목적 유전자 활성의 정량측정이 가능하다.
The present invention relates to a method for searching for a useful enzyme from a meta genome library with high efficiency, and more particularly, to a method for forcibly increasing the expression of a foreign gene by using a forced transcription system employing a bi-directional promoter, And more particularly to a method for searching for useful enzymes with high efficiency, which is characterized by being used in conjunction with protein-based redesign gene circuits.
According to the present invention, it is possible to forcibly increase the expression of a foreign gene by using a forced transcription system employing a bi-directional promoter and a metagenome-derived foreign gene, which has a difficulty in directly searching for the activity of a target gene, By using it in conjunction with a redesigned gene circuit based on a transcriptional regulatory protein, even a trace amount of the reaction product produced by the target enzyme can be detected through the expression of a reporter protein such as fluorescence and antibiotic resistance, Screening and quantification of target gene activity is possible.

Description

강제전사를 통한 메타게놈 유래 유용효소의 고효율 탐색방법{Method for Screening of Useful Enzymes from Metagenome Using Forced Transcription}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a method for screening of useful enzymes derived from a metagenome,

본 발명은 메타게놈 라이브러리로부터 고효율로 유용효소를 탐색하는 방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 양방향 프로모터를 채용한 강제전사 시스템을 이용하여 메타게놈 유래 유전자의 발현을 강제적으로 증가시키고, 이로 인하여 나타나는 메타게놈 유래 신규 효소 활성을 인공 유전자회로 이용 고감도 탐색시스템을 함께 적용함으로써 메타게놈 유래 유용효소의 탐색 효율을 현저히 증가시키는 새로운 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for searching for a useful enzyme from a meta genome library with high efficiency, and more particularly, to a method for forcibly increasing the expression of a metagenome-derived gene by using a forced transcription system employing a bidirectional promoter, And a new method for significantly increasing the search efficiency of the metagenome-derived useful enzyme by applying a novel enzyme activity derived from the same to a high-sensitivity searching system using an artificial gene circuit.

메타게놈(metagenome)은 Handelsman 등에 의해 "특정 자연환경에 존재하는 모든 미생물의 유전체 집합"으로 정의되고 있다(Handelsman et al., Chem . Biol . 5: R245, 1998). 그러나, 최근에는 환경시료로부터 추출한 유전체 또는 유전자를 포함하는 클론을 총칭하는 용어이며, 이러한 메타게놈과 관련된 일련의 연구를 메타게노믹스라고 부르기도 한다. 메타게놈 연구는 난배양성 또는 배양 불가능 미생물을 활용하기 위한 목적에 잘 부합하는 것으로 배양에 의한 순수분리가 불가능하다면 특정 환경내의 모든 DNA를 추출함으로써 분자생물학적으로 접근하고자 하는 방법이라 할 수 있다.The metagenome is defined by Handelsman et al. As "a genomic set of all microorganisms present in a particular natural environment" (Handelsman et al ., Chem . Biol . 5: R245, 1998). However, in recent years, it has been collectively referred to as a genome extracted from an environmental sample or a clone containing a gene, and a series of studies related to the metagenome is also called metagenomics. The metagenomic study is well suited for the purpose of utilizing microorganisms that are free or incapable of culturing, and if pure isolation by culture is not possible, it is a method of approaching molecular biology by extracting all DNA in a specific environment.

최근에는 미생물 유전체 정보분석외에도 메타게놈에서 신규 바이오 촉매를 탐색하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 메타게놈 및 미생물유전체 등 다양한 유전자원에서 새로운 효소유전자를 획득하는 방법으로는 DNA염기서열을 파악하여 PCR반응을 수행하고, 증폭된 유전자를 획득하는 시퀀스기반 탐색기술(sequence-based screening)과 활성기반 탐색기술(function-based screening)이 있다. 시퀀스기반 탐색기술은 유전체정보가 급증함에 따라서 활용성이 나날이 높아지고 있고, 원하는 유전자만 특이적으로 선별해 낼 수 있는 장점이 있지만, 목적 유전자의 염기서열에 대한 정확한 정보를 알고 있는 경우에만 사용이 가능하므로, 적용할 수 있는 대상이 유전자원의 일부로 국한되는 단점이 있다. In recent years, besides analyzing microbial genome information, researches are being actively conducted to search for a new biocatalyst in the metagenome. Methods for acquiring new enzyme genes from various genetic resources such as meta-genomes and microbial genomes include sequence-based screening to obtain amplified genes, There is a function-based screening. Sequence-based search technology is becoming more and more useful as genomic information increases, and it is advantageous to specifically select only the desired gene, but it can be used only when the exact information about the sequence of the target gene is known Therefore, there is a disadvantage that applicable objects are limited to a part of genetic resources.

활성기반 탐색기술은 효소의 실제적 활성에 근거하기 때문에 목적기능의 유전자를 명확하게 선별해 내는 장점이 있으나 숙주세포에서 외래 유전자의 전사나 해독, 발현이 낮거나 단백질 접힘, 분비 등의 문제가 있는 경우에는 단백질이 제대로 발현되지 않거나 발현율이 낮아지게 되어 목적 유전자를 선별하기가 어렵다. 실제로 신규 미생물유전체, 메타게놈 등 유전적 다양성이 높고, 유전자특성이 알려지지 않은 유전자원으로부터 유래하는 신규효소의 경우, 재조합 미생물에서의 발현수준이 매우 낮으므로 활성기반 탐색기술을 적용하기에 제약이 따르기도 한다.The activity-based search technique is based on the actual activity of the enzyme, so it has the advantage of clearly selecting the gene of the objective function. However, when the host cell has low transcription, translation, expression, protein folding and secretion It is difficult to select the target gene because the protein is not expressed properly or the expression rate is lowered. Indeed, new enzymes derived from genetic resources with high genetic diversity, such as new microbial genomes and metagenomes and unknown genetic characteristics, have a very low expression level in recombinant microorganisms, Also.

다양한 외래유전자의 효소활성을 측정하기 위하여 전사조절 단백질을 이용한 유전자회로 개발에 대한 관심이 집중되고 있는데, 숙주 미생물에 다른 미생물 유래의 전사조절인자를 도입하여 외래유전자의 효소활성을 재조합 미생물에서 감지하는 방법이다. 예를 들어, P. putida 유래의 변이된 전사조절단백질(NahR)을 이용하여 외래 XylC (benzaldehyde dehydrogenase)의 효소작용에 의하여 benzaldehyde로부터 benzoate가 만들어지면, 숙주 미생물인 대장균 내에서 lacZα 또는 테트라사이클린 저항성 유전자의 발현을 활성화하게 하는 유전자회로가 개발된 바 있다(Witholt et al., PNAS 103: 1693, 2006). 또한, P. putida 유래의 변이된 전사조절단백질 (XylR)을 이용하여 dehydrochlorinase가 hexachlorohaxane(HCH 또는 lindane)에 작용하여 trichlorobenzene(TCB)를 만들게 되면, 대장균 내에서 lacZ의 발현을 활성화하는 새로운 효소활성의 탐색기술도 보고되었다 (Mohn et al ., Environ . Microbiol. 8: 546, 2006).In order to measure the enzymatic activity of various foreign genes, attention has been focused on the development of gene circuits using transcription regulatory proteins. The transcription factors derived from other microorganisms are introduced into the host microorganism and the enzyme activity of the foreign gene is detected in the recombinant microorganism Method. For example, when benzoate is produced from benzaldehyde by the enzymatic action of exogenous XylC (benzaldehyde dehydrogenase) using a mutated transcriptional regulatory protein (NahR) derived from P. putida , lacZα or tetracycline resistance gene (Witholt et al. , PNAS 103: 1693, 2006) have been developed. In addition, when trichlorobenzene (TCB) is produced by acting dehydrochlorinase on hexachlorohaxane (HCH or lindane) using a mutated transcription regulatory protein (XylR) derived from P. putida , a novel enzyme activity that activates lacZ expression in E. coli Search techniques have also been reported (Mohn et al ., Environ . Microbiol. 8: 546, 2006).

하지만, 이러한 기술들은 기질-산물 및 전사조절단백질의 특이성이 명시된 소수의 특이적 효소활성에 대한 탐색기술에 그치고 있으며 다양한 효소활성에 적용할 수 있는 보편적 시스템이 될 수 없는 제약이 따른다. 즉 특정한 효소 활성이 필요한 경우, 그 반응의 산물에 맞는 전사조절단백질이 확보되어야 하는 제한점이 있다. However, these techniques are limited to search techniques for a few specific enzyme activities that specify the specificity of substrate-products and transcriptional regulatory proteins, and are not universal systems that can be applied to various enzymatic activities. That is, when a particular enzyme activity is required, there is a limitation that a transcriptional regulatory protein suitable for the product of the reaction must be secured.

또 다른 신규 효소의 탐색기술로는 2005년에 Watanabe 연구 그룹이 보고한 SIGEX(substrate-induced gene expression screening)기술이 있다(Watanabe et al., Nature Biotech. 23:88, 2005). 이 방법은 FACS를 분석에 이용할 수 있기 때문에 대량의 시료를 단시간에 처리할 수 있는 장점이 있지만, 20 ~ 30 kb의 큰 유전자를 포함하는 메타게놈 라이브러리에서는 적용하기 어렵고, 라이브러리의 유전자 방향에 따라 리포터 단백질의 활성반응이 나타나지 않을 수도 있어 한계를 지니고 있다(Ryu & Yun. Microb . Cell Factories, 4: 8, 2005). Another novel enzyme search technique is the substrate-induced gene expression screening (SIGEX) technology reported by the Watanabe research group in 2005 (Watanabe et al. , Nature Biotech . 23: 88, 2005). Although this method has the advantage of being able to process a large amount of samples in a short time because FACS can be used for analysis, it is difficult to apply to a meta genome library containing a large gene of 20 to 30 kb, The active reaction of the protein may not be present and thus it has limitations (Ryu & Yun. Microb . Cell Factories , 4: 8, 2005).

본 발명자들은 페놀류 화합물을 감지하는 전사조절단백질을 이용한 재설계 유전자회로를 개발하여 보고한 바 있는데(대한민국 특허출원 10-2010-0054100), 알파-글루코시다제, 베타-글루코시다제, 셀룰라제, 글리코실세라미다제, 프소파타제, 피타제, 에스터라제, 리파제, 유레타나제, 아미다제, 펩티다제, 프로테이나제, 옥시도리덕타제, 페놀-리아제, 디할로게나제, 이소머라제, 모노옥시지나제 및 디옥시지나제 등 브렌다 데이터베이스(www.brenda-enzymes.info)에 등록된 효소 종들 중 약 5%에 달하는 2,000종의 효소들의 반응에서 페놀 화합물이 유리된다는 점에서 착안한 것이다. 이러한 효소들의 반응에서 유리된 다양한 페놀 방출 화합물이 기질로 사용되어 형광 및 항생제 저항성 등의 리포터 단백질의 발현이 유도되는 재설계 유전자회로로써, 이를 이용하여 효소의 활성을 정량적으로 측정하고 메타게놈유래의 유전자활성을 고속 탐색할 수 있음을 증명하였다.The present inventors have developed and reported a redesign gene circuit using a transcriptional regulatory protein that senses a phenol compound (Korean Patent Application No. 10-2010-0054100), and has found that alpha-glucosidase, beta-glucosidase, cellulase, But are not limited to, glycoconjugate, glicosylceramidase, pisopatase, phytase, estrelase, lipase, uretase, amidase, peptidase, proteinase, oxydorodicta, phenol- In view of the fact that the phenolic compounds are liberated from the reaction of 2,000 enzymes, which account for about 5% of the enzyme species registered in the Brenda database ( www.brenda-enzymes.info ), including monooxygenase and deoxygenase , will be. A variety of phenol-releasing compounds liberated from the reaction of these enzymes are used as substrates and re-designed gene circuits in which the expression of reporter proteins such as fluorescence and antibiotic resistance are induced. By using this gene circuit, it is possible to quantitatively measure the activity of enzymes, And proved that gene activity can be detected at high speed.

따라서 본 발명에서는 메타게놈 재조합 호스트에서 극미량만 발현되는 타깃유전자에 강제전사기술을 적용하여 발현수준을 획기적으로 향상시키고, 발현된 효소활성을 합성생물학적 재설계 유전자회로를 이용하여 고감도로 감지 및 분리하는 새로운 기술을 개발하고자 하였다 (도 1).Therefore, in the present invention, the expression level is dramatically improved by applying a forced transcription technique to a target gene expressed only in a trace amount in a metagenomic recombination host, and the expressed enzyme activity is detected and separated with high sensitivity using a synthetic biological redesign gene circuit And developed a new technology (Fig. 1).

이에 본 발명자들은 박테리아 유래의 트랜스포사제(transposase)를 이용하여 메타게놈 라이브러리에 고발현 T7 프로모터가 양방향으로 장착된 강제전사 시스템을 무작위로 삽입하여 강제적으로 목적 유전자의 발현량을 증가시키고, 아울러 전사조절단백질을 기반으로 하는 재설계 유전자회로와 함께 연계하여 사용하는 경우, 목적 유전자가 코딩하는 효소로부터 생성된 극미량의 반응 산물을 확인하는 것이 가능하고, 형광 및 항생제 저항성 등 리포터 단백질의 발현을 통하여 목적 유전자의 선별을 용이하게 할 뿐 아니라 목적 유전자 활성을 정량적 측정할 수 있다는 것을 확인하고 본 발명을 완성하게 되었다.
Therefore, the present inventors have intensively inserted a forced transcription system in which a high-expression T7 promoter is bi-directionally inserted into a metagenomic library by using a transposase derived from bacteria, thereby forcibly increasing the expression amount of a target gene, When used in conjunction with a redesigned gene circuit based on a regulatory protein, it is possible to identify a trace amount of the reaction product produced from the enzyme encoded by the gene of interest, and the expression of the reporter protein, such as fluorescence and antibiotic resistance, It has been confirmed that not only gene selection can be facilitated but also target gene activity can be quantitatively measured, thereby completing the present invention.

본 발명의 목적은 특정 자연환경에 존재하는 모든 미생물의 유전체 집합인 메타게놈 라이브러리에서 극미량의 효소반응도 증폭하여 확인할 수 있는 유용효소의 효율적 탐색방법을 제공하는데 있다.
It is an object of the present invention to provide an efficient method for searching for a useful enzyme which can be confirmed by amplifying an extremely small amount of enzyme reaction in a meta genome library which is a genome set of all microorganisms existing in a specific natural environment.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (a) 탐색하고자 하는 효소를 코딩하는 유전자를 포함하는 메타게놈 라이브러리 유전자에 트랜스포사제(transposase) 인식부위(Mosaic End, ME), 프로모터, 항생제 저항성 유전자, 역방향 프로모터 및 역방향 트랜스포사제 인식부위 서열을 포함하는 트랜스포손과 트랜스포사제를 반응시켜 상기 트랜스포손이 무작위로 삽입된 메타게놈 라이브러리를 제작하는 단계; (b) (a) 단계의 프로모터 및 역방향 프로모터의 발현을 활성화 시킬 수 있는 RNA 중합효소(polymerase)가 삽입된 숙주미생물에 상기 메타게놈 라이브러리를 도입하여 재조합 미생물 라이브러리를 제작하는 단계; (c) (i) 페놀계 화합물을 인지하는 조절단백질을 코딩하는 유전자, (ii) 형광단백질을 코딩하는 유전자 및 항생제 저항성 유전자로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 리포터 유전자, 및 (iii) 상기 페놀계 화합물을 인지하는 조절 단백질의 발현을 유도하는 프로모터(promotor), 상기 페놀계 화합물을 인지하는 조절 단백질이 결합하여 하류의 리포터 유전자의 발현을 조절하는 조절부위(operator) 및 상기 조절부위와 연동하여 리포터 유전자의 발현을 유도하는 프로모터(promotor)로 구성된 유전자 발현 조절부위를 포함하는 페놀계 화합물 감지용 재설계 유전자회로를 상기 (b)단계의 메타게놈 라이브러리에 도입하는 단계; (d) 목적효소 탐색시 상기 프로모터가 작동할 수 있도록 재조합 미생물 라이브러리에 유도물질(inducer)을 처리하여 배양하는 단계; (e) 상기 배양된 재조합 미생물 라이브러리를 효소반응에 의해 페놀계 화합물을 유리할 수 있는 페놀 방출 화합물로 처리하는 단계; (f) 효소반응에 의해 유리된 페놀계 화합물을 감지하여 발현이 유도된 리포터 단백질의 활성을 측정하여, 효소반응에 의해 페놀계 화합물을 유리할 수 있는 활성을 보유한 미생물을 고속 탐색하는 단계; 및 (g) 상기 탐색된 미생물로부터 효소반응에 의해 페놀계 화합물을 유리할 수 있는 효소의 유전자를 회수한 다음, 서열분석에 의해 동정하는 단계를 포함하는 강제전사시스템 및 재설계 유전자회로를 이용한 메타게놈 라이브러리로부터 목적효소를 탐색하는 방법을 제공한다.
(A) a transposase recognition site (Mosaic End, ME), a promoter, an antibiotic resistance gene, a promoter, an antibiotic resistance gene, and a transposase recognition site are inserted into a metagenomic library gene including a gene encoding an enzyme to be searched, Preparing a metagenomic library in which the transposon is randomly inserted by reacting a transposon comprising a reverse promoter and a reverse transposable recognition site sequence with a transposase agent; (b) preparing a recombinant microorganism library by introducing the metagenome library into a host microorganism into which an RNA polymerase capable of promoting the expression of the promoter and the reverse promoter of step (a) is inserted; (c) at least one reporter gene selected from the group consisting of (i) a gene encoding a regulatory protein that recognizes a phenolic compound, (ii) a gene encoding a fluorescent protein, and an antibiotic resistance gene, and (iii) A regulatory protein that recognizes the phenolic compound and binds to the regulator to regulate the expression of downstream reporter gene; and a reporter gene that is operatively associated with the regulatory region, Introducing into the meta genome library of step (b) a genetic circuit for the detection of a phenolic compound, which comprises a gene expression regulatory region composed of a promoter inducing expression of the gene; (d) a step of culturing the recombinant microorganism library by treating the inducer with an inducer so that the promoter can operate during enzyme search; (e) treating the cultured recombinant microorganism library with a phenol-releasing compound which may be advantageous to the phenolic compound by an enzymatic reaction; (f) detecting the phenol-based compound liberated by the enzyme reaction, measuring the activity of the expression-induced reporter protein, and then searching the microorganism having an activity capable of favoring the phenolic compound by an enzyme reaction at a high speed; And (g) recovering the gene of the enzyme capable of favoring the phenolic compound by the enzyme reaction from the searched microorganism, and then identifying the gene by sequence analysis. A method for searching for a target enzyme from a library is provided.

본 발명에 따르면, 기존에 발현효율이 낮아서 목적 유전자의 활성을 직접 탐색하는데 많은 어려움이 있었던 메타게놈 유래 외래 유전자를 양방향 프로모터를 채용한 강제전사 시스템을 이용하여 외래 유전자의 발현을 강제적으로 증가시키고, 전사조절단백질을 기반으로 하는 재설계 유전자회로와 함께 연계하여 사용함으로써, 목적 효소에 의하여 생성된 을 기반으반응산물 조차 재형광 및 항생제 저항성 등 리포터 단백질의 발현을 통하여 감지할 수 있어, 고효율로 목적 유전자의 선별 및 목적 유전자 활성의 정량측정이 가능하다.
According to the present invention, it is possible to forcibly increase the expression of a foreign gene by using a forced transcription system employing a bi-directional promoter and a metagenome-derived foreign gene, which has a difficulty in directly searching for the activity of a target gene, By using it in conjunction with a redesigned gene circuit based on a transcriptional regulatory protein, even the reaction products based on the target enzyme can be detected through the expression of reporter proteins such as reperfusion and antibiotic resistance, Selection of genes and quantitative measurement of target gene activity is possible.

도 1은 메타게놈 라이브러리에 강제전사기술을 도입하여 발현수준을 향상시키고, 발현된 효소활성을 합성생물학적 재설계 유전자회로를 이용하여 초고감도로 감지 및 분리하는 있는 전체적인 모식도이다.
도 2는 Tn5 트랜스포사제(transposase) 인식부위(Mosaic End, ME), T7 프로모터(T7 P), 카나마이신 저항성 유전자(KmR), 역방향 T7 프로모터, 역방향 Tn5 트랜스포사제 인식부위를 포함하는 트랜스포손(transposon)를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 재설계 유전자회로에 따른 GESS 벡터(pGESS)를 개략적으로 나타낸 것이고, 그 중 유전자 발현 조절 부위를 확대하여 그 구조를 나타낸 것이다(TRF: 전사조절인자(transcriptional regulation factor)로써, 본 발명에 따른 페놀계 화합물 분해효소 조절 단백질을 의미하는 것; OpR: 상기 TRF인 페놀계 화합물 분해효소 조절 단백질 결합하여 하류의 리포터 유전자 발현을 유도하는 부위, Px: 상기 페놀계 화합물 분해효소 조절단백질의 발현을 조절하는 프로모터; PR은 리포터의 발현을 조절하는 프로모터).
도 4는 트랜스포손이 삽입된 토양유래 메타게놈 라이브러리와 트랜스포손이 삽입되지 않은 라이브러리를 대상으로 1% TBN plate에서 리파아제의 활성을 지니는 클론을 선별 및 비교함으로써 강제전사의 효과를 검증한 결과이다. (가)는 라이브러리 탐색을 진행하면서 선별되는 히트의 개수를 비교한 그림이고, (나)는 강제전사의 도입으로 인하여 4일째에 히트의 선별 효율이 극적으로 증가되는 것을 보여주는 그림이다. (다)는 두 개의 라이브러리에서 활성이 가장 강했던 클론의 투명환 활성을 비교한 그림으로, 왼쪽은 강제전사의 도입으로 히트의 활성이 증가된 것을 보여주고 있으며, 오른쪽은 트랜스포손이 삽입된 히트(중앙의 히트)의 활성을 다시 검증한 그림이다.
도 5는 티로신 turbid plate에서 티로신페놀리아제를 탐색함으로써 강제전사의 효과를 확인한 그림이다. (가)는 티로신 turbid plate에 강제전사가 도입된 씨트로 박터 프레운디(Citrobacter freundii) 라이브러리 혹은 미도입 라이브러리를 도말하여 투명환 발생을 통하여 효소활성을 탐색한 것이, (나) 1차로 선별된 히트를 다시 티로신 turbid plate에 면선접종(streaking)함으로써 티로신페놀리아제의 활성을 2차로 확인한 것이다.
도 6은 유전자조작을 통하여 재설계 유전자회로를 구축한 모식도로, (가)는 EGFP를 리포터로 하는 유전자회로(pGESS-EGFP)의 모식도이고, (나)는 GFPUV를 리포터로 하는 유전자회로(pGESS-GFPUV)의 모식도이다.
도 7은 강제전사 시스템과 재설계 유전자회로의 탐색시스템을 연계함으로써 라이브러리의 탐색효과가 향상되었음을 보여주는 결과로서, (가)는 재설계 유전자회로 탐색시스템에 강제전사를 도입함으로써 강제전사를 미도입한 라이브러리에 비해 더욱 많은 히트들을 신속하게 선별하고 있음을 보여주는 결과이고, (나)는 강제전사 도입으로 인하여 활성이 증가된 히트들이 재설계 유전자회로를 통하여 민감하게 탐색되고 있으며 강제전사의 도입으로 인하여 형광의 세기(즉, 효소활성)이 증가된 것을 보여주는 결과이다.
FIG. 1 is a schematic diagram showing a method for enhancing the expression level by introducing a forced transcription technology into a meta genome library, and detecting and separating the expressed enzyme activity with an ultra-high sensitivity using a synthetic biological redesign gene circuit.
FIG. 2 shows a transposon comprising a Tn5 transposase recognition site (Mosaic End, ME), a T7 promoter (T7 P), a kanamycin resistance gene (Km R ), an inverted T7 promoter and a reverse Tn5 transposin recognition site (transposon).
FIG. 3 is a schematic representation of a GESS vector (pGESS) according to the redesigned gene circuit according to the present invention, wherein the gene expression regulatory region is enlarged to show its structure (TRF: transcriptional regulation factor , A phenolic compound decomposing enzyme-regulating protein according to the present invention, OpR: a site which induces reporter gene expression downstream of binding of a phenolic compound-decomposing enzyme regulatory protein which is TRF, P x : A promoter that regulates the expression of the regulatory protein; and P R is a promoter that controls the expression of the reporter).
FIG. 4 is a graph showing the results of a forced transcription test by selecting and comparing clones having a lipase activity on a 1% TBN plate in a soil-derived metagenomic library and a transposon-inserted library in which transposon was inserted. (A) is a figure comparing the number of selected hits while searching the library, and (b) is a figure showing dramatically increasing the sorting efficiency of hits on the fourth day due to the introduction of forced transfer. (C) is a comparison of the transparency activity of the clones which had the strongest activity in the two libraries. On the left, the activity of the heat was increased by the introduction of the forced transcription. On the right side, the transposon- Center hit) is again validated.
FIG. 5 is a graph showing the effect of forced transcription by searching for tyrosine phenolase in a tyrosine turbid plate. (A) is to transfer the force is introduced into the tyrosine turbid plate seat frame bakteo undi (C itrobacter the freundii) library or to navigate the enzymatic activity through a clear zone resulting from the plated US introduced library, (b) 1 myeonseon of tyrosine phenol-lyase activity by inoculating (streaking) for the selected heat drive back to the tyrosine turbid plate 2 drive It is confirmed.
Figure 6 is a conceptual view of building a redesigned gene circuit through the genetic modification, (a) is a schematic diagram of the gene circuit (pGESS-EGFP) of the EGFP by the reporter, (b) is a gene circuit for the GFP UV with a reporter ( pGESS-GFP UV ).
Fig. 7 shows the result of improving the searching effect of the library by associating the forced transfer system with the redesigned gene circuit search system. Fig. 7 (a) shows a case where the forced transfer is introduced by introducing the forced transfer to the redesigned gene circuit search system (B) shows that hits with increased activity due to the introduction of forced transcription are searched sensitively through the redesign gene circuit, and due to the introduction of forced transcription, (I.e., enzyme activity) was increased.

달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법 및 이하에 기술하는 실험 방법은 본 기술분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.Unless defined otherwise, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. In general, the nomenclature used herein and the experimental methods described below are well known and commonly used in the art.

본 발명에서 메타게놈(metagenome)은 Handelsman 등에 의해 "특정 자연환경에 존재하는 모든 미생물의 유전체 집합"으로 정의되고 있다(Handelsman et al., (1998) Chem . Biol . 5: R245-R249). 그러나, 최근에는 환경시료로부터 추출한 유전체 또는 유전자를 포함하는 클론을 총칭하는 용어이며, 이러한 메타게놈과 관련된 일련의 연구를 메타게노믹스라고 부르기도 한다. 관련 연구로는, Venter 등(Venter et al., Science 304: 66, 2004)은 미국 에너지성(DOE)의 지원을 통해 생태계 시퀀싱(ecosystem sequencing)이라는 새로운 개념의 연구를 시작하여 버뮤다 해역으로부터 채취한 해수시료로부터 제작한 메타게놈 라이브러리에 샷건 시퀀싱(whole-genome shotgun sequencing)을 적용하여 약 10억개의 염기서열을 결정하였다. 염기서열 분석을 통해 채취한 해수시료에는 이전에 알려지지 않은 148개의 phylotype 세균을 포함하여 최소 1800종의 미생물 게놈(genomic species)이 복합되어 있었고 120만개 이상의 새로운 유전자가 발견되었다. 메타게놈 연구는 난배양성 또는 배양 불가능 미생물을 활용하기 위한 목적에 잘 부합하는 것으로 배양에 의한 순수분리가 불가능하다면 특정 환경내의 모든 DNA를 추출함으로써 분자생물학적으로 접근하고자 하는 방법이라 할 수 있다.In the present invention, the metagenome is defined by Handelsman et al. As "a genome set of all microorganisms present in a specific natural environment" (Handelsman et al ., (1998) Chem . Biol . 5: R245-R249). However, in recent years, it has been collectively referred to as a genome extracted from an environmental sample or a clone containing a gene, and a series of studies related to the metagenome is also called metagenomics. In a related study, Venter et al . (Venter et al ., Science 304: 66, 2004) initiated a new concept called ecosystem sequencing through the support of the US Department of Energy (DOE) Approximately one billion nucleotide sequences were determined by applying whole-genome shotgun sequencing to the metagenomic library constructed from sea water samples. The seawater samples obtained from the sequencing analysis contained at least 1800 genomic species including 148 previously unknown phylotype bacteria and over 1.2 million new genes were found. The metagenomic study is well suited for the purpose of utilizing microorganisms that are free or incapable of culturing, and if pure isolation by culture is not possible, it is a method of approaching molecular biology by extracting all DNA in a specific environment.

이러한 환경 유래 메타게놈 라이브러리는 토양 유래, 또는 해수 유래 등의 다양한 환경 유래의 유전자 집단으로, 공지된 여하한 방법에 의해 제작될 수 있다. Such meta-genomic libraries derived from the environment can be produced by any known method as a population of genes derived from various environments such as soil-derived or seawater-derived.

본 발명에서, 메타게놈 라이브러리는 자연 또는 특정 지역(온천, 농장, 퇴비, 유류오염토양)에 있는 미생물 군집을 채취하고 유전체를 직접 추출하여 벡터에 도입시킴으로써 이루어진다. 벡터는 사용자의 목적에 따라 플라스미드, 포스미드(fosmid), 코스미드(cosmid), BAC(bacterial artificial chromosome), YAC(yeast artificial chromosome) 등이 사용될 수 있다. 플라스미드의 경우 발현정도 및 벡터구성을 사용자의 의도대로 구성이 가능하므로 발현을 최적화시킬 수 있는 장점이 있으나, 작은 크기(10 kb미만)의 유전자가 도입되므로 오페론단위의 유전자 회수는 불가한 단점이 있다. 37∼52 kb 크기의 유전자의 도입은 포스미드(fosmid)벡터나 코스미드(cosmid)벡터 등을 사용할 수 있다. 특히, 포스미드벡터는 형질전환 효율이 높아 자주 사용되고 있다. BAC은 큰 크기(150∼350 kb)의 유전자도입이 가능하여 인간게놈프로젝트 및 쥐와 벼의 게놈분석 등에 이용되고 있다. In the present invention, the metagenomic library is obtained by collecting a microorganism community in a natural or specific area (hot spring, farm, compost, oil contaminated soil), directly extracting the dielectric and introducing it into the vector. The vector may be a plasmid, a fosmid, a cosmid, a bacterial artificial chromosome (BAC), a yeast artificial chromosome (YAC) or the like depending on the purpose of the user. In the case of the plasmid, the expression level and the vector configuration can be optimized according to the user's intention, so that the expression can be optimized. However, since the gene having a small size (less than 10 kb) is introduced, it is impossible to recover the gene of the operon unit . For the introduction of the gene of 37-52 kb in size, a fosmid vector or a cosmid vector can be used. In particular, phosmid vectors are frequently used because of their high transformation efficiency. BAC is capable of large size (150 ~ 350 kb) gene introduction and is used for human genome project and genome analysis of mouse and rice.

본 발명은 (a) 탐색하고자 하는 효소를 코딩하는 유전자를 포함하는 메타게놈 라이브러리 유전자에 트랜스포사제(transposase) 인식부위(Mosaic End, ME), 프로모터, 항생제 저항성 유전자, 역방향 프로모터 및 역방향 트랜스포사제 인식부위 서열을 포함하는 트랜스포손과 트랜스포사제를 반응시켜 상기 트랜스포손이 무작위로 삽입된 메타게놈 라이브러리를 제작하는 단계; (b) (a)단계의 프로모터 및 역방향프로모터의 발현을 활성화 시킬 수 있는 RNA 중합효소(polymerase)가 삽입된 숙주미생물에 상기 메타게놈 라이브러리를 도입하여 재조합 미생물 라이브러리를 제작하는 단계; (c) (i) 페놀계 화합물을 인지하는 조절단백질을 코딩하는 유전자, (ii) 형광단백질을 코딩하는 유전자 및 항생제 저항성 유전자로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 리포터 유전자, 및 (iii) 상기 페놀계 화합물을 인지하는 조절 단백질의 발현을 유도하는 프로모터(promotor), 상기 페놀계 화합물을 인지하는 조절 단백질이 결합하여 하류의 리포터 유전자의 발현을 조절하는 조절부위(operator) 및 상기 조절부위와 연동하여 리포터 유전자의 발현을 유도하는 프로모터(promotor)로 구성된 유전자 발현 조절부위를 포함하는 페놀계 화합물 감지용 재설계 유전자회로를 상기 (d)단계의 메타게놈 라이브러리에 도입하는 단계; (d) 목적효소 탐색시 상기 프로모터가 작동할 수 있도록 재조합 미생물 라이브러리에 유도물질(inducer)을 처리하여 배양하는 단계; (e) 상기 배양된 재조합 미생물 라이브러리를 효소반응에 의해 페놀계 화합물을 유리할 수 있는 페놀 방출 화합물로 처리하는 단계; (f) 효소반응에 의해 유리된 페놀계 화합물을 감지하여 발현이 유도된 리포터 단백질의 활성을 측정하여, 효소반응에 의해 페놀계 화합물을 유리할 수 있는 활성을 보유한 미생물을 고속 탐색하는 단계; 및 (g) 상기 탐색된 미생물로부터 효소반응에 의해 페놀계 화합물을 유리할 수 있는 효소의 유전자를 회수한 다음, 서열분석에 의해 동정하는 단계를 포함하는 강제전사시스템 및 재설계 유전자회로를 이용한 메타게놈 라이브러리로부터 목적효소를 탐색하는 방법에 관한 것이다.(A) a transposase recognition site (Mosaic End, ME), a promoter, an antibiotic resistance gene, an inverse promoter and an inverse transposon gene in a metagenomic library gene containing a gene encoding the enzyme to be sought, Reacting a transposon comprising a recognition site sequence with a transposon to prepare a metagenome library in which the transposon is randomly inserted; (b) preparing a recombinant microorganism library by introducing the metagenome library into a host microorganism into which an RNA polymerase capable of promoting the expression of the promoter and the reverse promoter of step (a) is inserted; (c) at least one reporter gene selected from the group consisting of (i) a gene encoding a regulatory protein that recognizes a phenolic compound, (ii) a gene encoding a fluorescent protein, and an antibiotic resistance gene, and (iii) A regulatory protein that recognizes the phenolic compound and binds to the regulator to regulate the expression of downstream reporter gene; and a reporter gene that is operatively associated with the regulatory region, (D) introducing a genetic circuit for detecting a phenolic compound into a metagenome library of step (d), wherein the genetic circuit comprises a gene expression regulatory region comprising a promoter for inducing expression of the phenolic compound; (d) a step of culturing the recombinant microorganism library by treating the inducer with an inducer so that the promoter can operate during enzyme search; (e) treating the cultured recombinant microorganism library with a phenol-releasing compound which may be advantageous to the phenolic compound by an enzymatic reaction; (f) detecting the phenol-based compound liberated by the enzyme reaction, measuring the activity of the expression-induced reporter protein, and then searching the microorganism having an activity capable of favoring the phenolic compound by an enzyme reaction at a high speed; And (g) recovering the gene of the enzyme capable of favoring the phenolic compound by the enzyme reaction from the searched microorganism, and then identifying the gene by sequence analysis. And a method for searching for a target enzyme from a library.

"트랜스포손"은 단일 세포(single cell)의 게놈상에서 여러 위치로 옮겨다닐 수 있는 DNA서열(insertional sequence)로서 맥클린톡(Wicker, T., PNAS, 36(6), 344, 1950)이 처음 발견하였으며 옥수수 알갱이 색이 불안정하게 나타나는 원인을 연구하는 과정에서 발견되었다. 트랜스포손에는 트랜스포사제(transposase)라는 전이효소가 있어 특이 염기서열을 감지하여 삽입시킬 수 있는 활성을 가지고 있다. 트랜스포손은 트랜스포사제(transposase)의 도움을 받아 절단과 붙임과정을 통해 원래 위치에서 잘려나와 새로운 위치로 붙어 들어가게 된다. 트랜스포손의 양끝은 역반복 구조(reverse repeat)로 트랜스포사제가 인식할 수 있는 서열로 이루어져 있어 트랜스포사제가 이 부분을 인식하여 절단하게 된다. 이 부분의 DNA는 제한효소에 의해 잘릴 때처럼 돌출 말단부위를 갖게 된다(sticky end). 트랜스포손이 DNA에 끼어들어간 후 틈은 메꾸어지게 된다. 따라서 동일한 반복부위가 트랜스포손의 양끝에 형성된다(direct repeat). 트랜스포손은 박테리아, 식물 및 동물에서 모두 찾아 볼 수 있다. 본 발명에서는 박테리아 유래의 트랜스포손 Tn5의 트랜스포사제를 사용하여 세포외 전이반응(in vitro transposition)을 수행하였다."Transposon" is a DNA sequence (Wicker, T., PNAS, 36 (6), 344, 1950) that was first discovered as an insertional sequence capable of transferring to multiple locations on a single cell genome And it was found in the process of studying the cause of unstable color of corn grain. Transposons have a transposase enzyme called transposase, which has an activity to detect and insert specific base sequences. Transposons are cut and adhered to the new position with the aid of transposase, which is cut from its original position. Both ends of the transposon are reverse repeatable, and the transposase consists of a sequence recognizable by the transposase, so that the transposase recognizes and cleaves this portion. This part of the DNA will have a sticky end as if it had been cleaved by restriction enzymes. After the transposon is inserted into the DNA, the gap is cleared. Thus, the same repeats are formed at both ends of the transposon (direct repeat). Transposons can be found in bacteria, plants and animals. In the present invention, an in vitro transposition reaction was carried out using a transformant of transposon Tn5 derived from bacteria.

본 발명에 있어서, 상기 트랜스포손의 프로모터는 유도물질에 의해 목적유전자의 발현을 유도하여 목적유전자를 고효율로 발현시킬 수 있는 프로모터라면 제한없이 사용할 수 있으며, 바람직하게는 T7 프로모터, lac 프로모터, ara프로모터, trc 프로모터 및 Phce프로모터로 구성된 군에서 선택되는 프로모터를 사용할 수 있다.In the present invention, the promoter of the transposon may be any promoter capable of inducing the expression of the target gene by inducing the induction of the target gene and expressing the target gene with high efficiency, preferably a T7 promoter, a lac promoter, an ara promoter , a trc promoter and a P hce promoter can be used.

본 발명에 있어서, (b) 단계의 RNA 중합효소(polymerase)는 미생물 유래의 RNA 중합효소와 파아지 유래 T7 RNA 중합효소를 사용할 수 있으며, (a)단계의 프로모터 및 역방향 프로모터의 발현을 활성화 시킬 수 있는 RNA 중합효소 인 것이 바람직하다.In the present invention, the RNA polymerase of step (b) may be a microorganism-derived RNA polymerase and a phage-derived T7 RNA polymerase, and may be used to activate the expression of the promoter and the reverse promoter of step (a) Which is an RNA polymerase.

본 발명에 있어서, 상기 트랜스포사제(transposase) 인식부위는 Tn5트랜스포손, IS 트랜스포손, Tn3 트랜스포손, Tn7트랜스포손(site-specific transposon), 및 Mu 트랜스포손으로 구성된 군에서 선택되는 트랜스포손의 트랜스포사제(transposase) 인식부위인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 Tn5트랜스포사제(transposase) 인식부위일 수 있다. In the present invention, the transposase recognition site is a transposon selected from the group consisting of Tn5 transposon, IS transposon, Tn3 transposon, Tn7 site-specific transposon, and Mu transposon. It is preferably a transposase recognition site, more preferably a Tn5 transposase recognition site.

본 발명에 있어서, 상기 Tn5 트랜스포사제(transposase) 인식부위(Mosaic End, ME)는 서열번호 1의 염기서열을 가지는 것을 특징으로 할 수 있고, 서열번호 2의 염기서열을 가지는 T7 프로모터를 사용하는 것을 특징으로 할 수 있다. In the present invention, the Tn5 transposase recognition site (Mosaic End, ME) may be characterized by having the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1 and using the T7 promoter having the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 2 . ≪ / RTI >

본 발명에 있어서, 상기 항생제 저항성 유전자는 트랜스포손의 삽입여부를 확인할 수 있는 저항성 유전자라면 제한 없이 사용할 수 있으며, 바람직하게는 카나마이신 저항성 유전자, 테트라사이클린 저항성 유전자 또는 엠피실린 저항성 유전자를 사용할 수 있다. In the present invention, the antibiotic resistance gene can be used without limitation as long as it is a resistance gene capable of confirming insertion of a transposon. Preferably, a kanamycin resistance gene, a tetracycline resistance gene or an ampicillin resistance gene can be used.

본 발명의 일 실시예에서는 Tn5 트랜스포사제(transposase) 인식부위(Mosaic End, ME), T7 프로모터, 카나마이신 저항성 유전자, 역방향 T7 프로모터 서열, 역방향 Tn5 트랜스포사제 인식부위 서열을 포함하는 트랜스포손을 제작하여 강제전사시스템에 사용하였다(도 2). In one embodiment of the present invention, a transposon comprising a Tn5 transposase recognition site (Mosaic End, ME), a T7 promoter, a kanamycin resistance gene, an inverted T7 promoter sequence and an inverted Tn5 transposin recognition site sequence was prepared And used in a forced transfer system (Fig. 2).

따라서, 본 발명에서 상기 트랜스포손은 서열번호 3의 염기서열로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있으며, 상기 트랜스포사제는 박테리아 유래의 Tn5 트랜스포사제(transposase)를 사용하는 것을 특징으로 할 수 있다. Therefore, in the present invention, the transposon may be characterized by being composed of the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 3, and the transposase may be characterized by using Tn5 transposase derived from bacteria.

본 발명에 있어서, 상기 T7 프로모터 및 역방향 T7 프로모터를 작동시키기 위한 유도물질로서, IPTG(isopropyl-D-thiogalactopyranoside) 또는 락토오스(lactose)를 사용하는 것이 바람직하다.In the present invention, it is preferable to use isopropyl-D-thiogalactopyranoside (IPTG) or lactose as an inducer for activating the T7 promoter and the reverse T7 promoter.

본 발명에서 "재설계 유전자회로(Redesigned genetic circuit)"는 (i) 페놀계 화합물을 인지하는 조절단백질을 코딩하는 유전자; (ii) 형광 단백질을 코딩하는 유전자 및 항생제 저항성 유전자로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 리포터 유전자; 및 (iii) 상기 페놀계 화합물을 인지하는 조절단백질의 발현을 유도하는 프로모터(promotor), 상기 페놀계 화합물을 인지하는 조절단백질이 결합하여 하류의 리포터 유전자의 발현을 유도하는 조절부위(operator), 및 상기 리포터 유전자의 발현을 조절하는 프로모터(promotor)를 포함하는 유전자 구조물을 의미하며, 목적효소가 생산하는 페놀계 화합물을 감지하는 역할을 한다. The term "redesigned genetic circuit" in the present invention refers to (i) a gene encoding a regulatory protein that recognizes a phenolic compound; (ii) one or more reporter genes selected from the group consisting of a gene encoding a fluorescent protein and an antibiotic resistance gene; And (iii) a promoter that induces expression of a regulatory protein that recognizes the phenolic compound, an operator that induces expression of a downstream reporter gene by binding with a regulatory protein that recognizes the phenolic compound, And a promoter that regulates the expression of the reporter gene, and serves to sense a phenol compound produced by the target enzyme.

본 발명에서 페놀계 화합물 감지용 재설계 유전자회로는 미생물에 플라스미드를 이용하여 세포질에 함유되거나, 염색체 DNA에 삽입되어 있을 수 있다. In the present invention, a gene circuit for the detection of a phenolic compound may be contained in a cytoplasm or inserted into a chromosomal DNA using a plasmid in a microorganism.

본 발명에서는 페놀류를 감지하는 유전자회로를 제작하고, 상기 제작된 환경유래 메타게눔 라이브러리로부터 제작된 재조합 미생물 라이브러리에 상기 페놀류를 감지하는 유전자 회로를 순차적 또는 동시적으로 형질전환시킨 다음, 페놀 방출 화합물을 기질로서 처리하여 세포내 도입된 효소 유전자의 기능 및 활성에 따라 생성되는 페놀을 감지하여 발현이 유도된 형광, 항생제 저항성 등 리포터의 정량적 활성을 측정함으로써 원하는 활성을 보유한 효소를 탐색 및 회수하도록 하였다. In the present invention, a gene circuit for detecting phenol is produced, and a gene circuit for detecting the phenol is sequentially or simultaneously transformed into a recombinant microorganism library prepared from the prepared metagenum library derived from the environment, By measuring the quantitative activity of the reporter such as fluorescence and antibiotic resistance induced by the expression of the phenol produced by the function and activity of the enzyme gene introduced into the cell, the enzyme having the desired activity was searched and recovered.

본 발명에 있어서, "환경 시료"는 토양 또는 해수 유래 등의 환경으로부터 유래한 시료를 의미한다.In the present invention, the "environmental sample" means a sample derived from an environment such as soil or sea water.

본 발명에 있어서, 상기 메타게놈 라이브러리는 플라스미드, 포스미드, 코스미드, BAC 및 YAC로 구성된 군으로부터 선택된 벡터에 토양으로부터 얻은 DNA를 도입하여 제작될 수 있다.In the present invention, the metagenomic library may be prepared by introducing DNA obtained from the soil into a vector selected from the group consisting of plasmid, phosphide, cosmid, BAC and YAC.

본 발명에 있어서, 상기 리포터 유전자와 상기 리포터 유전자의 발현을 조절하는 프로모터는 상호작동가능하게 연결되어 있는 것을 특징으로 할 수 있다. In the present invention, the reporter gene and the promoter controlling the expression of the reporter gene may be operatively linked to each other.

본 발명에 있어서, 상기 페놀계 화합물을 인지하는 조절단백질이 결합하여 하류의 리포터 유전자의 발현을 유도하는 조절부위(operator)는 상기 조절부위와 연동하여 리포터 유전자의 발현을 유도하는 프로모터(promotor)를 활성화하는 것을 특징으로 할 수 있다.In the present invention, an operator that binds to a regulatory protein that recognizes the phenolic compound to induce the expression of a downstream reporter gene may be a promoter that induces expression of a reporter gene in association with the regulatory region And activating the second electrode.

본 발명에 있어서, 상기 페놀계 화합물을 인지하는 조절단백질을 코딩하는 유전자와 상기 조절 단백질의 발현을 조절하는 프로모터는 상호작동가능하게 연결되어 있는 것을 특징으로 할 수 있다. In the present invention, a gene encoding a regulatory protein that recognizes the phenolic compound may be operatively linked to a promoter that regulates the expression of the regulatory protein.

도 3은 본 발명에 따른 재설계 유전자회로(GESS: genetic enzyme screening system)를 포함하는 벡터를 간략하게 나타내고, 그 중에서 유전자 발현 조절 부위를 확대하여 그 구조를 나타낸 그림이다. 여기서, TRF는 전사조절인자(transcriptional regulation factor)로써, 본 발명에서 페놀계 화합물을 인지하는 조절단백질을 코딩하는 부위(예컨대, dmpR: gene encoding the posanive regulator of the phenol catabolic pathway)를 의미하는 것이고, 상기 “유전자 발현 조절 부위“는 크게 3가지 부분으로 나눌 수 있다- Px: lator of the phenol cataboli조절하는 프로모터, OpR(Operator for reporter): lator of the phenol ca이 결합하여 하류의 리포터 유전자의 발현을 조절하는 r of the phenol caPR: 리포터의 boli조절하는 프로모터. 그 외에도, 추가적으로, 본 발명에 따른 재설계 유전자회로는, RBS(ribosome binding site), 정방향 전사종결인자(forward transcriptional terminator)(t▶), 역방향 전사종결인자(reverse transcriptional terminator)(t◀) 등을 포함할 수 있다. FIG. 3 schematically shows a vector including a genetic enzyme screening system (GESS) according to the present invention, and shows the structure of the gene expression control region enlarged. Herein, TRF is a transcriptional regulation factor. In the present invention, the TRF means a region coding for a regulatory protein recognizing a phenolic compound (for example, dmpR: gene encoding the positive regulator of the phenol catabolic pathway) remind The "gene expression regulatory region" can be divided into three main parts - P x : lator of the phenol cataboli, and OpR (Operator for reporter): lator of the phenol ca combined to express the downstream reporter gene Regulate the expression of the phenol caP R : reporter boli regulating promoter. In addition, in addition, the redesigned gene circuit according to the present invention may further comprise a ribosome binding site (RBS), a forward transcriptional terminator (t), a reverse transcriptional terminator (t), etc. . ≪ / RTI >

본 발명자들은 효소반응에서 페놀을 유리할 수 있는 다양한 페놀 방출 화합물을 기질로 사용할 수 있다는 점에 착안하여, 페놀류를 감지하는 합성 생물학적 새로운 재설계 유전자회로(GESS: genetic enzyme screening system)를 디자인하고 이를 도입한 재조합 미생물에 목적에 맞는 페놀기 함유기질을 첨가하여 효소 유전자의 기능에 따라 생성되는 페놀을 감지하여 발현이 유도된 형광, 항생제 저항성 등 리포터의 정량적 활성을 측정함으로써 메타게놈 유래 라이브러리에서의 목적하는 활성을 가지는 효소를 탐색하는 방법을 완성하였다.In view of the fact that various phenol-releasing compounds capable of benefiting phenol can be used as substrates in the enzymatic reaction, the present inventors have designed and introduced a new synthetic biosynthetic gene screening system (GESS) for detecting phenols By adding a phenolic group-containing substrate to a recombinant microorganism, a phenol produced according to the function of the enzyme gene is detected, and the quantitative activity of the reporter such as fluorescence and antibiotic resistance induced by expression is measured, A method for searching an enzyme having an activity was completed.

따라서, 본 발명에서, 상기 "효소반응에 의해 페놀계 화합물을 유리할 수 있는 목적효소"란, 알파-글루코시다제, 베타-글루코시다제, 셀룰라제, 글리코실세라미다제, 프소파타제, 피타제, 에스터라제, 리파제, 유레타나제, 아미다제, 펩티다제, 프로테이나제, 옥시도리덕타제, 페놀-리아제, 디할로게나제, 이소머라제, 모노옥시지나제 또는 디옥시지나제 등이다. Therefore, in the present invention, the above-mentioned "target enzyme capable of favoring the phenolic compound by an enzymatic reaction" means a target enzyme capable of producing a desired enzyme by the action of an alpha-glucosidase, a beta-glucosidase, a cellulase, a glycosylseridase, , Estrogen, lipase, uretase, amidase, peptidase, proteinase, oxydorodacid, phenol-lyase, dihalogenase, isomerase, monooxygenase or deoxygenase .

본 발명에서, 페놀계 화합물 분해효소 조절 단백질은 페놀계 화합물 분해효소의 발현을 조절하는 단백질로, 페놀을 감지함으로써 페놀계 화합물 분해효소의 발현을 조절하는 프로모터를 작동시키고, 이러한 프로모터와 연결되어 있는 리포터의 발현을 유도하게 된다. In the present invention, the phenolic compound-degrading enzyme-regulating protein is a protein that regulates expression of a phenolic compound-degrading enzyme. By detecting phenol, a promoter controlling the expression of the phenolic compound-degrading enzyme is activated, Resulting in the expression of the reporter.

구체적으로, 상기 페놀계 화합물 분해효소 조절 단백질은 dmpR 또는 그 변이체일 수 있다. Specifically, the phenolic compound-degrading enzyme regulatory protein may be dmpR or a variant thereof.

본 발명에서, "유전자 발현 조절 부위"란, 도 3에 나타난 바와 같이, 재설계 유전자 회로 전체를 조절하는 파트로써, (i) 상기 전사 조절 인자인 페놀계 화합물 분해효소 조절 단백질의 발현을 조절하는 프로모터, (ii) 상기 페놀계 화합물 분해효소 조절 단백질이 결합하여 하류의 리포터 유전자의 발현을 유도하는 부위, 및 (iii) 리포터 유전자의 발현을 조절하는 프로모터로 구성된다. In the present invention, "gene expression regulatory region" refers to a part regulating the entire redesigned gene circuit, as shown in Fig. 3, and includes (i) a gene encoding a phenol- A promoter, (ii) a site that binds to the phenolase inhibitor protein to induce the expression of downstream reporter gene, and (iii) a promoter that regulates expression of the reporter gene.

본 발명에서, 프로모터는 페놀계 화합물 분해효소 조절 단백질의 발현을 조절하거나, 리포터 단백질의 발현을 조절하는 프로모터를 의미하며, 예를 들어 Pseudomonas의 dmpR 혹은 dmp 오페론의 프로모터나 일반 단백질 발현용 프로모터가 사용될 수 있으며, 또는, 외래 단백질의 고발현용으로 trc, T7 lac, ara 프로모터를 비롯한 고발현 프로모터가 사용될 수 있고, 특히, 유도물질이 필요없는 항시 고발현벡터인 Phce가 사용될 수 있다.In the present invention, a promoter refers to a promoter that regulates the expression of a phenolase-degrading enzyme-regulating protein or regulates the expression of a reporter protein. For example, a promoter for dmpR or dmp operon of Pseudomonas or a promoter for expression of a general protein is used Or high expression promoters including trc, T7 lac and ara promoters can be used for high expression of foreign proteins, and P hce, which is always a high expression vector which does not require an inducer , can be used.

구체적으로, 도 3에 나타난 바와 같이, 상기 리포터 단백질의 발현을 조절하는 프로모터로는, pGESS 숙주에 따라 E. coli, Pseudomonas putida, yeast의 σ54 의존성 프로모터 또는 모든 균주에 통합적으로 사용가능한 σ54 의존성 프로모터 서열, 예컨대, PECO, PPPU, PYST, PUNIV등이 사용될 수 있다.Specifically, as shown in FIG. 3, promoters controlling the expression of the reporter protein include E. coli , Pseudomonas sigma 54- dependent promoter of putida or yeast , or a sigma 54- dependent promoter sequence integrally usable in all strains, such as PECO , P PPU , P YST , and P UNIV .

본 발명에 있어서, 상기 재설계 유전자회로는, 상기 프로모터 뿐만 아니라, 바람직하게는, 리포터 단백질의 발현을 용이하게 해주는 RBS(Ribosome Binding Site) 및/또는 전사종결인자를 포함할 수 있다. 즉, 상기 조절 단백질의 발현을 조절하는 부위로써, 상기 프로모터 이외에도 RBS 및/또는 전사종결인자를 포함할 수 있는 것이다. 여기서, RBS는 E. coli에서 발현효율이 높은 통상의 RBS (RBSε)를 사용할 수 있다. In the present invention, the redesigned gene circuit may include not only the promoter but also RBS (Ribosome Binding Site) and / or transcription termination factor which facilitates the expression of the reporter protein. That is, as a site for regulating the expression of the regulatory protein, RBS and / or a transcription termination factor may be contained in addition to the promoter. Here, RBS can use conventional RBS (RBSε) having high expression efficiency in E. coli .

본 발명에 있어서, 상기 전사종결인자는, 바람직하게는, rrnBT1T2 또는 tL3일 수 있고, 이것 이외에도, 당업계에서 통상적으로 사용되는 여하한 전사종결인자를 사용하여 본 발명을 구성할 수 있다. In the present invention, the transcription termination factor may preferably be rrnBT1T2 or tL3, and in addition, any transcription termination agent commonly used in the art may be used to constitute the present invention.

본 발명에서 리포터는 형광단백질 및 항생제 저항성 유전자로부터 선택된 하나 이상일 수 있다. 형광단백질로는 바람직하게 GFP, GFPUV, 또는 RFP를 사용할 수 있고, 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 한 본 발명에 사용할 수 있는 형광단백질은 이러한 예에 한정되지 않는다. 또한, 상기 항생제 저항성 유전자는 카나마이신, 클로람페니콜, 테트라사이클린 등 항생제에 저항성인 유전자 등 통상의 항생제 저항성 유전자를 사용할 수 있다. In the present invention, the reporter may be at least one selected from a fluorescent protein and an antibiotic resistance gene. GFP, GFP UV , or RFP can be preferably used as the fluorescent protein, and the fluorescent protein that can be used in the present invention is not limited to this example as long as the object of the present invention can be achieved. The antibiotic resistance gene may be a common antibiotic resistance gene such as a gene resistant to antibiotics such as kanamycin, chloramphenicol, and tetracycline.

본 발명의 일 구체예에서, 리포터는 형광단백질과 항생제 저항성 유전자모두로 구성된 이중리포터(dual reporter),또는, 둘 이상의 리포터로 구성된 다중 리포터일 수 있다. In one embodiment of the invention, the reporter can be a dual reporter consisting of both a fluorescent protein and an antibiotic resistance gene, or multiple reporters composed of two or more reporters.

본 발명에 있어서, 제한 효소 처리에 의해서 상기 효소유전자를 회수할 수 있다.In the present invention, the enzyme gene can be recovered by restriction enzyme treatment.

본 발명에 따르면 메타게놈 라이브러리와 페놀 감지 재설계 유전자회로를 적합한 미생물 숙주내로 순차적 형질전환(stepwise transformation)시키는 데, 공지된 여하한 방법을 이용할 수 있다. 또는, 상기 페놀 감지용 재설계 유전자회로를 염색체 DNA 또는 세포질에 포함하는 세포에 메타게놈 라이브러리를 도입할 수 있다. 형질전환의 효율을 높이기 위해서, 바람직하게 전기천공법(electroporation)을 사용할 수 있다. According to the present invention, any of the known methods can be used for stepwise transformation of the metagenome library and the phenol sensing redesign gene circuit into a suitable microbial host. Alternatively, the metagenome library can be introduced into cells containing chromosomal DNA or cytoplasmic gene circuits for phenol detection redesign. In order to increase the efficiency of transformation, electroporation can be preferably used.

본 발명에 있어서, 상기 세포는 바람직하게 대장균, 효모, 또는 식물세포, 동물세포 등 일 수 있다.In the present invention, the cells may preferably be E. coli, yeast, plant cells, animal cells, or the like.

본 발명에 있어서, 상기 세포 또는, 상기 세포로부터 얻은 무세포 추출물을 사용할 수 있다.In the present invention, the cells or cell-free extracts obtained from the cells can be used.

본 발명에 따르면, 상기 유전자회로로 형질전환된 미생물을 효소반응에 의해 페놀류를 유리할 수 있는 페놀 방출 화합물로부터 선택된 하나 이상의 기질로 처리한다. 바람직하게는, 효소반응을 최적화하기 위하여 세포생장-재설계 유전자회로 의 활성화 단계가 분리되도록 기질 첨가시기를 조절할 수 있다. 예를 들어, 기질 처리 단계는 영양배지에서 성장된 건강한 미생물을 회수하는 단계 및 회수된 미생물을 최소배지에서 기질로 처리하는 단계로 이루어질 수 있다. According to the present invention, the microorganism transformed with the gene circuit is treated with an enzyme reaction to at least one substrate selected from phenol-releasing compounds which can liberate phenols. Preferably, the timing of substrate addition may be adjusted so as to isolate the activation step of the cell growth-redesign gene circuit in order to optimize the enzyme reaction. For example, the substrate treatment step may comprise recovering healthy microorganisms grown in a nutrient medium and treating the recovered microorganisms with a substrate in a minimal medium.

본 발명에 있어서, 상기 효소 반응에 의해 유리되는 페놀계 화합물은 페놀, o-클로로페놀, m-클로로페놀, p-클로로페놀, o-니트로페놀, m-니트로페놀, p-니트로페놀, 살리실산, 2-아미노페놀, 2-메톡시페놀, 카테콜, 리소시놀, 3-메틸카테콜, 2,4-디메틸페놀, 2,5-디메틸페놀, 3,4-디메틸페놀, 2,3-디메틸페놀, 3,5-디메틸페놀, 2,4-디클로로페놀, 2,5-디클로로페놀, 2,3-디클로로페놀, 2,6-디클로로페놀, 3,4-디클로로페놀, 3,5-디클로로페놀, 2,4-디니트로페놀, o-크레졸, m-크레졸, p-크레졸, 2-에틸페놀, 3-에틸페놀, 2-플로로페놀, 2-요오드페놀 및 벤젠으로 구성된 군으로부터 선택되는 화합물일 수 있다.In the present invention, the phenolic compound liberated by the enzymatic reaction may be at least one selected from the group consisting of phenol, o-chlorophenol, m-chlorophenol, p-chlorophenol, o-nitrophenol, m-nitrophenol, 2-aminophenol, 2-methoxyphenol, catechol, lysocynol, 3-methylcatechol, 2,4-dimethylphenol, 2,5-dimethylphenol, 3,4-dimethylphenol, 2,3-dimethyl Phenol, 3,5-dimethylphenol, 2,4-dichlorophenol, 2,5-dichlorophenol, 2,3-dichlorophenol, 2,6-dichlorophenol, 3,4-dichlorophenol, 3,5-dichlorophenol , 2,4-dinitrophenol, o-cresol, m-cresol, p-cresol, 2-ethylphenol, 3-ethylphenol, 2-chlorophenol, 2-iodophenol and benzene Lt; / RTI >

본 발명에 있어서, 상기 페놀 방출 화합물은 페놀 히드록실기가 수식된 에스테르; 글리코사이드; 인산에스테르; 오르쏘-, 메타- 또는 파라- 위치에 알킬기, 카르복실기, 아미노기, 티올기, 아마이드기, 설파이드기, 니트로기 또는 할로겐기가 도입된 페놀 유도체; 및 벤젠고리 화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 할 수 있다. In the present invention, the phenol-releasing compound may be an ester in which a phenol hydroxyl group is modified; Glycosides; Phosphate esters; A phenol derivative in which an alkyl group, a carboxyl group, an amino group, a thiol group, an amide group, a sulfide group, a nitro group or a halogen group is introduced in an ortho, meta- or para-position; And a benzene ring compound.

본 발명에 따르면, "페놀 방출 화합물"은 세포내 효소활성 감지에 사용될 수 있는 기질로써, 효소반응에 의해 페놀을 방출할 수 있는 화합물이며, 효소 반응에 의해서 페놀, 2-클로로페놀, 2-요오드페놀, 2-플로로페놀, o-크레졸, 2-에틸페놀, m-크레졸, 2-니트로페놀, 카테콜, 2-메톡시페놀, 2-아미노페놀, 2,3-디클로로페놀, 3-클로로페놀, 2,3-디메틸페놀, 3-니트로페놀, 4-클로로페놀, p-크레졸, 2,5-디클로로페놀, 2,5-디메틸페놀 등과 같은 페놀계 화합물을 방출할 수 있는 화합물이다. 이를, "페놀-태그 기질(phenol-tag substrate)"이라고도 한다. According to the present invention, "phenol releasing compound" is a substrate which can be used for the detection of intracellular enzyme activity, and is a compound capable of releasing phenol by an enzymatic reaction. By the enzyme reaction, phenol, 2-chlorophenol, Phenol, 2-fluorophenol, o -cresol, 2-ethylphenol, m -cresol, 2-nitrophenol, catechol, 2-methoxyphenol, 2-aminophenol, Is a compound capable of releasing a phenol compound such as phenol, 2,3-dimethylphenol, 3-nitrophenol, 4-chlorophenol, p -cresol, 2,5-dichlorophenol or 2,5-dimethylphenol. This is also referred to as a "phenol-tag substrate ".

효소 반응에 의해 페놀류를 유리할 수 있는 페놀 방출 화합물, 즉 페놀-태그 기질은 페놀 히드록실기(hydroxy, -OH)가 수식된 에스테르(ester, -OOC-), 에테르(ether, -OC-), 글리코사이드(glycoside, -O-Glc), 인산에스테르(phospho-ester, -O-PO3), ortho-, meta-, para-위치에 알킬(-CH3), 히드록실(-OH), 카르복실(-COOH), 아미노(-NH2), 티올(-SH), 아마이드(amide, -NH-CO- 또는 -CO-NH-), 설파이드(sulfide, -S-SH), 할로겐기(-Cl, -Br, -F)가 도입된 페놀 유도체 또는 벤젠고리 화합물 등이다. A phenol-releasing compound, that is, a phenol-tagged substrate, which is capable of favoring phenols by an enzymatic reaction, is an ester (ester, -OOC-), an ether (-OC-), a phenol- glycoside (glycoside, -O-Glc), phosphoric acid esters (3 phospho-ester, -O- PO), ortho -, meta -, para - position to the alkyl (-CH 3), hydroxyl (-OH), carboxylic Amide (-NH-CO- or -CO-NH-), sulfide (-S-SH), halogen group (-Cl , -Br, -F), or a benzene ring compound.

구체적으로, 본 발명에 따른 페놀-태그 기질로는 페놀기와 공유결합으로 연결된 다양한 페놀유도체가 사용될 수 있다. 예를 들어 페놀의 히드록실기(hydroxy, -OH)를 수식하여 제조한 에스테르 결합물(ester, -OOC-), 에테르 결합물(ether, -OC-), 글리코사이드 결합물(glycoside, -O-Glc), 인산에스테르 결합물(phospho-ester, -O-PO3)을 기질로 이용하는 경우, 에스터라아제(esterase), 리파아제(lipase), 글리코시다아제(glycosidase), 포스파타아제(phosphatase), 피타아제(phytase) 활성을 감지하는 목적으로 이용할 수 있다. Specifically, as the phenol-tag substrate according to the present invention, various phenol derivatives connected with a phenol group by a covalent bond may be used. For example, an ester bond (ester, -OOC-), an ether bond (-OC-), a glycoside bond (glycoside, -O Esterase, lipase, glycosidase, phosphatase, phosphatase, and phosphatase when phospho-ester (-O-PO 3 ) is used as a substrate, , And phytase activity.

또한, 페놀-태그 기질은 ortho-, meta-, para-의 한 위치에 새로운 메칠기(-CH3), 히드록실기(-OH), 카르복시길(-COOH), 아미노기(-NH2), 황화수소(-SH)를 도입하여 제조된 물질일 수 있다. 이 위치에 아마이드결합(amide, -NH-CO- 또는 -CO-NH-), 설파이드결합(sulfide, -S-SH)을 갖는 물질을 기질로 사용하면 아마이드기를 통하여 연결된 페놀화합물은 아마이다아제(amidase), 펩티다아제(peptidase) 활성을 감지할 목적에 이용할 수 있으며, 설파이드기를 통하여 연결된 페놀화합물을 이용하면 세포내 산화환원수준을 감지할 목적으로 이용할 수 있다. 또한, 페놀-태그 기질로 새로운 탄소결합이 연결된 페놀화합물 즉, Ph-C-(R)이 이용이 연경우, 탄소결합을 분해하여 페놀을 유리하는 페놀 리아제(phenol-lyase) 활성을 감지할 수도 있다. 페놀-태그 기질로는 벤젠고리 물질이 이용될 수도 있으며, 이 경우 방향족화합물의 산화에 관여하는 모노옥시겐나아제(monooxygenase), 디옥시겐나아제(dioxygenase) 등의 산화효소 활성을 감지할 수 있다. 염소(Cl), 브롬(Br), 플루오르(F) 등 할로겐에 결합한 페놀화합물도 기질로 이용될 수 있다. 이 경우 위 할로겐화 페놀화합물에 작용하여 탈할로겐화(dehalogenation)하거나 할로겐의 위치를 바꾸는 이성질화(isomerization)하는 효소 활성이 본 발명에 따라 감지될 수 있다. In addition, the phenol-tagged substrate is ortho -, meta -, para - new methyl groups (-CH 3), hydroxyl groups (-OH), carboxy way (-COOH), amino group (-NH 2) at a position, Or a substance prepared by introducing hydrogen sulfide (-SH). When a substance having an amide bond (amide, -NH-CO- or -CO-NH-) or a sulfide bond (sulfide, -S-SH) is used as a substrate at this position, amidase, and peptidase activity, and can be used for the purpose of detecting the intracellular redox level by using a phenol compound linked through a sulfide group. It is also possible to detect the phenol-lyase activity that liberates phenol by decomposing the carbon bond when a phenolic compound linked to a new carbon bond by the phenol-tag substrate, namely, Ph-C- (R) have. As the phenol-tag substrate, a benzene ring material may be used. In this case, it is possible to detect an oxidase activity such as monooxygenase and dioxygenase which are involved in oxidation of an aromatic compound have. Halogen-linked phenol compounds such as chlorine (Cl), bromine (Br), and fluorine (F) can also be used as substrates. In this case, the enzymatic activity which acts on the halogenated phenol compound to dehalogenate or change the position of the halogen can be detected according to the present invention.

앞서 언급한 다양한 페놀화합물에서 공유결합을 다른 유기분자로 옮기는 전이효소(transferase)나, 새로운 공유결합을 생성하는 합성효소(ligase)의 활성 또한 같은 원리에 의하여, 본 발명에 의하여 감지될 수 있다. 따라서, 본 발명에서 제시한 다양한 페놀-태그 기질을 이용하면, 세포내에 존재하는 특정 가수분해효소(hydrolase), 산화환원효소(oxido-reductase), 이성화효소(isomerase), 분해효소(lyase), 전이효소(transferase) 등을 감지할 수 있다.The activity of a transferase that transfers a covalent bond to another organic molecule in the various phenolic compounds mentioned above, or a synthase that produces a new covalent bond (ligase) can also be detected by the present invention by the same principle. Thus, the various phenol-tagged substrates provided in the present invention can be used to identify specific hydrolases, oxido-reductases, isomerases, lyases, Transferase and the like can be detected.

본 발명에 따르면, 효소반응에 의해 페놀-태그 기질로부터 유리된 페놀류를 감지하여 발현이 유도된 리포터의 활성을 측정하여 원하는 효소활성을 보유한 균주를 고속 탐색한다. 본 발명에서, 리포터 활성은 미생물 집락(콜로니) 이미지 분석, 형광스펙트럼 분석, 형광유세포분석(FACS), 항생제내성 측정 등 다양한 방법을 이용하여 측정할 수 있다. According to the present invention, phenol released from a phenol-tagged substrate is detected by enzyme reaction, and the activity of the expression-induced reporter is measured to search for a strain having a desired enzyme activity at a high speed. In the present invention, reporter activity can be measured by various methods such as microorganism colonization image analysis, fluorescence spectrum analysis, fluorescence flow cytometry analysis (FACS), antibiotic resistance determination, and the like.

본 발명에 따르면 유용 유전자의 확인 및 동정은 공지된 여하한 방법인 서열분석(sequencing)에 통하여 이루어질 수 있다. DNA 및 아미노산의 서열을 분석한 후 데이터뱅크(http://blast.ncbi.nlm.nih.gov)에서 염기상동성 분석을 통하여 회수된 유전자의 정보를 얻을 수 있다.
Identification and identification of useful genes according to the present invention can be accomplished through any known method, sequencing. After analyzing the sequence of DNA and amino acid, information of the recovered gene can be obtained through the analysis of the salt gas phase in Databank (http://blast.ncbi.nlm.nih.gov).

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. It is to be understood by those skilled in the art that these examples are for illustrative purposes only and that the scope of the present invention is not construed as being limited by these examples.

실시예Example 1: 양방향  1: Bi-directional T7T7 프로모터가 도입된 강제전사 유닛 개발  Developed forced transfer unit with promoter

도 2는 양방향 T7 프로모터가 내재된 트랜스포손을 나타내는 것으로, 트랜스포손이 삽입된 클론만을 선별하기 위한 카나마이신 저항성 유전자를 포함하고 있으며, 양쪽 말단에 19 염기쌍으로 이루어진 Tn5의 전이효소 인식부위(Mosaic End, ME)와 하위 유전자의 강제전사를 유도할 수 있는 T7 프로모터 서열이 양방향으로 존재하고 있다. Fig. 2 shows a transposon in which a bidirectional T7 promoter is present. It contains a kanamycin resistance gene for screening only transposon-inserted clones. The transcriptional enzyme recognition site of Tn5 having 19 base pairs at both ends (Mosaic End, ME) and a T7 promoter sequence capable of inducing forced transcription of a sub gene exist in both directions.

상기 트랜스포손은 다음과 같은 방법으로 제조하였다. EZ-Tn5 In-Frame Linker Insertion Kit(Epicentre, 미국) 로부터 카나마이신 저항성 유전자 및 Tn5의 전이효소 인식부위를 포함하는 트랜스포손을 연쇄중합반응(Polymerase chain reaction, PCR)을 통해 얻었다. 이 때 사용한 프라이머는 정방향 프라이머(서열번호 4)와 역방향 프라이머(서열번호 5)을 사용하였고 PCR반응은 98℃ 3분 (1회), 98℃ 15초 - 55℃ 2초 - 72℃ 20초 (25회), 72℃ 5분 (1회) 조건으로 진행하였다. The transposon was prepared in the following manner. Transposons containing the kanamycin resistance gene and the transposase recognition site of Tn5 from the EZ-Tn5 In-Frame Linker Insertion Kit (Epicenter, USA) were obtained by polymerase chain reaction (PCR). The primers used were a forward primer (SEQ ID NO: 4) and a reverse primer (SEQ ID NO: 5) 25 times) and 72 ° C for 5 minutes (once).

서열번호 4: 5'-ctgtctcttgtacacatctgagtaaaggagaagaacttttcactggag-3' SEQ ID NO: 4: 5'-ctgtctcttgtacacatctgagtaaaggagaagaacttttcactggag-3 '

서열번호 5: 5'-ctgtctcttgtacacatctggctagctgaagcttgcatgc-3'
SEQ ID NO: 5: 5'-ctgtctcttgtacacatctggctagctgaagcttgcatgc-3 '

다음으로는 트랜스포손 내부에 양방향 T7 프로모터가 삽입된 트랜스포손을 제작하였다. 실험방법은 다음과 같다. T7 프로모터가 삽입된 정방향 프라이머(서열번호 6)와 역방향 프라이머(서열번호 7)를 제작하고, 두 프라이머를 이용하여 PCR 반응을 통해 T7 프로모터가 포함된 트랜스포손을 제작하였다. 주형은 상기 방법으로 제작된 트랜스포손을 이용하였으며, 98℃ 3분 (1회), 98℃ 15초 - 55℃ 2초 - 72℃ 20초 (25회), 72℃ 5분 (1회) 조건으로 PCR을 진행하였다. Next, a transposon in which a bidirectional T7 promoter was inserted into the transposon was prepared. The experimental method is as follows. T7 promoter-inserted forward primer (SEQ ID NO: 6) and reverse primer (SEQ ID NO: 7) were prepared and PCR was performed using the two primers to prepare a transposon containing the T7 promoter. The template was prepared by using the transposon produced by the above method. The transposon was conditioned at 98 ° C for 3 minutes (once), 98 ° C for 15 seconds, 55 ° C for 2 seconds, 72 ° C for 20 seconds (25 times), 72 ° C for 5 minutes Lt; / RTI >

서열번호 6: 5'- ctgtctcttgtacacatctccctatagtgagtcgtattagctagcatcatgaacaataaaactgtc-3' SEQ ID NO: 6: 5'- ctgtctcttgtacacatctccctatagtgagtcgtattagctagcatcatgaacaataaaactgtc-3 '

서열번호 7: 5'-ctgtctcttgtacacatctccctatagtgagtcgtattagctagctgaagcttgcatgc-3'SEQ ID NO: 7: 5'-ctgtctcttgtacacatctccctatagtgagtcgtattagctagctgaagcttgcatgc-3 '

아가로즈젤에서 PCR 반응물을 확인한 결과 예상 사이즈인 1201 bp의 DNA가 생성된 것을 확인하였다.
PCR reaction products were confirmed in agarose gel, and 1201 bp DNA of the expected size was generated.

실시예Example 2: 강제전사 유닛이 도입된  2: Introduced forced transfer unit 메타게놈Meta genome 라이브러리 제작  Library production

T7 프로모터에 결합하여 전사를 개시할 수 있도록 메타게놈 라이브러리의 숙주 미생물인 EPI300(epicentre, 미국)의 염색체에 박테리오파아지유래 T7 RNA 중합효소(polymerase; DE3)를 삽입하였다. 실험방법은 DE3 lysogenization kit(Novagen, 미국)를 이용하여 키트에서 제공하는 방법에 따라 수행되었다. T7 RNA polymerase (DE3) derived from the bacteriophage was inserted into the chromosome of EPI300 (epicenter, USA), which is a host microorganism of the metagenome library, so as to bind to the T7 promoter and initiate transcription. Experimental methods were performed according to the method provided in the kit using a DE3 lysogenization kit (Novagen, USA).

실시예에서 사용된 메타게놈 라이브러리는 고구마밭 토양의 미생물군집으로부터 포스미드 라이브러리 제작키트(Cat. No. CCFOS110, Epicentre, 미국)를 이용하여 제작되었으며 약 1x105의 다양성(diversity)을 지니고 있었다. 메타게놈 라이브러리에트랜스포손을 도입시키기 위해, 다음과 같이 실험하였다. The metagenomic library used in the examples was constructed from a microbial community of sweet potato field soil using a phosmid library kit (Cat. No. CCFOS 110, Epicenter, USA) and had a diversity of about 1 x 10 5 . To introduce transposons into the metagenomic library, the following experiment was conducted.

메타게놈 라이브러리 cell stock (OD600 = 10) 1 ㎖에 동량의 LB배지(Luria-Bertani, 1%(w/v) 박토-트립톤, 0.5%(w/v) 효모추출액, 1%(w/v) 염화나트륨) 1㎖를 첨가한 후, 37℃에 1시간동안 배양하였다. 배양 후 LB배지를 이용해 최종 부피를 10㎖로 맞추어 주고, 숙주 미생물 내에 포함된 DNA copy 수를 늘리기 위해, 1 x copy control 용액(Epicentre, 미국) 및 12.5 ㎍/㎖의 클로람페니콜을 첨가하여 37℃, 250 rpm에서 5시간동안 진탕 배양하였다. 균주 내에서 copy가 증가된 DNA는 plasmid midi prep kit(Qiagen, 독일)를 이용하여 분리 및 정제하였다. 전이효소는 DNA내에서 무작위로 이동 및 삽입이 되는 Tn5 전이효소(Cat No. TNP92110, Epicentre, 미국)를 사용하였다. 메타게놈 라이브러리 DNA 200 ng, Tn5 트랜스포손 137.06 ng, 1 unit의 Tn5 전이효소 및 1X반응버퍼(150mM 초산칼륨, 10mM 초산마그네슘, 4mM 스퍼미딘이 첨가된 50mM 트리스-아세테이트(pH7.5)버퍼)를 첨가하여 37℃에서 2시간 동안 전이반응(transposition)을 진행하였으며, SDS를 1%(w/v) 첨가하고 70℃ 10분 동안 열을 가함으로써 반응을 정지시켰다. 반응 DNA 산물은 DNA 정제키트(Qiagen, 독일)를 이용하여 정제한 후, 5㎕ 부피로 에탄올 농축시켜 전기 천공법으로 숙주 대장균(EPI300(DE3))에 도입하였다. 균주의 상태를 건강하게 하기 위해 37℃에서 1시간 회복기를 준 후, 10 ㎍/㎖의 카나마이신(트랜스포손 선별마커)과 12.5 ㎍/㎖의 클로람페니콜(메타게놈 선별마커)이 첨가된 LB 고체배지에 도말하여 37℃에서 16시간 동안 배양하였다. 배양한 후 생성된 콜로니를 저장버퍼(1 x TY buffer, 15%(v/v) glycerol, 2%(w/v) glucose)로 회수하여 0.5 ㎖씩 분주한 후 극저온냉동고에 냉동보관하였다.
Meta genomic library cell stock (OD 600 = 10) an equal volume of LB medium (Luria-Bertani, 1% ( w / v in 1 ㎖) Bacto-trypton, 0.5% (w / v) yeast extract, 1% (w / v) sodium chloride) was added thereto, followed by incubation at 37 占 폚 for 1 hour. After the incubation, the final volume was adjusted to 10 mL using LB medium, and 1 x copy control solution (Epicenter, USA) and 12.5 μg / mL of chloramphenicol were added to increase the number of DNA copies contained in the host microorganism. And shake-cultured at 250 rpm for 5 hours. DNA with increased copy number in the strain was isolated and purified using plasmid midi prep kit (Qiagen, Germany). The transferase enzyme was a Tn5 transferase (Cat No. TNP92110, Epicenter, USA) that was randomly transferred and inserted in DNA. 200 ng of metagenomic library DNA, 137.06 ng of Tn5 transposon, 1 unit of Tn5 transferase and 1X reaction buffer (50 mM Tris-acetate (pH 7.5) buffer supplemented with 150 mM potassium acetate, 10 mM magnesium acetate, The reaction was stopped by adding SDS at 1% (w / v) for 2 hours at 37 ° C and heating at 70 ° C for 10 minutes. The reaction DNA product was purified using a DNA purification kit (Qiagen, Germany), concentrated in ethanol to a volume of 5 시켜 and introduced into host E. coli (EPI300 (DE3)) by electroporation. The cells were allowed to recover at 37 占 폚 for 1 hour in order to maintain the condition of the strain and then cultured on LB solid medium supplemented with 10 占 퐂 / ml of kanamycin (transposon selection marker) and 12.5 占 퐂 / ml of chloramphenicol (metagenome selection marker) And cultured at 37 캜 for 16 hours. After culturing, the resulting colonies were collected in a storage buffer (1 x TY buffer, 15% (v / v) glycerol, 2% (w / v) glucose) and dispensed in a volume of 0.5 ml. The cells were frozen in a cryocooler.

실시예Example 3: 강제전사 라이브러리에서 고감도 리파아제 탐색 3: High sensitive lipase detection in forced transfer library

리파아제를 선별하기 위하여 TBN (tributyrin) turbid plate를 제작하였다. 제작방법은 다음과 같다. 50 ㎖의 10x Gum Arabic solution (5%(w/v) Gum Arabic, 200 mM NaCl, 10 mM CaCl2)과 5 ㎖의 Glyceryl tributyrate 시약(Sigma, 미국)을 Blender Jar(Waring, 미국)에 넣고 멸균한다. 별도로 1.5%(w/v) agar가 첨가된 445 ㎖의 LB 배지(Luria-Bertani, 1%(w/v) 박토-트립톤, 0.5%(w/v) 효모추출액, 1%(w/v) 염화나트륨)를 같이 멸균한다. 멸균 후, Glyceryl tributyrate 시약과 Gum Arabic solution이 균일하게 섞일 수 있도록 blender를 이용하여 격렬히 교반 (30초 혼합, 30초 정지, 5분 동안 혼합)하고 이를 0.1 mM IPTG 와 12.5 ㎍/㎖의 클로람페니콜이 포함된 LB 배지에 넣고 혼합한 후 petri dish에 부어 turbid plate를 제조하였다.TBN (tributyrin) turbid plates were prepared to screen lipase. The production method is as follows. 50 ml of 10 x Gum Arabic solution (5% w / v Gum Arabic, 200 mM NaCl, 10 mM CaCl 2 ) and 5 ml of Glyceryl tributyrate reagent (Sigma, USA) were placed in a Blender Jar do. Separately, 445 ml of LB medium (Luria-Bertani, 1% (w / v) bacto-tryptone, 0.5% (w / v) yeast extract, 1% (w / v) ) Sodium chloride) are sterilized together. After sterilization, the mixture was stirred vigorously (mixing for 30 seconds, stopped for 30 seconds, and mixed for 5 minutes) using a blender so that the Glyceryl tributyrate reagent and the Gum Arabic solution could be uniformly mixed, and this was mixed with 0.1 mM IPTG and 12.5 μg / ml of chloramphenicol , And the mixture was poured into a petri dish to prepare a turbid plate.

고구마밭 토양유래 메타게놈 라이브러리(트랜스포손이 삽입되지 않은 라이브러리)와 트랜스포손이 삽입된 동일 메타게놈 라이브러리를 대상으로 리파아제의 활성을 지니는 클론을 선별 및 비교함으로써 트랜스포손에 의해 메타게놈 라이브러리에 삽입된 T7 프로모터의 효과를 검증하고자 하였다. The same meta genomic library in which the metagenomic library (transposon-inserted library) and the transposon-inserted meta genome library of sweet potato field soil were inserted and inserted into the meta genome library by selecting and comparing clones having lipase activity T7 promoter.

트랜스포손이 삽입되지 않은 라이브러리의 경우 약 2.5 x104개의 라이브러리를 탐색하였으며, 트랜스포손이 삽입된 라이브러리의 경우 2 x 104개의 라이브러리를 탐색하였다. 각 라이브러리를 TBN turbid plate에 도말한 후 37℃에서 24시간 배양하였다. 37℃에서 콜로니의 어느 정도 성장이 이루어진 다음에는 실온으로 옮겨 효소활성에 의해 투명환을 형성여부를 9일 동안 관찰하였다. 실험 결과, 트랜스포손이 삽입된 라이브러리에서는 1일째부터 투명환이 형성된 콜로니가 발견되기 시작했으며 9일 동안 24개의 히트가 선별되었다. 반면 트랜스포손이 삽입되지 않은 라이브러리에서는 배양 2일째부터 투명환이 관찰되기 시작하였으며 동일 기간 20개의 히트가 선별되었다(도 4의 가). 1차 선별결과, 투명환을 형성한 시기 및 개수를 비교하였을 때 트랜스포손이 들어간 라이브러리에서 탐색효과가 있는 것으로 파악되었으나 효과가 그다지 크지 않은 것으로 생각되었다. 그러나 1차 선별된 클론을 TBN plate에 계대하여 투명환 활성을 2차로 검증하였을 때, 전체적으로 히트의 개수의 차이가 별로 없었지만 (트랜스포손이 삽입된 라이브러리: 12개, 트랜스포손이 삽입되지 않은 라이브러리: 11개) 4일째에서는 트랜스포손이 삽입되지 않은 라이브러리에서는 탐색된 히트가 2개인 것에 비해 트랜스포손이 삽입된 라이브러리에서 탐색된 히트가 11개로 4일째에서 탐색결과가 극적으로 차이가 나는 것을 확인할 수 있었다(도 4의 나). 다음으로는 트랜스포손의 도입으로 인하여 히트의 활성이 증가된 것을 보여주기 위하여 탐색된 TBN plate중 각 라이브러리에서 가장 빠르게 선별된 히트의 투명환 정도를 2일째, 4일째에서 비교한 것이다. 왼쪽은 트랜스포손이 도입되지 않은 라이브러리에서 2일째 선별된 클론이며, 중앙은 트랜스포손이 도입된 라이브러리에서 1일째 선별된 클론이다. 오른쪽은 중앙에서 보여지는 히트를 2차 검증을 통하여 리파아제 활성을 강하게 지니고 있음을 확인한 결과이다(도 4의 다). For trans poson this library was not inserted navigate four library of about 2.5 x10, for the trans poson insertion library search was a 2 x 10 4 library. Each library was plated on a TBN turbid plate and incubated at 37 ° C for 24 hours. After a certain growth of the colonies at 37 ° C, the cells were transferred to room temperature and observed for 9 days to form a transparent ring by enzyme activity. As a result of the experiment, in the library in which the transposon was inserted, a colony with a transparent ring was found on the first day and 24 hits were selected for 9 days. On the other hand, in the library in which the transposon was not inserted, transparent rings were observed from the second day of culture and 20 heat of the same period were selected (Fig. The results of primary screening showed that when the time and number of transparent rings were formed, there was a search effect in the library containing transposon, but the effect was not so great. However, when the first screened clones were tested on the TBN plate, the number of heat was not significantly different when the second round of the assay was performed (transposon-inserted library: 12, transposon-free library: 11). On the fourth day, 11 libraries were found in the library with transposon inserted, compared with 2 in the library where no transposon was inserted, and the results were dramatically different on the fourth day (B in Fig. 4). Next, in order to show the increase in heat activity due to the introduction of transoson, we compared the degree of transparency of the most rapidly selected heat on the 2nd day and 4th day in each library among the TBN plates searched. On the left is a clone selected on day 2 in a library without transposon introduced, and the center is a clone selected on day 1 in a library into which transposon was introduced. On the right side, the result of confirming that the heat shown in the center has a strong lipase activity through secondary verification (FIG. 4).

즉, TBN plate에서 라이브러리를 오랫동안 배양하면 활성을 지니고 있는 클론은 나중에라도 천천히 나오게 되어 최종적으로 탐색된 히트의 개수로는 차이가 별로 없지만 트랜스포손을 라이브러리에 도입시킴으로써 전체적으로 히트의 활성을 증가시키고 짧은 시간에 많은 히트를 선별할 수 있는 효과가 있었다.
That is, when the library is cultured for a long time on the TBN plate, the active clone slowly comes out later, and there is little difference in the number of hits finally searched. However, by introducing transposon into the library, There was an effect that a lot of hits could be selected.

실시예Example 4:  4: 씨트로박터Seetro Bertha 프레운디의Freundy's 강제전사라이브러리에서  From the Force Transfer Library 투명환Transparent ring 탐색방법을 통한 티로신  Tyrosine by searching 페놀리아제의Phenolic 탐색 quest

티로신 turbid plate에서 투명환의 발생에 의하여 티로신 페놀리아제를 탐색하는 방법으로 강제전사시스템의 효과를 확인하였다. 티로신 페놀리아제의 유전자를 염색체에 보유하고 있는 것으로 알려진 씨트로박터 프레운디(Citrobacter freundii)의 게놈으로부터 포스미드 라이브러리 제작 키트(Cat. no. CCFOS110, Epicentre, 미국)를 이용하여 시트로박터 프레운디 게놈라이브러리를 제작하였고, 게놈라이브러리에 강제전사 시스템을 도입하였다. 실험 과정은 다음과 같다. 목적 유전자인 메타게놈 DNA를 분리하기 위해, 씨트로박터 프레운디의 게놈 라이브러리 cell stock(OD600/㎖ = 10) 1 ㎖에 동량의 LB배지(Luria-Bertani, 1%(w/v) 박토-트립톤, 0.5%(w/v) 효모추출액, 1%(w/v) 염화나트륨) 1 ㎖을 첨가한 후, 37℃에 1시간동안 배양하였다. 배양 후 LB배지를 이용해 최종 부피를 10 ㎖로 맞추어 주고, 게놈라이브러리를 포함하고 있는 균주내에 포함된 게놈라이브러리 DNA copy 수를 늘리기 위해, 1 x copy control(Epicentre, 미국) 용액 및 12.5 ㎍/㎖의 클로람페니콜을 첨가하여 37℃, 250 rpm에서 5시간동안 진탕배양하였다. 균주 내에서 copy가 증가된 DNA는 plasmid midi prep kit(Qiagen, 미국)를 이용하여 분리 및 정제 하였다. 게놈라이브러리 내로 트랜스포손을 랜덤하게 삽입하는 반응액 조성은 우선 게놈라이브러리 유전자와 트랜스포손의 몰수비를 1:10 으로 하고, 1 unit의 Tn5 전이효소(Epicentre, 미국) 및 1 x 반응버퍼(150mM 초산칼륨, 10mM 초산마그네슘, 4mM 스퍼미딘이 첨가된 50mM 트리스-아세테이트(pH7.5)버퍼)를 첨가하여 37℃에서 2시간 동안 전이반응(Transposition) 하였으며, SDS를 1%(w/v) 첨가하여 정지시켰다. 반응 DNA 산물은 DNA purification kit(Qiagen, 미국)를 이용하여 정제 후, 5 ㎕부피로 에탄올 농축시켜 전기 천공법으로 대장균(EPI300(DE3))에 도입하였다. 균주의 상태를 건강하게 하기 위해 37℃에서 1시간 회복기를 준 후, 10 ㎍/㎖의 카나마이신(트랜스포손 선별마커)과 12.5 ㎍/㎖의 클로람페니콜(메타게놈 선별마커)이 첨가된 LB 고체배지에 도포하여 37℃에서 16시간동안 배양하였다. 선별마커가 포함된 배지에서 자란 균체 라이브러리 사이즈는 2.3 x 104이었으며, 이는 저장버퍼(1 x TY buffer, 15%(v/v) glycerol, 2%(w/v) glucose) 를 이용하여 회수하였다. The effect of forced transfer system was confirmed by searching tyrosine phenolase by the occurrence of transparent ring in tyrosine turbid plate. The genome of Citrobacter freundii , which is known to contain the gene of tyrosine phenol lyase on the chromosome, was transformed into the genome of Citrobacter freundii by using a phosmid library production kit (Cat. No. CCFOS 110, Epicenter, USA) The library was constructed and a forced transcription system was introduced into the genomic library. The experimental procedure is as follows. In order to isolate the target genomic DNA, 1 ml of a genomic library of cell lines (OD 600 / ml = 10) was added to an equal volume of LB medium (Luria-Bertani, 1% (w / v) 1 ml of tryptone, 0.5% (w / v) yeast extract, and 1% (w / v) sodium chloride) was added thereto, followed by incubation at 37 ° C for 1 hour. After the incubation, the final volume was adjusted to 10 ml using LB medium, and 1 x copy control (Epicenter, USA) solution and 12.5 μg / ml solution of genomic library were added to increase the number of genomic library DNA copies contained in the strain containing the genomic library Chloramphenicol was added and cultured at 37 DEG C and 250 rpm for 5 hours with shaking. DNA with increased copy number in the strain was isolated and purified using plasmid midi prep kit (Qiagen, USA). The reaction mixture was randomly inserted into the genomic library. The reaction mixture was prepared by mixing 1 unit of Tn5 transferase (Epicenter, USA) and 1 x reaction buffer (150 mM acetic acid) in a molar ratio of genomic library gene and transposon of 1:10, (50 mM Tris-acetate (pH 7.5) buffer supplemented with 10 mM potassium acetate, 10 mM magnesium acetate and 4 mM spermidine) was added and the mixture was transiently transfected at 37 ° C for 2 hours. SDS was added at 1% Stopped. Reaction DNA products were purified using a DNA purification kit (Qiagen, USA), concentrated in ethanol to a volume of 5 μl, and introduced into E. coli (EPI300 (DE3)) by electroporation. The cells were allowed to recover at 37 占 폚 for 1 hour in order to maintain the condition of the strain and then cultured on LB solid medium supplemented with 10 占 퐂 / ml kanamycin (transposon selection marker) and 12.5 占 퐂 / ml chloramphenicol (metagenome selection marker) Followed by incubation at 37 DEG C for 16 hours. The size of the bacterial library grown in the medium containing the selection marker was 2.3 x 10 4 , which was recovered using a storage buffer (1 x TY buffer, 15% (v / v) glycerol, 2% (w / v) glucose) .

티로신페놀리아제를 선별하기 위하여 티로신 turbid plate를 제작하였다. 제작방법은 다음과 같다. LB 배지에 1.5%(w/v) agar를 넣고 멸균한다. 멸균 후, 배지 온도가 약 60℃정도로 식었을 때, 20 mM 티로신, 10 μM PLP, 0.1 mM IPTG 와 12.5 ㎍/㎖를 첨가하였다. 배지를 적당히 교반시키면서 60℃에서 45℃까지 천천히 식혀 배지내에 티로신 마이크로결정이 충분히 생길 수 있도록 티로신 결정화를 유도하였다. 배지가 충분히 탁해진 다음에는 다시 60℃로 온도를 올리고 petri dish에 부어 turbid plate를 제조하였다(Choi, S. et al ., (2006) Kor . J. Microbiol . Biotechnol., 34(1), 58-62).A tyrosine turbid plate was constructed to select tyrosine phenolase. The production method is as follows. Add 1.5% (w / v) agar to the LB medium and sterilize. After sterilization, 20 mM tyrosine, 10 μM PLP, 0.1 mM IPTG and 12.5 μg / ml were added when the medium temperature had cooled to about 60 ° C. The medium was slowly cooled from 60 ° C to 45 ° C with moderate agitation to induce tyrosine crystallization so that sufficient tyrosine microcrystals could be formed in the medium. After the medium was sufficiently turbid, the temperature was raised to 60 ° C again and poured into a petri dish to prepare a turbid plate (Choi, S. et al . , (2006) Cor . J. Microbiol . Biotechnol. , 34 (1), 58-62).

트랜스포손이 삽입되지 않은 씨트로박터 프레운디의 게놈 라이브러리와 트랜스포손이 삽입된 동일 게놈 라이브러리를 대상으로 티로신페놀리아제의 활성을 지니는 클론을 선별 및 비교함으로써 강제전사의 효과를 검증하고자 하였다. We tried to verify the effect of forced transcription by selecting and comparing clones with the activity of tyrosine phenolase in the same genomic library in which the genomic library and transposon inserted in the Saccharomyces cerevisiae without transposon were inserted.

트랜스포손이 삽입되거나 혹은 삽입되지 않은 라이브러리 중 약 1 x 104의 클론을 탐색하였다. 각 라이브러리를 티로신 turbid plate에 도말한 후 37℃에서 배양하면서 투명환이 형성되는지 관찰하였다(도 5의 가). 실험 결과, 10일 후에 트랜스포손이 삽입된 라이브러리에서는 4개의 후보 콜로니가 선별되었으며 트랜스포손이 삽입되지 않은 라이브러리에서는 후보 콜로니가 생성되지 않았다. 4개의 후보 콜로니를 다시 티로신 turbid plate에 스트리킹 하였을 때, 5일 후에 하나의 클론에서 투명환이 발생하는 것을 확인하였다(도 5의 나). 즉, 강제전사가 도입되지 않은 라이브러리에서는 활성이 약해 투명환이 생성되지 않았지만 강제전사의 도입으로 인하여 투명환이 생성될 정도로 발현량이 증가된 것을 알 수 있었다.
Approximately 1 x 10 < 4 > of the clones in which the transposon was inserted or not inserted were searched. Each library was plated on a tyrosine turbid plate and incubated at 37 ° C to observe whether a transparent ring was formed (Fig. 5A). As a result, four candidate colonies were selected in the library in which the transposon was inserted after 10 days, and no candidate colonies were generated in the library in which the transposon was not inserted. When four candidate colonies were streaked back to the tyrosine turbid plate, it was confirmed that a transparent ring occurred in one clone 5 days later (FIG. 5B). That is, although the activity was weak in the library to which the forced transcription was not introduced, the expression amount was increased to such an extent that a transparent ring was not formed but a transparent ring was formed due to the introduction of the forced transcription.

실시예Example 5 : 형광단백질을 리포터로 하는 재설계 유전자회로 제작 5: Redesigned gene circuit with fluorescent protein as reporter

재설계 유전자회로는 페놀계 화합물 분해효소 조절 단백질 부위, 프로모터를 포함하는 유전자 발현 조절 부위, 형광단백질 및 항생제 저항성 유전자로부터 선택된 하나 이상의 리포터 부위로 구성된다. The redesign gene circuit consists of one or more reporter sites selected from phenolic compound degrading enzyme control protein sites, gene expression control sites including promoters, fluorescent proteins and antibiotic resistance genes.

페놀을 감지하게 되는 페놀계 화합물 분해효소 조절 단백질 부위는 P. putida 유래 페놀분해 dmp 오페론의 조절단백질인 dmpR을, 조절 단백질의 발현을 조절하는 부위는 P. putida 유래의 RBS를, 리포터 단백질로는 형광단백질(fluorescence protein)을 이용하여, 플라스미드 pUC19 기반 재설계 유전자회로(pGESS-FP)를 구성하였다.The phenolic compound degrading enzyme regulatory protein region that detects phenol is dmpR, a regulatory protein of phenol decomposition dmp operon derived from P. putida , and P. putida Plasmid pUC19-based redesign gene circuit (pGESS-FP) was constructed by using RBS derived from E. coli and a fluorescent protein as a reporter protein.

본 발명에서는 EGFP(녹색형광단백질; enhanced greeen fluorescence protein)유전자를 리포터로 한 페놀류 감지 재설계 유전자회로를 제작하기 위하여, pMGFP 플라스미드(Ha et al. Appl . Environm . Microbiol . 73:7408, 2007)를 EcoR I과 Hind III 제한 효소를 처리하여 720 bp의 EGFP 조각을 확보한 다음 pUC19 벡터에 도입하여 pUC-EGFP를 구성하였다. In the present invention, in order to prepare a phenol sensing redesign gene circuit using an EGFP (green fluorescent protein) gene as a reporter, a pMGFP plasmid (Ha et al . Appl . Environm . Microbiol . 73: 7408, 2007) with EcoR I and Hind III restriction enzyme to obtain a 720 bp EGFP fragment and then introduced into pUC19 vector to construct pUC-EGFP.

본 발명에서는 정방향 및 역방향 프라이머(서열번호 8 및 서열번호 9)를 이용하여 P. putida 콜로니를 PCR 증폭하여, EcoR I 제한효소 링커를 포함한 dmpR유전자(1,692 bp), dmp operator-promoter 영역, 그리고 dmpK유전자 일부(42 bp)와 클로닝 과정 중 삽입된 제한효소 서열 12 bp로 구성된 2,157 bp의 DNA조각을 제조하였다. dmpK유전자는 dmpR과 반대방향으로 405 bp 떨어진 위치(1,693∼2,097 bp)에 있고, 리포터 유전자는 dmpK의 N-말단 42 bp뒤에 연결되도록 구성하였다.In the present invention, by using the forward and reverse primers (SEQ ID NO: 8 and SEQ ID NO 9) P. putida The colonies were PCR amplified and EcoR DNA fragment of 2,157 bp consisting of the dmpR gene (1,692 bp) containing the I restriction enzyme linker, the dmp operator-promoter region and a part of the dmpK gene (42 bp) and the inserted restriction enzyme sequence of 12 bp during the cloning process was prepared. The dmpK gene was located 405 bp away from dmpR (1,693-2,097 bp), and the reporter gene was constructed to be linked to the N-terminal 42 bp of dmpK.

서열번호 8: 5'-ccggaattcgagctgatcgaaagtcgg-3'SEQ ID NO: 8: 5'-ccggaattcgagctgatcgaaagtcgg-3 '

서열번호 9: 5'-ccggaattcctagccttcgatgccgat-3'SEQ ID NO: 9: 5'-ccggaattcctagccttcgatgccgat-3 '

dmpK의 N-말단조각을 남겨둔 것은 형광단백질, 다양한 항생제저항성 유전자 등이 리포터로 사용되어도 dmp operator-promoter 영역의 전사촉진(transcription enhancer) 기능을 안정적으로 유지하기 위한 것이었다. 이 PCR 산물은 pUC-EGFP의 EcoR I부위에 클로닝하여 pGESS-EGFP(5,510 bp)를 제작하였다(도 6의 가).The N-terminal fragment of dmpK was left to stably maintain the transcription enhancer function of the dmp operator-promoter region even when fluorescent proteins and various antibiotic resistance genes were used as reporters. This PCR product was cloned into the EcoR I site of pUC-EGFP to construct pGESS-EGFP (5,510 bp) (Fig. 6A).

또한, 본 발명에서는 육안 관찰에 유리한 GFPUV(자외선여기 녹색형광단백질)유전자를 본 시스템의 리포터로 사용하기 위하여 pGFPUV(Clontech, 미국) 유래의 717 bp의 자외선여기 녹색형광단백질 유전자를 녹색형광단백질(EGFP) 대신에 도입하였다. 이를 위하여, 정방향 및 역방향 프라이머(서열번호 10 및 서열번호 11)로 PCR반응하여 자외선여기 녹색형광단백질 유전자를 증폭하고, 상동성 재조합 방법에 의한 유전자조작을 수행하여 pGESS-EGFP 벡터에 도입하였다(도 6의 나). 상동성 재조합 방법은 숙주세포를 준비하고, 선형화된 유전자를 도입하는 과정으로 진행되었다 (Zhang et al., Nature Biotech . 18: 1314, 2000; Zhang et al., Nature Genetics, 20:123, 1998; 대한민국 특허출원 제10-2005-0116672호). 레드-리컴비나아제 (λ-red recombinase)를 코드하는 pKD46 벡터를 함유하고 있는 대장균 DH5α의 단일 콜로니를 25 ㎍/㎖ 클로람페니콜이 첨가되어 있는 LB 액체배지 3 ㎖에 접종하여 30℃에서 16시간 동안 진탕 배양하였다. 상기 배양액을 25 ㎍/㎖ 클로람페니콜과 50 mM 아라비노즈가 첨가되어 있는 100 ㎖의 LB(Luria-Bertani, 1%(w/v) 박토-트립톤, 0.5%(w/v) 효모추출액, 1%(w/v) 염화나트륨)액체배지에 1%(v/v) 접종하여 균체성장(OD600/ml)이 0.5∼0.6이 될 때까지 30℃에서 진탕 배양하였다. 배양이 끝난 후, 전기충격 방법용 유전자 도입 세포(competent cell)를 준비하고(Molecular Cloning: A Laboratoryinanual, Joseph Sambrook, David W. Russell) 유전자 도입 세포에 BamH I 제한효소로 국 한 pGESS-EGFP 10 ng과 치환할 자외선여기 녹색형광단백질의 PCR 산물 100 ng 씩을 섞어서 전기충격 (18 kV/cm, 25 ㎌ 단일가한 후, SOC(2%(w/v) 박토-트립톤, 0.5%(w/v) 효모추출액, 10mM 염화나트륨, 2.5mM 염화칼륨, 10mM 염화마그네슘, 10mM 황산마그네슘, 20mM 포도당) 배지 1 ㎖를 첨가하여 25℃에서 20시간 동안 상동성 재조합을 유도하였다. 앰피실린이 50 ㎍/㎖이 첨가된 LB 고체배지에 도말한 후 37℃에서 밤새 배양하여 녹색형광단백질 유전자가 자외선여기 녹색형광단백질 유전자로 치환된 페놀센서, 즉 pGESS-GFPUV를 선별하였다. 참고적으로 pKD46 벡터는 온도민감성 복제시발점(temperature sensitive origin of replication)을 포함하고 있어 37℃에서는 제거되고 pGESS-GFPUV유전자만 도입되어 있는 세포를 얻을 수 있다.Further, in order to use GFP UV (ultraviolet excitation green fluorescent protein) gene, which is advantageous for visual observation, as a reporter of the present system, a 717 bp ultraviolet excitation green fluorescent protein gene derived from pGFP UV (Clontech, USA) (EGFP). For this, PCR was performed with forward and reverse primers (SEQ ID NO: 10 and SEQ ID NO: 11) to amplify the UV-excited green fluorescent protein gene, and gene manipulation was performed by homologous recombination method to introduce it into pGESS-EGFP vector 6 of b). The homologous recombination method was carried out by preparing a host cell and introducing a linearized gene (Zhang et < RTI ID = 0.0 > al ., Nature Biotech . 18: 1314,2000; Zhang et al ., Nature Genetics , 20: 123,1998 ; Korean Patent Application No. 10-2005-0116672). A single colony of E. coli DH5a containing the pKD46 vector encoding the red-recombinase was inoculated in 3 ml of LB liquid medium supplemented with 25 占 퐂 / ml of chloramphenicol and shaken at 30 占 폚 for 16 hours Lt; / RTI > The culture broth was suspended in 100 ml of LB (Luria-Bertani, 1% (w / v) bacto-tryptone, 0.5% (w / v) yeast extract, 1% (OD 600 / ml) was inoculated in a 1% (v / v) liquid medium containing 1% (w / v) sodium chloride at 30 ° C until the cell growth (OD 600 / ml) reached 0.5-0.6. After the incubation, competent cells for electric shock method were prepared (Molecular Cloning: A Laboratory Manual, Joseph Sambrook, David W. Russell) and BamH (2% (w / v) bacteriophage) after 10 ng of pGESS-EGFP restriction enzyme and 100 ng of PCR product of the UV-excited green fluorescent protein to be replaced, Homologous recombination was induced at 25 占 폚 for 20 hours by adding 1 ml of medium such as tryptone, 0.5% (w / v) yeast extract, 10mM sodium chloride, 2.5mM potassium chloride, 10mM magnesium chloride, 10mM magnesium sulfate, 20mM glucose) . Ampicillin was plated on LB solid medium supplemented with 50 μg / ml and cultured overnight at 37 ° C to select a phenol sensor, pGESS-GFP UV , in which the green fluorescent protein gene was replaced with an ultraviolet excitation green fluorescent protein gene. For reference, the pKD46 vector contains a temperature-sensitive origin of replication, which can be removed at 37 ° C and cells containing only the pGESS-GFP UV gene can be obtained.

서열번호 10: 5'-acctggagatggccgtgaccaatacccccacaccgactttcgatcagctcatgagtaaaggagaagaact-3'SEQ ID NO: 10: 5'-acctggagatggccgtgaccaatacccccacaccgactttcgatcagctcatgagtaaaggagaagaact-3 '

서열번호 11: 5'-cggataacaatttcacacaggaaacagctatgaccatgattacgccaagcttatttgtagagctcatcca-3'
SEQ ID NO: 11: 5'-cggataacaatttcacacaggaaacagctatgaccatgattacgccaagcttatttgtagagctcatcca-3 '

실시예Example 6:  6: 씨트로박터Seetro Bertha 프레운디의Freundy's 강제전사라이브러리에서 재설계 유전자회로시스템의 탐색방법을 통한 티로신  Redesign in forced transcription library Tyrosine by searching gene circuit system 페놀리아제의Phenolic 탐색 quest

강제전사가 도입된 라이브러리에서 실시예 5에서 제작된 재설계유전자회로 시스템을 적용하여 고감도로 목적유전자를 선별할 수 있는지에 대해서 조사하였다.We investigated whether the target gene could be selected with high sensitivity by applying the redesigned gene circuit system prepared in Example 5 in the library in which forced transcription was introduced.

실시예 4에 사용된 강제전사가 도입된 씨트로박터 프레운디의 게놈 라이브러리와 미도입된 게놈 라이브러리에 실시예 5에서 제작된 재설계유전자회로(pGESS-EGFP)를 전기천공법을 이용하여 삽입하였다.  The re-designed gene circuit (pGESS-EGFP) prepared in Example 5 was inserted into the genome library of the Saccharomyces cerevisiae strain introduced with the forced transcription used in Example 4 and the genome library not yet introduced using the electroporation method .

재설계유전자회로가 도입된 두 개의 라이브러리, 즉, 강제전사가 도입된 게놈 라이브러리 혹은 강제전사가 미도입된 게놈 라이브러리에서 티로신페놀리아제 유전자를 보유하고 있는 클론을 재설계유전자회로시스템의 리포터 단백질인 녹색형광단백질(EGFP)의 형광세기 분석을 통하여 고속탐색을 진행하였다. 실험방법은 다음과 같다. 강제전사가 도입된 씨트로박터 프레운디 라이브러리 혹은 강제전사가 미도입된 라이브러리의 cell stock(OD600/㎖ = 70) 200 ㎕를 50 ㎍/㎖의 앰피실린(재설계유전자회로 선별마커)과 12.5㎍/㎖의 클로람페니콜(메타게놈 선별마커)이 첨가된 LB(Luria-Bertani)배지 2mL에 첨가하고, 37℃에서 2시간 동안 배양시켜 라이브러리를 건강한 상태로 준비하였다. 1mM의 티로신이 들어 있는 M9 배지설계(1 리터당 12.8g의 Na2HPO4-7H2O, 3g의 H2PO4 , 0.5g의 NaCl, 1.0g NH4Cl, 2mM MgSO4 , 0.1mM CaCl2, 0.4% Glucose. 0.2% casamino acid, 0.01% thiamine, 1mM 티로신, 10uM PLP)에 1%(v/v)를 접종하고, 37℃에서 배양하였다. 선별마커로서 50㎍/㎖의 앰피실린과 12.5㎍/㎖의 클로람페니콜, 그리고 유도물질로서 0.1 mM IPTG를 첨가하였다. 배양 진행 중 배양액을 샘플링하여 세포의 형광을 분석함으로써 강제전사의 효과를 재설계유전자회로시스템으로 분석하였다. 세포의 형광분석은 1 x 104개 세포를 FACSCalibur(BD science, 미국) 장비를 사용하여 FL-1(515-545 nm)에서의 녹색형광단백질의 형광세기를 측정하였다. Redesigned clones retaining the tyrosine phenol-lyase gene in two libraries with introduced gene circuits, that is, a genome library with forced transcription introduced or a genome library with no forced transcription introduced. Fluorescence intensity of fluorescent protein (EGFP) was used for fast search. The experimental method is as follows. 200 μl of the cell stock (OD 600 / ml = 70) of the library in which the forced transcription was introduced or the library into which the forced transcription was not introduced was mixed with 50 μg / ml of ampicillin (redesign gene circuit selection marker) and 12.5 Was added to 2 mL of LB (Luria-Bertani) medium supplemented with 10 mu g / mL of chloramphenicol (metagenome selection marker) and the library was incubated at 37 DEG C for 2 hours to prepare the library in a healthy state. (12.8 g Na 2 HPO 4 -7H 2 O per liter, 3 g H 2 PO 4 , 0.5 g NaCl, 1.0 g NH 4 Cl, 2 mM MgSO 4 , 0.1 mM CaCl 2 , 1% (v / v) of 0.4% glucose, 0.2% casamino acid, 0.01% thiamine, 1 mM tyrosine and 10 uM PLP) and cultured at 37 ° C. 50 [mu] g / ml of ampicillin, 12.5 [mu] g / ml of chloramphenicol as a selection marker and 0.1 mM IPTG as an inducer were added. The effect of forced transcription was analyzed by a redesigned gene circuit system by analyzing cell fluorescence by sampling the culture medium during the culturing. Fluorescence analysis of cells was carried out by measuring the fluorescence intensity of green fluorescent protein at 1 × 10 4 cells in FL-1 (515-545 nm) using FACSCalibur (BD science, USA) equipment.

그 결과, 강제전사 시스템 없이 재조합유전자회로만 도입된 게놈 라이브러리에서는 22개의 히트가 감지되었지만, 강제전사 시스템이 도입된 게놈 라이브러리에서는 배양 후 13시간째에서 82개의 히트가 확인되었으며, 이는 약 3.7배 정도 선별율이 높아졌다(도 7의 가). 또한 선별된 히트들의 형광값의 비교에서도 강제전사가 도입되지 않은 라이브러리보다 강제전사가 도입된 라이브러리의 형광값이 약 2.2배 정도 높은 것으로 관찰되었다 (도 7의 나).As a result, 22 hits were detected in the genomic library containing only the recombinant gene circuit without the forced transcription system, but in the genomic library in which the forced transcription system was introduced, 82 hits were confirmed at 13 hours after the incubation, The sorting rate was increased (Fig. 7A). Also, in comparison of fluorescence values of the selected heat, the fluorescence value of the library into which the forced transcription was introduced was observed to be about 2.2 times higher than that of the library to which the forced transcription was not introduced (FIG.

결과적으로 실시예 4(재조합 유전자회로 탐색시스템 미적용)의 결과와 비교하였을 때, 고감도의 재조합 유전자회로 탐색시스템을 적용시킴으로써 선별되는 히트들의 개수가 상당히 증가(미적용: 1개, 적용: 82개)하였으며 짧은 시간(미적용: 9일, 적용: 0.5일)에 고속탐색이 가능하였다. As a result, when compared with the results of Example 4 (no recombinant gene search system), the number of selected hits was significantly increased (not used: 1, applied: 82) by applying a highly sensitive recombinant gene search system Fast search was possible in short time (not used: 9 days, application: 0.5 days).

일반적으로 사용되는 turbid plate에서 투명환 형성을 통한 유용 효소의 탐색방법은 고발현 혹은 고활성의 효소 활성을 탐색하는 경우에는 단일콜로니에서 24시간(1일) 안에도 투명환 관찰이 가능하지만(Choi, S. et al ., Kor . J. Microbiol . Biotechnol., 34:58, 2006), 실시예 4에서와 같이 저발현(혹은 난발현) 되거나 극미량의 활성만을 가진 경우(예를 들면, 메타게놈 라이브러리 탐색)에는 turbid plate에서 투명환을 관찰하는 방법으로는 목적효소를 선별하기에는 한계를 지니obi다. 따라서 극미량의 활성을 가진 유용효소를 탐색 및 선별하려ob하면 고감도의 재조합 유전자회로 탐색시스템이 바람직하며 강제적으로 발현량을 높이는 강제전사시스템을 동시에 연계시킴으로써 더욱 강력한 탐색시스템을 구축할 수 있을 것으로 예상된다.The search for useful enzymes through the formation of transparent rings in a commonly used turbid plate can be carried out within 24 hours (1 day) in a single colony for the detection of high expression or high activity enzyme activity (Choi , S. et al . , Kor . J. Microbiol . Biotechnol. , 34:58, 2006), a method of observing a transparent ring on a turbid plate in the case of low expression (or nude expression) or only a trace amount of activity (for example, a meta genome library search) It is obi limited to select the target enzyme. Therefore, it is expected that a highly sensitive recombinant gene search system would be desirable to search and screen for useful enzymes with a very small amount of activity, and a stronger search system would be constructed by simultaneously linking a forced transcription system that increases the expression level .

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to specific embodiments thereof, those skilled in the art will appreciate that such specific embodiments are merely preferred embodiments and that the scope of the present invention is not limited thereby. something to do. It is therefore intended that the scope of the invention be defined by the claims appended hereto and their equivalents.

<110> Korea Research Institute of Biosience and Biotechnology <120> Method for Screening of Useful Enzymes from Metagenome Using Forced Transcription <130> P11-B117 <160> 11 <170> KopatentIn 1.71 <210> 1 <211> 19 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Recognition site of trasposase <400> 1 ctgtctcttg tacacatct 19 <210> 2 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> T7 promoter <400> 2 taatacgact cactataggg 20 <210> 3 <211> 1209 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> transposon <400> 3 ctgtctcttg tacacatctc cctatagtga gtcgtattag ctagcatcat gaacaataaa 60 actgtctgct tacataaaca gtaatacaag gggtgttatg agccatattc aacgggaaac 120 gtcttgctcg aggccgcgat taaattccaa catggatgct gatttatatg ggtataaatg 180 ggctcgcgat aatgtcgggc aatcaggtgc gacaatctat cgattgtatg ggaagcccga 240 tgcgccagag ttgtttctga aacatggcaa aggtagcgtt gccaatgatg ttacagatga 300 gatggtcaga ctaaactggc tgacggaatt tatgcctctt ccgaccatca agcattttat 360 ccgtactcct gatgatgcat ggttactcac cactgcgatc cccggaaaaa cagcattcca 420 ggtattagaa gaatatcctg attcaggtga aaatattgtt gatgcgctgg cagtgttcct 480 gcgccggttg cattcgattc ctgtttgtaa ttgtcctttt aacagcgatc gcgtatttcg 540 tctcgctcag gcgcaatcac gaatgaataa cggtttggtt gatgcgagtg attttgatga 600 cgagcgtaat ggctggcctg ttgaacaagt ctggaaagaa atgcataaac ttttgccatt 660 ctcaccggat tcagtcgtca ctcatggtga tttctcactt gataacctta tttttgacga 720 ggggaaatta ataggttgta ttgatgttgg acgagtcgga atcgcagacc gataccagga 780 tcttgccatc ctatggaact gcctcggtga gttttctcct tcattacaga aacggctttt 840 tcaaaaatat ggtattgata atcctgatat gaataaattg cagtttcatt tgatgctcga 900 tgagtttttc taagcggccg ctcagaattg gttaattggt tgtaacactg gcagagcatt 960 acgctgactt gacgggacgg cggctttgtt gaataaatcg aacttttgct gagttgaagg 1020 atcagatcac gcatcttccc gacaacgcag accgttccgt ggcaaagcaa aagttcaaaa 1080 tcaccaactg gtccacctac aacaaagctc tcatcaaccg tggcggggat cctctagagt 1140 cgacctgcag gcatgcaagc ttcagctagc taatacgact cactataggg agatgtgtac 1200 aagagacag 1209 <210> 4 <211> 48 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 4 ctgtctcttg tacacatctg agtaaaggag aagaactttt cactggag 48 <210> 5 <211> 40 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 5 ctgtctcttg tacacatctg gctagctgaa gcttgcatgc 40 <210> 6 <211> 66 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 6 ctgtctcttg tacacatctc cctatagtga gtcgtattag ctagcatcat gaacaataaa 60 actgtc 66 <210> 7 <211> 59 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 7 ctgtctcttg tacacatctc cctatagtga gtcgtattag ctagctgaag cttgcatgc 59 <210> 8 <211> 27 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 8 ccggaattcg agctgatcga aagtcgg 27 <210> 9 <211> 27 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 9 ccggaattcc tagccttcga tgccgat 27 <210> 10 <211> 70 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 10 acctggagat ggccgtgacc aataccccca caccgacttt cgatcagctc atgagtaaag 60 gagaagaact 70 <210> 11 <211> 70 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 11 cggataacaa 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ccgaccatca agcattttat 360 ccgtactcct gatgatgcat ggttactcac cactgcgatc cccggaaaaa cagcattcca 420 ggtattagaa gaatatcctg attcaggtga aaatattgtt gatgcgctgg cagtgttcct 480 gcgccggttg cattcgattc ctgtttgtaa ttgtcctttt aacagcgatc gcgtatttcg 540 tctcgctcag gcgcaatcac gaatgaataa cggtttggtt gatgcgagtg attttgatga 600 cgagcgtaat ggctggcctg ttgaacaagt ctggaaagaa atgcataaac ttttgccatt 660 ctcaccggat tcagtcgtca ctcatggtga tttctcactt gataacctta tttttgacga 720 ggggaaatta ataggttgta ttgatgttgg acgagtcgga atcgcagacc gataccagga 780 tcttgccatc ctatggaact gcctcggtga gttttctcct tcattacaga aacggctttt 840 tcaaaaatat ggtattgata atcctgatat gaataaattg cagtttcatt tgatgctcga 900 tgagtttttc taagcggccg ctcagaattg gttaattggt tgtaacactg gcagagcatt 960 acgctgactt gacgggacgg cggctttgtt gaataaatcg aacttttgct gagttgaagg 1020 atcagatcac gcatcttccc gacaacgcag accgttccgt ggcaaagcaa aagttcaaaa 1080 tcaccaactg gtccacctac aacaaagctc tcatcaaccg tggcggggat cctctagagt 1140 cgacctgcag gcatgcaagc ttcagctagc taatacgact cactataggg 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<211> 70 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 11 cggataacaa tttcacacag gaaacagcta tgaccatgat tacgccaagc ttatttgtag 60 agctcatcca 70

Claims (22)

다음 단계를 포함하는 강제전사시스템 및 재설계 유전자회로를 이용한 메타게놈 라이브러리로부터 목적효소를 탐색하는 방법:
(a) 탐색하고자 하는 효소를 코딩하는 유전자를 포함하는 메타게놈 라이브러리 유전자에 트랜스포사제(transposase) 인식부위(Mosaic End, ME), 프로모터, 항생제 저항성 유전자, 역방향 프로모터 및 역방향 트랜스포사제 인식부위 서열을 포함하는 트랜스포손과 트랜스포사제를 반응시켜 상기 트랜스포손이 무작위로 삽입된 메타게놈 라이브러리를 제작하는 단계;
(b) (a)단계의 프로모터 및 역방향 프로모터의 발현을 활성화 시킬 수 있는 RNA 중합효소(polymerase)가 삽입된 숙주미생물에 상기 메타게놈 라이브러리를 도입하여 재조합 미생물 라이브러리를 제작하는 단계;
(c) (i) 페놀계 화합물을 인지하는 조절단백질을 코딩하는 유전자, (ii) 형광단백질을 코딩하는 유전자 및 항생제 저항성 유전자로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 리포터 유전자, 및 (iii) 상기 페놀계 화합물을 인지하는 조절 단백질의 발현을 유도하는 프로모터(promotor), 상기 페놀계 화합물을 인지하는 조절 단백질이 결합하여 하류의 리포터 유전자의 발현을 조절하는 조절부위(operator) 및 상기 조절부위와 연동하여 리포터 유전자의 발현을 유도하는 프로모터(promotor)로 구성된 유전자 발현 조절부위를 포함하는 페놀계 화합물 감지용 재설계 유전자회로를 상기 (a)단계의 메타게놈 라이브러리에 도입하는 단계;
(d) 목적효소 탐색시 상기 프로모터가 작동할 수 있도록 재조합 미생물 라이브러리에 유도물질(inducer)을 처리하여 배양하는 단계;
(e) 상기 배양된 재조합 미생물 라이브러리를 효소반응에 의해 페놀계 화합물을 유리할 수 있는 페놀 방출 화합물로 처리하는 단계;
(f) 효소반응에 의해 유리된 페놀계 화합물을 감지하여 발현이 유도된 리포터 단백질의 활성을 측정하여, 효소반응에 의해 페놀계 화합물을 유리할 수 있는 활성을 보유한 미생물을 고속 탐색하는 단계; 및
(g) 상기 탐색된 미생물로부터 효소반응에 의해 페놀계 화합물을 유리할 수 있는 효소의 유전자를 회수한 다음, 서열분석에 의해 동정하는 단계.
Forced transcription system and redesign including the following steps: Method for searching target enzyme from meta genome library using gene circuit:
(a) a transposase recognition site (Mosaic End, ME), a promoter, an antibiotic resistance gene, an inverse promoter and a reverse transposase recognition site sequence in a metagenomic library gene containing a gene encoding the enzyme to be sought Reacting a transposon comprising a transposon with a transposon to prepare a metagenomic library into which the transposon is randomly inserted;
(b) preparing a recombinant microorganism library by introducing the metagenome library into a host microorganism into which an RNA polymerase capable of promoting the expression of the promoter and the reverse promoter of step (a) is inserted;
(c) at least one reporter gene selected from the group consisting of (i) a gene encoding a regulatory protein that recognizes a phenolic compound, (ii) a gene encoding a fluorescent protein, and an antibiotic resistance gene, and (iii) A regulatory protein that recognizes the phenolic compound and binds to the regulator to regulate the expression of downstream reporter gene; and a reporter gene that is operatively associated with the regulatory region, Introducing into the meta genome library of step (a) a genetic circuit for the detection of a phenolic compound, which comprises a gene expression regulatory region composed of a promoter inducing the expression of the gene;
(d) a step of culturing the recombinant microorganism library by treating the inducer with an inducer so that the promoter can operate during enzyme search;
(e) treating the cultured recombinant microorganism library with a phenol-releasing compound which may be advantageous to the phenolic compound by an enzymatic reaction;
(f) detecting the phenol-based compound liberated by the enzyme reaction, measuring the activity of the expression-induced reporter protein, and then searching the microorganism having an activity capable of favoring the phenolic compound by an enzyme reaction at a high speed; And
(g) recovering the gene of the enzyme capable of favoring the phenolic compound by the enzyme reaction from the searched microorganism, and then identifying it by sequence analysis.
제1항에 있어서, 상기 트랜스포손의 프로모터는 T7 프로모터, lac 프로모터, ara프로모터, trc 프로모터 및 Phce프로모터로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
The method according to claim 1, wherein the promoter of the transposon is selected from the group consisting of a T7 promoter, a lac promoter, an ara promoter, a trc promoter, and a P hce promoter.
제1항에 있어서, (b) 단계의 RNA 중합효소(polymerase)는 미생물 유래의 RNA 중합효소 또는 파아지 유래 T7 RNA 중합효소인 것을 특징으로 하는 방법.
The method according to claim 1, wherein the RNA polymerase of step (b) is a RNA polymerase derived from a microorganism or a T7 RNA polymerase derived from a phage.
제1항에 있어서, 트랜스포사제(transposase) 인식부위는 Tn5트랜스포손, IS 트랜스포손, Tn3 트랜스포손, Tn7트랜스포손(site-specific transposon), 및 Mu 트랜스포손으로 구성된 군에서 선택되는 트랜스포손의 트랜스포사제(transposase) 인식부위인 것을 특징으로 하는 방법.
2. The transposon of claim 1 wherein the transposase recognition site is selected from the group consisting of Tn5 transposon, IS transposon, Tn3 transposon, Tn7 site-specific transposon, and Mu transposon. Wherein the transposase recognition site is a transposase recognition site.
제1항에 있어서, 상기 트랜스포사제(transposase) 인식부위(Mosaic End, ME)는 Tn5트랜스포사제(transposase) 인식부위이고, 상기 Tn5트랜스포사제(transposase) 인식부위는 서열번호 1의 염기서열을 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
2. The method according to claim 1, wherein the transposase recognition site (Mosaic End, ME) is a Tn5 transposase recognition site and the Tn5 transposase recognition site is a nucleotide sequence of SEQ ID NO: &Lt; / RTI &gt;
제2항에 있어서, 상기 프로모터는 T7 프로모터이고, 상기 T7 프로모터는 서열번호 2의 염기서열을 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
3. The method according to claim 2, wherein the promoter is a T7 promoter and the T7 promoter has a nucleotide sequence of SEQ ID NO: 2.
제1항에 있어서, 상기 항생제 저항성 유전자는 카나마이신 저항성 유전자, 테트라사이클린저항성 유전자, 클로람페니콜 저항성 유전자 및 엠피실린 저항성 유전자로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법 .
The method according to claim 1, wherein the antibiotic resistance gene is selected from the group consisting of a kanamycin resistance gene, a tetracycline resistance gene, a chloramphenicol resistance gene, and an ampicillin resistance gene.
제1항에 있어서, 상기 트랜스포손은 서열번호 3의 염기서열로 구성된 것을 특징으로 하는 방법.
2. The method of claim 1, wherein the transposon comprises the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 3.
제1항에 있어서, 상기 트랜스포사제는 박테리아 유래의 Tn5 트랜스포사제(transposase)를 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
The method according to claim 1, wherein the transposable agent is a bacterial-derived Tn5 transposase.
제6항에 있어서, 상기 T7 프로모터를 작동시키기 위한 유도물질로서, IPTG(isopropyl-β-D-thiogalactopyranoside) 또는 락토오스(lactose)를 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
The method according to claim 6, wherein IPTG (isopropyl-β-D-thiogalactopyranoside) or lactose is used as an inducer for activating the T7 promoter.
제1항에 있어서, 상기 메타게놈 라이브러리가 플라스미드, 포스미드, 코스미드, BAC 및 YAC로 구성된 군으로부터 선택된 벡터에 토양으로부터 얻은 DNA를 도입하여 제작된 것을 특징으로 하는 방법.
The method according to claim 1, wherein the meta genome library is prepared by introducing DNA obtained from the soil into a vector selected from the group consisting of plasmid, fosmid, cosmid, BAC and YAC.
제1항에 있어서, 상기 페놀계 화합물을 인지하는 조절 단백질이 결합하여 하류의 리포터 유전자의 발현을 조절하는 조절부위는 상기 페놀계 화합물을 인지하는 조절 단백질이 결합하여 하류의 리포터 유전자가 발현될 수 있도록 리포터유전자의 프로모터를 활성화하는 것을 특징으로 하는 방법.
2. The method according to claim 1, wherein the regulatory region that regulates the expression of the downstream reporter gene by binding to the regulatory protein that recognizes the phenolic compound binds to the regulatory protein that recognizes the phenolic compound, Wherein the promoter of the reporter gene is activated.
제1항에 있어서, 상기 효소는 알파-글루코시다제, 베타-글루코시다제, 셀룰라제, 글리코실세라미다제, 포스파아타제, 피타제, 에스터라제, 리파제, 유레타나제, 아미다제, 펩티다제, 프로테이나제, 옥시도리덕타제, 페놀-리아제, 디할로게나제, 이소머라제, 모노옥시지나제 및 디옥시지나제로 구성된 군에서 선택된 것을 특징으로 하는 방법.
The method according to claim 1, wherein the enzyme is selected from the group consisting of alpha- glucosidase, beta-glucosidase, cellulase, glycosylceramidase, phosphatase, phytase, estera, lipase, Wherein the peptide is selected from the group consisting of peptidase, proteinase, oxydorudactase, phenol-lyase, dihalogenase, isomerase, monooxygenase and deoxygenase.
제1항에 있어서, 효소 반응에 의해 유리되는 페놀계 화합물은 페놀, o-클로로페놀, m-클로로페놀, p-클로로페놀, o-니트로페놀, m-니트로페놀, p-니트로페놀, 살리실산, 2-아미노페놀, 2-메톡시페놀, 카테콜, 리소시놀, 3-메틸카테콜, 2,4-디메틸페놀, 2,5-디메틸페놀, 3,4-디메틸페놀, 2,3-디메틸페놀, 3,5-디메틸페놀, 2,4-디클로로페놀, 2,5-디클로로페놀, 2,3-디클로로페놀, 2,6-디클로로페놀, 3,4-디클로로페놀, 3,5-디클로로페놀, 2,4-디니트로페놀, o-크레졸, m-크레졸, p-크레졸, 2-에틸페놀, 3-에틸페놀, 2-플로로페놀, 2-요오드페놀 및 벤젠으로 구성된 군으로부터 선택되는 화합물인 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 1, wherein the phenolic compound liberated by the enzymatic reaction is selected from the group consisting of phenol, o-chlorophenol, m-chlorophenol, p-chlorophenol, o-nitrophenol, m-nitrophenol, 2-aminophenol, 2-methoxyphenol, catechol, lysocynol, 3-methylcatechol, 2,4-dimethylphenol, 2,5-dimethylphenol, 3,4-dimethylphenol, 2,3-dimethyl Phenol, 3,5-dimethylphenol, 2,4-dichlorophenol, 2,5-dichlorophenol, 2,3-dichlorophenol, 2,6-dichlorophenol, 3,4-dichlorophenol, 3,5-dichlorophenol , 2,4-dinitrophenol, o-cresol, m-cresol, p-cresol, 2-ethylphenol, 3-ethylphenol, 2-chlorophenol, 2-iodophenol and benzene &Lt; / RTI &gt;
제1항에 있어서, 상기 페놀 방출 화합물은 페놀 히드록실기가 수식된 에스테르; 글리코사이드; 인산에스테르; 오르쏘-, 메타- 또는 파라- 위치에 알킬기, 카르복실기, 아미노기, 티올기, 아마이드기, 설파이드기, 니트로기 또는 할로겐기가 도입된 페놀 유도체; 및 벤젠고리 화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 1, wherein the phenol-releasing compound is an ester in which a phenol hydroxyl group is modified; Glycosides; Phosphate esters; A phenol derivative in which an alkyl group, a carboxyl group, an amino group, a thiol group, an amide group, a sulfide group, a nitro group or a halogen group is introduced in an ortho, meta- or para-position; &Lt; / RTI &gt; and benzene ring compounds.
제1항에 있어서, 상기 페놀계 화합물을 인지하는 조절 단백질은 DmpR 또는 이의 변이체인 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 1, wherein the regulatory protein that recognizes the phenolic compound is DmpR or a variant thereof.
제1항에 있어서, 상기 형광단백질은 GFP, GFPUV, 및 RFP로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 1, wherein the fluorescent protein is selected from the group consisting of GFP, GFP UV , and RFP.
삭제delete 제1항에 있어서, 상기 리포터 단백질의 활성 측정은 미생물 콜로니 이미지 분석, 형광스펙트럼 분석, 형광유세포분석(FACS) 및 항생제 내성 측정법으로부터 선택되는 방법을 이용하는 것을 특징으로 하는 방법.
The method according to claim 1, wherein the activity of the reporter protein is selected from microorganism colony image analysis, fluorescence spectrum analysis, fluorescence flow cytometry (FACS) and antibiotic resistance measurement.
제1항에 있어서, 상기 미생물은 대장균, 슈도모나스 및 효모로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
The method according to claim 1, wherein the microorganism is selected from the group consisting of E. coli, Pseudomonas and yeast.
제1항에 있어서, 상기 유전자회로는 리포터 단백질의 발현효율을 높이기 위해 RBS (Ribosome binding site)를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
The method according to claim 1, wherein the gene circuit comprises RBS (Ribosome binding site) to increase the expression efficiency of a reporter protein.
제1항에 있어서, 상기 리포터 유전자는 형광 단백질을 코딩하는 유전자 및 항생제 저항성 유전자로 구성된 이중 리포터 유전자인 것을 특징으로 하는 방법.The method according to claim 1, wherein the reporter gene is a double reporter gene consisting of a gene encoding a fluorescent protein and an antibiotic resistance gene.
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