KR101617527B1 - 활성이 개선된 엔테로박터 에어로게네스균 유래의 돌연변이 리비톨 탈수소효소 및 그 용도 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 단백질공학 기술을 이용하여 엔테로박터 에어로게네스균 (Enterobacter aerogenes) 유래 리비톨 탈수소효소의 활성을 증가시키는 것에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 양자역학 및 분자역학에 기반한 스크리닝을 통해 효소 안정성에 영향을 끼치는 잔기를 찾고, 탐색된 잔기의 돌연변이에 의해 효소활성이 향상된 리비톨 탈수소효소, 이를 코딩하는 핵산 분자, 상기 핵산 분자를 포함하는 벡터, 상기 벡터를 포함하는 형질전환체, 및 상기 리비톨 탈수소효소의 돌연변이체에 관한 것이다.
Description
본 발명은 단백질공학 기술을 이용하여 엔테로박터 에어로게네스균 (Enterobacter aerogenes) 유래 리비톨 탈수소효소의 활성을 증가시키는 것에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 양자역학 및 분자역학에 기반한 스크리닝을 통해 효소 안정성에 영향을 끼치는 잔기를 찾고, 탐색된 잔기의 돌연변이에 의해 효소활성이 향상된 리비톨 탈수소효소, 이를 코딩하는 핵산 분자, 상기 핵산 분자를 포함하는 벡터, 상기 벡터를 포함하는 형질전환체, 및 상기 리비톨 탈수소효소의 돌연변이체에 관한 것이다.
일반적으로 단당은 폴리히드록실알데히드 구조를 가지는 알도오스, 폴리히드록실케톤 구조를 가지는 케토오스 및 그들을 환원하여 얻어지는 당알콜로 대별된다. 한편, 단당은 자연계에 있어서의 존재량에 따라서도 분류된다. 즉, 희소당은 국제희소당 학회의 정의에 의하면 「자연계에 드물게 존재하는 당」이라고 정의되어 있으며, 자연계에서의 존재량이 적은 단당이다. 희소당은 일반적으로 유기화학적 합성방법에 의한 합성 반응에서는 수율이 매우 낮은 것이 많다. 이 때문에, 희소당은 미지의 성질인 것이 많으며, D-글루코오스를 포함한 알도헥소오스(6탄당의 알도오스)의 희소당에 있어서도 미지의 성질이 많다. 이 알도헥소오스에 속하는 희소당으로서는, D-알로오스 외에 D-굴로오스, D-이도오스, D-타로오스, D-알토로오스, L-만노오스, L-글루코오스, D-리불로오스, L-갈락토오스 등이 예시된다. 또한, D-사이코스를 포함한 케토헥소오스(6탄당의 케토오스)의 희소당에 있어서도 마찬가지이다. 케토헥소오스에 속하는 희소당으로서는 D-사이코스, L-사이코스, D-소르보오스, L-소르보오스, D-타가토오스, L-타가토오스, L-프럭토오스 등이 예시된다.
특히 리불로오스는 가지 달린 오탄당들의 합성에 사용되는 원료 의약품으로서 유용성이 높은 것으로 알려지면서 최근에 더욱 주목받고 있으며, 리불로오스의 고효율 생물학적 제조방법의 확립이 요구되고 있다. 리불로오스는 자연계에 소량 존재할 뿐만 아니라, 리불로오스를 생산할 수 있는 효소의 시스템이 없어 사업화하는데 어려움이 있다. 따라서, 생촉매를 사용하여 리불로오스를 생산하는 효소적 생산방법은 효소의 안정성과 높은 활성이 확보되어야 한다.
[선행 특허 문헌]
대한민국 출원번호 10-2009-7012896
본 발명의 목적은 기능성 당인 리불로오스의 생물전환에 작용하는 리비톨 탈수소효소를 실제 산업용 효소로 활용하기 위해서 부위특이적 돌연변이법을 통하여 효소의 활성을 개량하는 것이다.
본 발명의 두 번째 목적은 상기 개량된 리비톨 탈수소효소 유전자를 포함한 재조합 발현벡터를 제공하는 것이다.
본 발명의 세 번째 목적은 개량된 유전자가 형질전환된 재조합 대장균을 포함하는 모든 형질전환 균주를 제공하는 것이다.
본 발명의 네 번째 목적은 개량된 효소가 형질전환된 재조합 대장균을 이용한 재조합 리비톨 탈수소효소를 제공하는 것이다.
본 발명의 다섯 번째 목적은 상기 효소를 이용하여 리비톨 탈수소효소의 활성에 영향을 미치는 잔기를 제시하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 서열번호 3의 리비톨 탈수소효소의 147번째 아미노산과 199번째 아미노산 중 하나 이상이 치환된 돌연변이체를 제공한다: 상기 돌연변이체에서 147번째 아미노산인 발린은 아이소류신으로 치환되고, 199번째 아미노산인 메티오닌은 류신으로 치환되는 것이 바람직하나 이에 한정되지 아니한다.
본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 효소는 엔테로박터 에어로게네스균 (Enterobacter aerogenes)으로부터 유래된 것이 바람직하나 화학합성법이나 유전공학적인 방법에 의하여 제조된 리비톨 탈수소효소도 본 발명의 보호범위에 포함된다.
본 발명의 다른 구현예에 있어서, 상기 돌연변이 효소는 서열번호 5, 7 또는 9의 아미노산 서열을 가지는 것이 바람직하나 이 서열에 하나 이상의 치환, 결손, 역위, 전좌 등을 통하여 본 발명이 달성하고자 하는 효과를 얻는 돌연변이체도 본 발명의 범위에 포함된다.
또 본 발명은 상기 본 발명의 효소를 코딩하는 유전자를 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 유전자는 서열번호 6, 8 또는 10의 염기서열을 가지는 것이 바람직하나 이 서열에 하나 이상의 치환, 결손, 역위, 전좌 등을 통하여 본 발명이 달성하고자 하는 효과를 얻는 돌연변이체도 본 발명의 범위에 포함된다.
또 본 발명은 상기 본 발명의 유전자를 포함하는 재조합벡터를 제공한다.
본 발명은 상기 본 발명의 재조합벡터를 미생물에 형질전환시켜서 형질전환체를 제조하여 상기 본 발명의 효소를 발현하는 단계를 포함하는 상기 본 발명의 돌연변이체 효소의 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명은 상기 본 발명의 돌연변이체를 이용하여 리비톨로부터 리불로오스를 생산하는 방법을 제공한다.
또 본 발명은 상기 본 발명의 돌연변이체를 유효성분으로 포함하는 리불로오스 생산용 조성물을 제공한다.
이하 본 발명을 설명한다.
본 발명은 본 발명의 상기 리비톨 탈수소효소를 이용하여 효소 활성에 중요한 역할을 수행하는 몇몇 잔기를 제시함으로써, 탈수소효소의 활성 결정인자 규명에 대한 기반기술을 제공한다.
또한 본 발명은 본 발명의 상기 돌연변이 리비톨 탈수소효소를 이용하여 고활성을 갖는 리비톨 탈수소효소를 제공하고 이는 리불로오스를 효율적으로 생산하는데 이용될 수 있다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
서열번호 6, 8 및 10은 본 발명의 변이된 리비톨 탈수소효소 유전자의 염기서열을, 서열번호 5, 7 및 9는 상기 유전자가 코딩하는 아미노산 서열을 표시한다. 앞서 설명한 바와 같이, 상기 아미노산 서열을 가진 폴리펩티드가 리비톨 탈수소효소 활성을 가지는 한, 수 개의 아미노산에 대해서 결실, 치환, 부가 등의 변이가 있어도 된다. 또한 본 발명의 유전자는 서열번호 3, 5, 7 및 9로 표시되는 아미노산을 코딩하는 염기서열을 가진 것에 첨가하여, 축중 코돈에 있어서만 상이한 동일 폴리펩티드를 코딩하는 축중 이성체도 포함한다. 여기서 결실, 치환, 부가 등의 변이는, 부위돌연변이 도입방법(Current Protocols in Molecular Biology 1권, 811페이지, 1994년) 등에 의해 도입가능하다.
본 발명의 형질전환된 미생물은 본 발명의 재조합벡터를 상기 재조합벡터를 제작할 때에 사용한 발현벡터에 적합한 숙주 속에 도입함으로써 얻게 된다. 예를 들면 대장균 등의 세균을 숙주로서 사용하는 경우, 본 발명에 관한 재조합벡터는 그 자신이 숙주 속에서 자율복제 가능한 동시에, 프로모터, 리비톨 탈수소효소 유전자를 함유하는 DNA, 전사종결서열 등의 발현에 필요한 구성을 가진 것임이 바람직하다. 본 발명에 사용된 발현벡터로서는 pET-28a를 사용하였으나 상기의 요건을 만족하는 발현벡터이면 어느 것이나 사용가능하다.
프로모터는, 숙주 속에서 발현할 수 있는 것이면 어느 것이나 사용가능하다. 예를 들면, trp프로모터, trc프로모터, tac프로모터, lac프로모터, PL프로모터, PR프로모터, T7프로모터, T3프로모터 등의 대장균이나 파지 등에 유래하는 프로모터를 사용할 수 있다. 재조합 DNA의 세균내로의 도입방법으로서는 상기한 염화칼슘법이나 일렉트로포레이션법 등이 이용가능하다.
또한 재조합벡터에는 발현의 억제, 증폭, 유도를 위한 각종 기능을 가진 단편이나, 형질전환체의 선택을 위한 마커나 항생물질에 대한 내성유전자 또는 균체 밖으로의 분비를 목적으로 한 시그널을 코딩하는 유전자 등을 추가로 가진 것도 가능하다.
본 발명에 관한 변이된 리비톨 탈수소효소의 제조는 다음과 같이 수행한다. 변이된 효소를 코딩하는 유전자를 가진 재조합벡터로 숙주를 형질전환해서 얻은 형질전환체를 배양하고, 배양물 (배양균체 또는 배양상청액) 속에 유전자 산물인 리비톨 탈수소효소를 생성 및 축적시켜, 배양물로부터 리비톨 탈수소효소를 취득함으로써 행하여진다.
본 발명의 형질전환체를 배양하는 방법은 숙주의 배양에 사용되는 통상의 방법을 사용하면 된다. 또한 프로모터가 유도성의 발현벡터를 사용해서 형질전환한 미생물을 배양하는 경우는 프로모터의 종류에 적합한 유도물질을 배지에 첨가하면 된다. 예를 들면 이소프로필-베타-D-티오갈락토피라노시드(IPTG), 카나마이신을 유도물질로서 들 수 있다.
변이된 리비톨 탈수소효소의 취득 및 정제는, 얻게 되는 배양물로부터 균체 또는 상청액을 원심 회수한 후, 균체파쇄, 추출, 친화성 크로마토그래피, 양이온 또는 음이온교환 크로마토그래피, 겔여과 등을 단독으로 또는 적당히 조합함으로써 행할 수 있다.
얻게 된 정제물질이 목적의 효소인 것의 확인은, 통상의 방법, 예를 들면 SDS-폴리아크릴아미드겔 전기영동, 웨스턴블로팅 등에 의해 행할 수 있다.
또한, 숙주로서 미생물을 사용한 형질전환체의 배양, 형질전환체에 의한 리비톨 탈수소효소의 생산과 균체 내에의 축적 및 균체로부터의 리비톨 탈수소효소의 회수는 상기의 방법에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에서는 고활성 효소를 확보하고 효소의 활성에 중요한 역할을 하는 몇몇 잔기를 제시하고자 엔테로박터 에어로게네스균으로부터 리비톨 탈수소효소의 유전자를 클로닝하였다. 전기 유전자를 삽입한 재조합 균주가 높은 활성에 중요한 역할을 하는 몇몇 잔기를 제시함으로써, 고활성 결정인자 규명에 대한 기반기술을 제공할 수 있음을 확인하였다. 효소 활성에 중요 역할을 하는 잔기를 돌연변이하여 얻어진 돌연변이 효소를 사용하여 재조합 균주가 리비톨로부터 리불로오스를 제조하는 활성을 증가시킬 수 있다.
본 발명에서 고활성을 나타내는 여러 리비톨 탈수소효소 변이체를 이용하여 기질에 대한 결합력을 증가시킴과 동시에 효소의 활성을 증가시킬 수 있었다. 이는 기존 리비톨 탈수소효소의 낮은 효소활성 문제점을 극복함으로써, 당 혼합물로부터 리불로오스의 경제적인 생산에 유용하게 적용될 것이다.
기존의 리비톨 탈수소효소에 의해 생성되는 리불로오스는 원료 의약품 등 의약학적으로 유용한 가치를 가지고 있지만, 해당 효소의 불안정성과 낮은 효소활성이라는 단점을 가지고 있다.
따라서 본 발명은 엔테로박터 에어로게네스균 (Enterobacter aerogenes) 유래 리비톨 탈수소효소의 활성에 중요한 역할을 하는 잔기를 돌연변이 시킴으로써 기질이 효소에 결합하는 능력을 증가시킴과 동시에 효소의 활성이 증가된 개량된 효소를 개발함에 있다. 또한 상기 리비톨 탈수소효소의 돌연변이체 및 개량된 리비톨 탈수소효소를 이용하여 효율적으로 리불로오스를 제조할 수 있다.
도 1은 엔테로박터 에어로게네스균 균주로부터 유래된 야생형 리비톨 탈수소효소 및 고활성 변이체인 EaRDH V147I, M199L, V147I M199L의 SDS-폴리아크릴아미드겔 전기영동 사진이다.
도 2는 야생형 EaRDH 효소의 동역학적 매개변수 그래프.
도 3은 EaRDH V147I 변이체의 대한 동역학적 매개변수 그래프.
도 4는 EaRDH M199L 변이체의 대한 동역학적 매개변수 그래프.
도 5는 EaRDH V147I M199L 변이체의 대한 동역학적 매개변수 그래프.
도 2는 야생형 EaRDH 효소의 동역학적 매개변수 그래프.
도 3은 EaRDH V147I 변이체의 대한 동역학적 매개변수 그래프.
도 4는 EaRDH M199L 변이체의 대한 동역학적 매개변수 그래프.
도 5는 EaRDH V147I M199L 변이체의 대한 동역학적 매개변수 그래프.
이하, 본 발명을 비한정적인 하기 실시예에 의하여 더욱 상세히 설명한다. 단 하기 실시예는 본 발명을 예시할 뿐 본 발명은 하기 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되지 아니한다.
실시예 1: 리비톨 탈수소효소의 유전자 클로닝
엔테로박터 에어로게네스 균을 37℃에서 배양하고, 원심분리(8000xg, 10분)하여 균체를 수득하였다. 수득된 균체로부터 게놈 DNA를 분리하고, 엔테로박터 에어로게네스균의 리비톨 탈수소효소를 암호화하는 유전자의 염기서열을 이용하여 프라이머 EaRDH F-5'-AGG ATC CAT GAA TAC TTC TCT TAG CG -3' (서열번호 1) EaRDH R-5'-CTC GAG TAA ATC AAC GCT GTT AGG C-3' (서열번호 2)를 제작하여 PCR을 행하였다. PCR 산물 즉, 엔테로박터 에어로게네스균에서 증폭된 리비톨 탈수소효소를 포함한 유전자를 pGEM T-easy 벡터에 삽입하여 염기서열을 분석하였다 (서열번호 4).
실시예 2: 재조합 발현 벡터 및 재조합 균주 제조
실시예 1에 따른 리비톨 탈수소효소를 암호화하는 유전자를 이용하여 전기 리비톨 탈수소효소를 대장균에서 대량으로 발현시키기 위하여, 발현 벡터 pET-28a (Novagen, 독일)의 BamHI과 XhoI 부위에 상기 효소 유전자를 삽입한 후 대장균 BL21(DE3)(NEB, 영국)에 형질 전환시켰다.
실시예 3: 재조합 리비톨 탈수소효소의 발현 및 순수 분리
상기 실시예 2에서 제조된 재조합 균주를 LB 배지에 접종하고 37℃에서 24시간 동안 배양한 다음 SDS-PAGE 젤에서 발현된 단백질을 확인하였다 (도 1).
상기 실시예 3의 방법으로 발현시킨 재조합 리비톨 탈수소효소를 정제하기 위하여, 재조합 균주 배양액을 원심분리 (8000xg, 10분)하여 균체만을 모은 후, 초음파 처리하여 대장균의 세포벽을 파쇄하고, 20,000xg에서 20분간 원심분리하여 침전물(균체)을 제거하고 상등액을 수득하였다. 최종적으로 Ni-NTA super flow 컬럼 (GE Healthcare, 영국)을 이용한 컬럼 크로마토그래피를 수행하여 재조합 리비톨 탈수소효소를 순수 분리하였다.
실시예
4: 고활성을 가진
리비톨
탈수소효소의
변이체
제작
실시예
4-1: 활성에 중요 역할을 하는
잔기의
스크리닝
상기 실시예 3에서 순수 분리한 리비톨 탈수소효소를 이용하여 고활성에 중요한 역할을 하는 잔기를 탐색하기 위해 Discovery Studio 3.1과 Meterials Studio 6.0 (Accelrys Inc. San Diego, CA, 미국)을 사용하여 효소의 기질 결합부위 잔기들을 컴퓨터 상에서 알라닌으로 치환한 돌연변이체의 활성화에너지 값을 야생효소의 값(-48.0 kcal/mol)과 비교하여, 그 값이 감소한 V147(-49.4 kcal/mol)과 M199(-50.0 kcal/mol) 잔기를 실험적 돌연변이를 위한 목적 잔기로 선정하였다.
실시예
4-2:
V147I
,
M199L
,
V147I
M199L
변이체의
동역학적 매개변수
상기 실시 예 4-1에서와 같이 기질 결합부위의 잔기 중 147번째 잔기인 발린이 아이소류신으로, 199번째 잔기인 메티오닌을 류신으로 치환하였다. 해당 변이체를 site-directed mutagenesis kit (Stratagene, 미국)를 이용하여 제작하였으며, 표 2에 나타난 바와 같이 V147I 변이체는 기질에 대한 결합력이 증가하면서 동시에 활성이 증가하는 것을 알 수 있다. 또한 V147I 변이체 및 M199L 변이체는 대사회전율이 증가함을 알 수 있었다. 또한 이중변이체인 V147I M199L의 제작 후 촉매 효율을 확인한 결과 단일 변이체에 비하여 촉매 효율이 증가함을 알 수 있다. 표 1은 리비톨 탈수소효소의 고유 활성도에 대한 표이다.
효소 | Km (mM) | kcat (S-1) | kcat/Km (mM-1S-1) |
EaRDH | 10.3 | 271 | 26.3 |
V147I | 5.5 | 275 | 58.4 |
M199L | 11.7 | 813 | 69.5 |
V147I M199L | 6.5 | 602 | 92.9 |
<110> Konkuk University Industrial Cooperation Corp
<120> A mutant of Enterobacter aerogenes ribitol dehydrogenase improved
in its activity and use of the same
<130> HY140605
<160> 10
<170> KopatentIn 2.0
<210> 1
<211> 26
<212> DNA
<213> Artificial Sequence
<220>
<223> Primer
<400> 1
aggatccatg aatacttctc ttagcg 26
<210> 2
<211> 25
<212> DNA
<213> Artificial Sequence
<220>
<223> Primer
<400> 2
ctcgagtaaa tcaacgctgt taggc 25
<210> 3
<211> 242
<212> PRT
<213> Enterobacter aerogenes
<400> 3
Met Asn Thr Ser Leu Ser Gly Lys Val Ala Ala Val Thr Gly Ala Ala
1 5 10 15
Ser Gly Ile Gly Leu Glu Cys Ala Lys Thr Met Leu Gly Ala Gly Ala
20 25 30
Lys Val Val Leu Ile Asp Arg Glu Gly Glu Lys Leu Asn Lys Ile Val
35 40 45
Ala Glu Leu Gly Glu Asn Ala Phe Ala Leu Gln Val Asp Leu Met Gln
50 55 60
Gly Asp Gln Val Asp Lys Ile Ile Asp Gly Ile Leu Gln Leu Ala Gly
65 70 75 80
Arg Leu Asp Ile Phe His Ala Asn Ala Gly Ala Tyr Ile Gly Gly Pro
85 90 95
Val Ala Glu Gly Asp Pro Asp Val Trp Asp Arg Val Leu His Leu Asn
100 105 110
Thr Asn Ala Ala Phe Arg Cys Val Arg Ser Val Leu Pro His Met Ile
115 120 125
Ala Gln Lys Ser Gly Asp Ile Ile Phe Thr Ser Ser Ile Ala Gly Val
130 135 140
Val Pro Val Ile Trp Glu Pro Ile Tyr Thr Ala Ser Lys Phe Ala Val
145 150 155 160
Gln Ala Phe Val His Thr Thr Arg Arg Gln Val Ser Gln His Gly Val
165 170 175
Arg Val Gly Ala Val Leu Pro Gly Pro Val Val Thr Ala Leu Leu Asp
180 185 190
Asp Trp Pro Lys Glu Lys Met Glu Glu Ala Leu Ala Asn Gly Ser Leu
195 200 205
Met Gln Pro Ile Glu Val Ala Glu Ser Val Leu Phe Met Val Thr Arg
210 215 220
Ser Lys Asn Val Thr Val Arg Asp Leu Val Ile Leu Pro Asn Ser Val
225 230 235 240
Asp Leu
<210> 4
<211> 729
<212> DNA
<213> Enterobacter aerogenes
<400> 4
atgaatactt ctcttagcgg caaagtcgcc gcggtcaccg gcgccgcttc cggcattggt 60
cttgaatgcg cgaaaaccat gcttggcgcg ggcgcgaagg tggttctgat cgaccgtgaa 120
ggcgaaaagc tcaacaagat tgtggcagag cttggcgaaa acgcttttgc tttacaggtc 180
gatctgatgc agggcgatca ggtggataag atcattgacg gcatcctgca acttgccgga 240
cgtctcgata tcttccacgc caacgccggc gcttacatcg gcggcccggt cgctgagggc 300
gacccggacg tctgggatcg cgtgctgcac ctcaatacta acgccgcctt ccgctgcgtg 360
cgtagcgtgc tgccgcatat gatcgcgcaa aaatccggcg atattatttt caccagctcc 420
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gatttataa 729
Claims (9)
- 서열번호 3의 리비톨 탈수소효소의 147번째 아미노산과 199번째 아미노산 중 하나 이상이 치환된 돌연변이체: 상기 돌연변이체에서 147번째 아미노산인 발린은 아이소류신으로 치환되고, 199번째 아미노산인 메티오닌은 류신으로 치환됨.
- 제 1항에 있어서, 상기 효소는 엔테로박터 에어로게네스균(Enterobacter aerogenes) 유래 리비톨 탈수소효소인 것을 특징으로 하는 돌연변이체.
- 제 1항에 있어서, 상기 돌연변이체는 서열번호 5, 7 또는 9의 아미노산 서열로 이루어진 것을 특징으로 하는 돌연변이체.
- 제 1항의 리비톨 탈수소효소 돌연변이체를 코딩하는 유전자.
- 제 4항에 있어서, 상기 유전자는 서열번호 6, 8 또는 10의 염기서열로 이루어진 것을 특징으로 하는 유전자.
- 제 4항의 유전자를 포함하는 재조합벡터.
- 제6항의 재조합벡터를 미생물에 형질전환시켜서 형질전환체를 제조하여 제1항의 돌연변이체를 발현하는 단계를 포함하는 제1항의 돌연변이체 효소의 제조 방법.
- 제 1항의 돌연변이체를 이용하여 리비톨로부터 리불로오스를 생산하는 방법.
- 제 1항의 돌연변이체를 유효성분으로 포함하는 리불로오스 생산용 조성물.
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KR1020140071584A KR101617527B1 (ko) | 2014-06-12 | 2014-06-12 | 활성이 개선된 엔테로박터 에어로게네스균 유래의 돌연변이 리비톨 탈수소효소 및 그 용도 |
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---|---|
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Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DK202070849A1 (en) * | 2019-12-18 | 2021-07-22 | Evolva Sa | Host cells and their use for producing monosaccharides |
-
2014
- 2014-06-12 KR KR1020140071584A patent/KR101617527B1/ko active IP Right Grant
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Enzyme Microb Technol. Vol. 72, P.p. 56-64 (Epub 2015 Feb 19.) |
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