KR101740098B1 - Biofuel cell comprising aldose sugar dehydrogenase - Google Patents

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Abstract

본 발명은 서머스 서모필러스 HJ6(Thermus thermophilus HJ6) 균주로부터 유래된 알도오스 당 탈수소효소가 고정된 아노드 전극을 포함하는 바이오연료전지 및 상기 바이오연료전지를 사용하여 전기를 생산하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에서 제공하는 알도오스 당 탈수소효소가 고정된 아노드 전극을 포함하는 바이오연료전지는 종래의 바이오연료전지에 비하여, 메탄올, 에탄올 등의 알콜을 기질로 사용할 수 있고, 향상된 내열성을 나타낼 뿐만 아니라 온도가 증가되는 환경에서 오히려 전기 생산성이 증대되므로, 다양한 바이오연료전지의 개발에 널리 활용될 수 있을 것이다.The present invention relates to the use of Thermus thermophilus HJ6 thermophilus HJ6), and a method for producing electricity using the biofuel cell. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0002] The present invention relates to a biofuel cell. The biofuel cell comprising the anode electrode fixed with aldose dehydrogenase provided by the present invention can use an alcohol such as methanol or ethanol as a substrate as compared with the conventional biofuel cell and exhibits improved heat resistance In the environment where the temperature is increased, the electric productivity is increased, so that it can be widely used in the development of various biofuel cells.

Description

알도오스 당 탈수소효소를 포함하는 바이오연료전지{Biofuel cell comprising aldose sugar dehydrogenase}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a biofuel cell comprising an aldehyde dehydrogenase enzyme (biofuel cell comprising aldose sugar dehydrogenase)

본 발명은 알도오스 당 탈수소효소를 포함하는 바이오연료전지에 관한 것으로, 보다 구체적으로 본 발명은 서머스 서모필러스 HJ6(Thermus thermophilus HJ6) 균주로부터 유래된 알도오스 당 탈수소효소가 고정된 아노드 전극을 포함하는 바이오연료전지 및 상기 바이오연료전지를 사용하여 전기를 생산하는 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a biofuel cell including a sugar aldose dehydrogenase, more specifically, the present invention provides a brush Summers standing Russ HJ6 (Thermus thermophilus HJ6), and a method for producing electricity using the biofuel cell. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0002] The present invention relates to a biofuel cell.

바이오연료전지(Biofuel cell; BFC)는 효소와 미생물 등이 갖고 있는 생물의 기능을 이용하여 전자공여체인 기질이 가지고 있는 화학에너지를 전기에너지로 전환하는 장치를 의미한다. 구체적으로, 효소반응 또는 미생물의 대사에 의하여 기질이 분해되는 과정에서 발생되는 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 수단과 상기 변환된 전기에너지를 회수하는 수단을 포함하여, 결과적으로는 미생물을 사용하여 기질로부터 전기를 생산하는 장치를 의미한다. 통상적으로, 바이오연료전지는 산화효소 또는 이를 발현시키는 미생물이 고정된 아노드(anode) 전극, 환원효소 또는 이를 발현시키는 미생물이 고정된 캐소드(cathode) 전극, 상기 아노드 전극과 캐소드 전극을 연결하는 전선 및 상기 아노드 전극과 캐소드 전극이 담겨진 각각의 반응조로 구성되는데, 상기 각 반응조에 각각의 기질이 포함된 배지가 충진되면, 아노드 전극에 고정된 산화효소 또는 미생물이 분해시켜서, 분해산물로서 수소이온과 전자를 생성시키고, 상기 생성된 전자는 아노드 전극으로부터 캐소드 전극으로 이동하며, 캐소드 전극에 고정된 환원효소는 기질을 산화시키면서, 상기 이동된 전자를 이용하여 배지내의 용존산소를 물의 형태로 전환시켜서 결과적으로는 상기 전선을 통해 연속적으로 전류가 흐르게 된다. 이러한 바이오연료전지의 핵심은 각 전극에 고정된 효소 또는 미생물로서 상기 각 효소 또는 미생물이 기질에 작용하여 전자의 발생 및 소모 효율이 증가할 수록 미생물 연료전지에서 생산되는 전기의 생산량이 증가하게 된다. Biofuel cell (BFC) refers to a device that converts the chemical energy of a substrate, which is an electron donor, into electrical energy by utilizing the functions of organisms such as enzymes and microorganisms. Specifically, it includes means for converting chemical energy generated in the process of decomposition of a substrate by enzymatic reaction or metabolism of a microorganism into electrical energy, and means for recovering the converted electrical energy. As a result, Means an apparatus that produces electricity from a battery. Typically, the biofuel cell comprises an anode electrode to which an oxidizing enzyme or a microorganism expressing the oxidizing enzyme is immobilized, a reducing enzyme or a cathode electrode to which the microorganism expressing the reducing enzyme is immobilized, And an anode electrode and a cathode electrode. When each of the reaction vessels is filled with a medium containing the respective substrates, the oxidizing enzyme or microorganisms immobilized on the anode electrode are decomposed to form decomposition products The generated electrons are transferred from the anode electrode to the cathode electrode and the reducing enzyme immobilized on the cathode electrode oxidizes the substrate while the dissolved oxygen in the medium is dissolved in the form of water So that the electric current continuously flows through the electric wire. The core of such a biofuel cell is an enzyme or microorganism immobilized on each electrode. As each enzyme or microorganism acts on the substrate and the generation and consumption efficiency of electrons increases, the production amount of electricity produced by the microbial fuel cell increases.

이러한 바이오연료전지는 대체로 효소보다는 미생물을 사용하게 되는데, 기질분해 활성이 일정기간 동안만 유지되고 이후에는 기질분해 활성이 저하되는 효소와는 달리 미생물은 생명활동을 통해 기질분해 활성을 지속적으로 유지할 수 있기 때문이다. 최근에는 미생물에 대한 기질이 지속적으로 유지될 수 있는 폐수 처리장치와 상기 바이오연료전지를 연동시켜서, 폐수처리와 전기생산을 동시에 수행하는 방법이 개발되고 있다. 예를 들어, 한국특허공개 제2013-0029530호에는 미생물연료전지와 미생물전기분해전지가 융합된 에너지 자립형 고도 폐수처리 장치 및 상기 장치를 통한 폐수처리 방법이 개시되어 있다. 그러나, 이처럼 미생물을 사용한 바이오연료전지라 하여도 전기 생산이 일정수준 지속되면, 저항값이 증가하여 바이오연료전지 자체의 온도가 증가되고, 온도의 증가는 미생물의 활성을 감소시키므로, 결과적으로는, 미생물을 이용한 바이오연료전지 역시 수명이 제한된다는 단점이 부각되었다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여는, 내열성을 갖는 미생물을 사용하여야 하는데, 이러한 내열성 미생물은 기질공급이 용이하지 않을 뿐만 아니라 배양조건이 제한되므로, 내열성 미생물을 이용한 바이오연료전지의 개발이 원활하게 진행되지 못하는 실정이다. 따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있으나, 아직까지는 별다른 성과가 없는 실정이다.
These biofuel cells generally use microorganisms rather than enzymes. Unlike enzymes, in which the substrate degrading activity is maintained for a certain period of time and then the substrate degrading activity is lowered, the microorganism can maintain its substrate decomposition activity through life activities It is because. In recent years, a method has been developed in which a wastewater treatment apparatus capable of continuously maintaining a substrate for a microorganism and the biofuel cell are simultaneously operated to perform wastewater treatment and electricity production. For example, Korean Patent Laid-Open Publication No. 2013-0029530 discloses an energy-standing type advanced wastewater treatment apparatus in which a microbial fuel cell and a microbial electrolysis cell are fused and a wastewater treatment method through the apparatus. However, even if the biofuel cell using such a microorganism is maintained at a constant level, the resistance value is increased to increase the temperature of the biofuel cell itself, and the increase in temperature decreases the activity of the microorganism. As a result, Biofuel cells using microorganisms also suffered from a short life span. In order to solve such a problem, it is necessary to use a microorganism having heat resistance. Since such a heat-resistant microorganism is not easily supplied with a substrate and culture conditions are limited, development of a biofuel cell using a heat- It is true. Therefore, researches for solving these problems have been actively carried out, but there are no results yet.

이러한 배경하에서, 본 발명자들은 고온조건하에서도 구동할 수 있는 바이오연료전지를 개발하고자 예의 연구노력한 결과, 아노드 전극에 고정되는 산화효소로서 내열성 효소인 알도오스 당 탈수소효소를 포함하는 바이오연료전지는 넓은 온도범위에서 구동될 수 있을 뿐만 아니라, 고온조건에서는 전기 생산성이 더욱 향상됨을 확인하고, 본 발명을 완성하였다.
Under these circumstances, the present inventors have made extensive efforts to develop a biofuel cell that can be driven even under high temperature conditions, and as a result, it has been found that a biofuel cell comprising an aldehyde dehydrogenase, which is a heat-resistant enzyme as an oxidizing enzyme immobilized on an anode electrode, It has been confirmed that not only can it be driven in a wide temperature range but also the electric productivity is further improved under high temperature conditions, and the present invention has been completed.

본 발명의 하나의 목적은 알도오스 당 탈수소효소를 포함하는 바이오연료전지를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a biofuel cell comprising an aldose saccharide dehydrogenase.

본 발명의 다른 목적은 상기 바이오연료전지를 이용하여 전기를 생산하는 방법을 제공하는 것이다.
Another object of the present invention is to provide a method for producing electricity using the biofuel cell.

본 발명자들은 고온조건하에서도 구동할 수 있는 바이오연료전지를 개발하고자 다양한 연구를 수행하던 중, 미생물이 아닌 효소를 이용한 바이오연료전지에 주목하게 되었다. 통상적으로, 효소를 사용하는 바이오연료전지는 효소의 활성저하로 인하여 미생물을 사용하는 바이오연료전지 보다도 구동기간이 짧다는 단점이 있는 반면, 미생물을 이용하는 바이오연료전지에 비하여, 기질이 단순하고, 미생물 배양시에 필요한 각종 탄소원, 질소원 등의 구성요소를 필요로 하지 않으므로, 바이오연료전지를 단순화할 수 있다는 장점이 있다. 뿐만 아니라, 아가로스 등의 고정매체를 이용하여 바이오연료전지의 아노드 전극 또는 캐소드 전극에 효소를 고정화시키면, 상기 고정매체가 효소반응 환경을 유지시켜서 효소의 활성을 장시간 동안 유지시킬 수 있고, 내열성 미생물의 경우에는 미생물의 생존에 필요한 필수성분이 필요하지만, 내열성 효소의 경우에는 이러한 필수성분이 필요하지 않다는 장점이 있다. The inventors of the present invention have focused on a biofuel cell using an enzyme that is not a microorganism while carrying out various studies to develop a biofuel cell that can be driven even under high temperature conditions. Generally, a biofuel cell using an enzyme has a disadvantage that its driving period is shorter than that of a biofuel cell using microorganisms due to degradation of enzymes. On the other hand, compared to a biofuel cell using microorganisms, the substrate is simple, It is advantageous in that the biofuel cell can be simplified since components such as various carbon sources and nitrogen sources necessary for culturing are not required. In addition, when an enzyme is immobilized on an anode electrode or a cathode electrode of a biofuel cell using a fixed medium such as agarose, the fixed medium can maintain the enzyme reaction environment and maintain the activity of the enzyme for a long time, In the case of microorganisms, essential components necessary for the survival of microorganisms are required, but in the case of heat-resistant enzymes, such essential components are not necessary.

이에, 본 발명자들은 효소를 사용하는 바이오연료전지의 아노드 전극에 고정시키기에 적합한 내열성 효소를 검색한 결과, 알도오스 당 탈수소효소를 선발하였다. 특히, 서머스 서모필러스 HJ6(Thermus thermophilus HJ6) 균주로부터 유래된 알도오스 당 탈수소효소는 pH 5.0 내지 9.5의 비교적 넓은 범위에서 효소활성을 나타내고, 30 내지 90℃의 넓은 온도범위에서 효소활성을 나타내며, pH 7.0 내지 7.5 및 70℃에서 최적 활성을 나타낼 뿐만 아니라, 보조인자인 피롤로퀴놀린 퀴논(pyrroloquinoline quinone, PQQ)이 존재할 경우에는 85℃에서 100분동안 노출된 경우에도 효소활성이 감소되지 않음을 확인하였다. 이에, 상기 알도오스 당 탈수소효소를 아노드 전극에 고정시키고, 산화환원 반응에 의한 전류생산을 시험한 결과, 온도조건이 증가할 수록 전류의 생산성이 증가함을 확인하였다.Thus, the present inventors searched for a heat-resistant enzyme suitable for fixing to an anode electrode of a biofuel cell using an enzyme, and as a result, selected the aldose dehydrogenase. In particular, the Thermus Thermophilus HJ6 Thermophilus HJ6 strain exhibits an enzyme activity in a relatively wide range of pH 5.0 to 9.5, exhibits enzyme activity in a wide temperature range of 30 to 90 ° C, and is most suitable for pH 7.0 to 7.5 and 70 ° C In addition, pyrroloquinoline quinone (PQQ), which is a cofactor, was found not to decrease enzyme activity even after 100 minutes of exposure at 85 ° C. As a result of fixing the aldehyde dehydrogenase to the anode electrode and testing the current production by the oxidation - reduction reaction, it was confirmed that the current productivity increased as the temperature condition increased.

따라서, 알도오스 당 탈수소효소를 포함하는 바이오연료전지를 사용하면, 바이오연료전지의 사용기간에 비례하여 증가되는 온도로 인한 문제점을 해결할 수 있음을 알 수 있었다.
Therefore, it has been found that the use of a biofuel cell containing aldose dehydrogenase can solve the problem due to the temperature increasing in proportion to the period of use of the biofuel cell.

상술한 목적을 달성하기 위한 일 실시양태로서, 본 발명은 알도오스 당 탈수소효소를 포함하는 바이오연료전지를 제공한다.
As one embodiment for achieving the above-mentioned object, the present invention provides a biofuel cell comprising an aldehyde dehydrogenase.

구체적으로, 본 발명의 알도오스 당 탈수소효소를 포함하는 바이오연료전지는 (a) 서머스 서모필러스 HJ6(Thermus thermophilus HJ6) 균주로부터 유래된 알도오스 당 탈수소효소가 고정된 아노드(anode) 전극; (b) 상기 알도오스 당 탈수소효소의 기질을 포함하고, 알도오스 당 탈수소효소의 효소반응환경을 제공하는 제1 배지; (c) 상기 아노드 전극과 제1 배지가 담겨진 아노드 반응조; (d) 환원효소가 고정된 캐소드(cathode) 전극; (e) 상기 환원효소의 기질을 포함하고, 환원효소의 효소반응환경을 제공하는 제2 배지; (f) 상기 캐소드 전극과 제2 배지가 담겨진 캐소드 반응조; 및 (g) 상기 아노드 전극과 캐소드 전극을 연결하는 전선을 포함한다.
Specifically, the biofuel cell comprising the aldose saccharide dehydrogenase of the present invention comprises (a) an anode electrode to which an aldose saccharide dehydrogenase derived from a strain of Thermus thermophilus HJ6 is immobilized; (b) a first medium containing a substrate of the dehydrogenase enzyme of aldose and providing an enzyme reaction environment of aldose sugar dehydrogenase; (c) an anode reaction vessel containing the anode electrode and the first medium; (d) a cathode electrode to which a reducing enzyme is immobilized; (e) a second medium containing a substrate of the reductase and providing an enzyme reaction environment of the reductase; (f) a cathode reaction tank containing the cathode and the second medium; And (g) a wire connecting the anode electrode and the cathode electrode.

본 발명의 용어 "바이오연료전지(biofuel cell)"란, 효소와 미생물 등이 갖고 있는 생물의 기능을 이용하여 산화-환원반응을 일으키는 전지를 의미하는데, 구체적으로는 반응조 내에 존재하는 효소 또는 미생물의 대사에 의하여 기질의 촉매반응을 진행하는 과정에서 발생되는 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 수단과 상기 변환된 전기에너지를 회수하는 수단을 포함하여, 결과적으로는 효소 또는 미생물을 사용하여 기질로부터 전기를 생산하는 장치를 의미한다. 통상적으로, 바이오연료전지는 산화효소 또는 이의 생산 미생물이 고정된 아노드 전극, 환원효소 또는 이의 생산 미생물이 고정된 캐소드 전극, 상기 효소 또는 미생물과 반응할 수 있는 기질을 포함하고, 각 효소 또는 미생물의 기질반응 환경을 제공하는 배지, 상기 전극을 연결하는 전선, 상기 두 개의 전극, 상기 각 전극과 배지가 담겨진 각각의 반응조로 구성된다. 상기 각 반응조에 각 효소의 기질이 포함된 배지를 충진시키면, 아노드 전극에서는 기질을 아노드 전극에 고정된 산화효소 또는 미생물이 반응시켜서, 수소이온과 전자를 생성시키고, 상기 생성된 전자는 전선을 통하여 캐소드 전극으로 이동하며, 전자를 받은 캐소드 전극에 고정된 환원효소는 기질을 산화시키면서, 부반응으로 전자를 이용하여 용존산소를 물로 전환시켜서, 전달된 전자를 소모하게 되어, 결과적으로는 캐소드 전극에서 아노드 전극으로 전류가 흐르게 된다. The term "biofuel cell " of the present invention refers to a cell that causes an oxidation-reduction reaction by utilizing the functions of an organism, such as an enzyme and a microorganism, and specifically includes an enzyme or microorganism A means for converting the chemical energy generated in the process of conducting the catalytic reaction of the substrate by the metabolism into electrical energy and a means for recovering the converted electrical energy and consequently an enzyme or a microorganism is used to conduct electricity from the substrate Means a device that produces. Generally, a biofuel cell includes an anode electrode to which an oxidizing enzyme or a producing microorganism thereof is fixed, a cathode electrode to which a reducing enzyme or a producing microorganism thereof is fixed, a substrate capable of reacting with the enzyme or a microorganism, And a reaction chamber in which the respective electrodes and the culture medium are contained. When each of the reaction vessels is filled with a medium containing the substrate of each enzyme, the substrate is reacted with an oxidizing enzyme or a microorganism immobilized on the anode electrode to generate hydrogen ions and electrons, And the reducing enzyme immobilized on the cathode electrode receiving the electrons converts the dissolved oxygen into water by using electrons as a side reaction while oxidizing the substrate to consume the transferred electrons, The current flows to the anode electrode.

상기 바이오연료전지는 효소 또는 미생물에 의하여 기질에서 수소이온과 전자가 생성되면 전류를 생성할 수 있으므로, 상기 반응조에 기질을 지속적으로 공급하면, 전류가 지속적으로 생성될 수 있다. 상기 바이오연료전지는 효소를 촉매로 하여 유기 화합물의 전극 반응을 이용하는 효소연료전지, 미생물 반응으로 연료를 전극 반응을 일으키기 쉬운 화합물로 변환하는 미생물연료전지, 광합성 세균 등을 사용하여 태양에너지를 이용하는 생물 태양전지 등을 들 수 있다.Since the biofuel cell can produce a current when hydrogen ions and electrons are generated in the substrate by an enzyme or a microorganism, the current can be continuously generated when the substrate is continuously supplied to the reaction tank. The biofuel cell includes an enzyme fuel cell that uses an electrode reaction of an organic compound using an enzyme as a catalyst, a microbial fuel cell that converts a fuel into a compound that is likely to cause an electrode reaction by a microbial reaction, Solar cells, and the like.

본 발명에 있어서, 상기 바이오연료전지는 알도오스 당 탈수소효소가 고정된 아노드 전극을 포함하므로, 알도오스 당 탈수소효소를 포함하는 효소전지로 해석될 수 있다.
In the present invention, the biofuel cell includes an anode electrode to which an aldose sugar dehydrogenase is immobilized, and thus can be interpreted as an enzyme cell containing an aldehyde dehydrogenase.

본 발명의 용어 "알도오스 당 탈수소효소"란, 피롤로퀴놀린 퀴논(pyrroloquinoline quinone, PQQ) 의존적인 퀴노단백질 글루코스 탈수소효소(glucose dehydrogenase, GDH: EC 1.1.5.2)의 일종을 의미한다. 상기 알도오스 당 탈수소효소는 PQQ를 환원시키면서 글루코스 및 다른 알도스를 산화시켜서 그들에 상응하는 알도노-δ-락톤을 생성하는 활성을 나타내는 것으로 알려져 있는데, 상기 효소는 높은 전환수(turnover number)를 갖고, PQQ 보조인자의 전기화학적 재생은 산소분압 및 생산물 억제의 부정적 효과없이 쉽게 달성할 수 있다. 상기 알도오스 당 탈수소효소의 구체적인 아미노산 서열 또는 그를 코딩하는 유전자의 염기서열 정보는 NCBI의 GenBank 등 공지의 데이터베이스(GenBank Accession No. AFN86158 등)에서 얻을 수 있는데, 예를 들어, 알도오스 당 탈수소효소는 서열번호 1의 아미노산 서열 또는 서열번호 2의 DNA 서열로부터 발현되는 단백질로 표시될 수 있다.The term "aldose dehydrogenase" of the present invention means a kind of quinoprotein glucose dehydrogenase (GDH: EC 1.1.5.2) dependent on pyrroloquinoline quinone (PQQ). The aldose sugar dehydrogenase is known to exhibit an activity of oxidizing glucose and other aldoses while reducing PQQ to produce aldino-delta-lactones corresponding to them. The enzyme has a high turnover number , And the electrochemical regeneration of the PQQ cofactor is easily achieved without the negative effects of oxygen partial pressure and product inhibition. The specific amino acid sequence of the dehydrogenase of aldose or the nucleotide sequence information of the gene encoding the same can be obtained from a known database such as GenBank of NCBI (GenBank Accession No. AFN86158 etc.). For example, the aldose dehydrogenase A protein expressed from the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1 or the DNA sequence of SEQ ID NO: 2.

본 발명에 있어서, 상기 알도오스 당 탈수소효소는 바이오연료전지에 사용될 수 있는 한, 특별히 이에 제한되지 않으나, 바람직하게는 서머스 서모필러스 HJ6 균주로부터 유래된 알도오스 당 탈수소효소가 될 수 있고, 보다 바람직하게는 pH 5.0 내지 9.5의 pH 조건 및 30 내지 90℃의 온도조건에서 활성을 나타내고, 보조인자인 PQQ가 존재할 경우에는 85℃에서 100분동안 노출된 경우에도 효소활성이 감소되지 않는 내열성을 나타내는 서머스 서모필러스 HJ6 균주로부터 유래된 알도오스 당 탈수소효소가 될 수 있으며, 가장 바람직하게는 서열번호 1의 아미노산을 포함하는 알도오스 당 탈수소효소가 될 수 있다.In the present invention, the aldose dehydrogenase can be an aldose saccharide dehydrogenase derived from a Somers' thermophilus HJ6 strain, as long as it can be used in a biofuel cell. Preferably at a pH of 5.0 to 9.5 and at a temperature of 30 to 90 DEG C and exhibiting activity exhibiting heat resistance that does not decrease enzyme activity even when exposed to 85 DEG C for 100 minutes when PQQ is present, It may be an aldose dehydrogenase derived from S. thermophilus HJ6 strain, and most preferably an aldose dehydrogenase comprising the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1.

아울러, 상기 알도오스 당 탈수소효소 보다도 내열성 및 전류생산성이 향상될 수 있다면, 상기 서열번호 1의 아미노산 서열의 일부 아미노산이 부가, 치환, 결실 등의 방법으로 변이된 변이체 단백질도 본 발명에서 제공하는 알도오스 당 탈수소효소의 범주에 포함될 수 있다.In addition, as long as heat resistance and current productivity can be improved as compared with the aldose sugar dehydrogenase, a mutant protein in which some amino acids of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1 are mutated by addition, substitution, deletion, And may be included in the category of dehydrogenase enzymes.

특히, 본 발명에서 제공하는 알도오스 당 탈수소효소는 서열번호 1의 아미노산 서열과 하나 이상의 아미노산 잔기가 상이한 서열을 가지는 폴리펩티드를 포함할 수 있다. 분자의 활성을 전체적으로 변경시키지 않는 단백질 및 폴리펩티드에서의 아미노산 교환은 당해 분야에 공지되어 있다. 가장 통상적으로 일어나는 교환은 아미노산 잔기 Ala/Ser, Val/Ile, Asp/Glu, Thr/Ser, Ala/Gly, Ala/Thr, Ser/Asn, Ala/Val, Ser/Gly, Thy/Phe, Ala/Pro, Lys/Arg, Asp/Asn, Leu/Ile, Leu/Val, Ala/Glu, Asp/Gly 간의 교환이다. 또한, 아미노산 서열상의 변이 또는 수식에 의해서 단백질의 열, pH등에 대한 구조적 안정성이 증가하거나 단백질 활성이 증가한 단백질을 포함할 수 있다.In particular, the aldose saccharide dehydrogenase provided in the present invention may include a polypeptide having a sequence that differs from the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1 by one or more amino acid residues. Amino acid exchange in proteins and polypeptides that do not globally alter the activity of the molecule is known in the art. The most commonly occurring exchanges involve amino acid residues Ala / Ser, Val / Ile, Asp / Glu, Thr / Ser, Ala / Gly, Ala / Thr, Ser / Asn, Ala / Val, Ser / Gly, Thy / Pro, Lys / Arg, Asp / Asn, Leu / Ile, Leu / Val, Ala / Glu and Asp / Gly. In addition, the protein may include a protein having increased structural stability or increased protein activity due to mutation or modification of the amino acid sequence, such as heat, pH and the like.

끝으로, 본 발명에서 제공하는 알도오스 당 탈수소효소는 당해 분야에 공지된 화학적 펩티드 합성방법으로 제조하거나, 상기 알도오스 당 탈수소효소를 코딩하는 유전자를 PCR(polymerase chain reaction) 에 의해 증폭하거나 공지된 방법으로 합성한 후 발현벡터에 클로닝하여 발현시켜서 제조할 수 있다.
Finally, the aldose dehydrogenase can be produced by a chemical peptide synthesis method known in the art, or by amplifying the gene encoding the aldose dehydrogenase by PCR (polymerase chain reaction) Followed by expression and cloning into an expression vector.

상기 알도오스 당 탈수소효소가 고정되는 아노드 전극은 상기 알도오스 당 탈수소효소가 고정될 수 있고, 알도오스 당 탈수소효소로부터 생성된 전자를 전선으로 운반할 수 있는 한, 특별히 이에 제한되지 않으나, 바람직하게는 백금, 스테인레스 스틸 메시, 카본 펠트, 카본 페이퍼 등의 재질로 제조된 것을 사용할 수 있다.The anode electrode to which the aldehyde dehydrogenase is immobilized is not particularly limited as long as the aldehyde dehydrogenase can be immobilized and electrons generated from the aldehyde dehydrogenase can be transported by the electric wire. For example, platinum, stainless steel mesh, carbon felt, carbon paper or the like can be used.

상기 알도오스 당 탈수소효소의 기질은 알도오스 당 탈수소효소에 의하여 환원되어 전자를 생성할 수 있는 한, 특별히 이에 제한되지 않으나, 바람직하게는 다양한 당 화합물이 될 수 있고, 보다 바람직하게는 단당류, 알콜, 치환된 글루코스, 다당류 등이 될 수 있으며, 가장 바람직하게는 D-글루코스, D-갈락토스, D-프럭토스, L-아라비노스, D-만노스, D-자일로스, D-리보스, 메탄올, 에탄올, 2-디옥시-글루코스, 글루코스아민, 글루코스 6-인산, 말토스, α-락토스, D-수크로스, D-셀로바이오스, 말토트리오스 등을 단독으로 또는 조합하여 사용할 수 있다.The substrate of the aldose sugar dehydrogenase is not particularly limited as long as it can be reduced by aldose sugar dehydrogenase to generate electrons, but it may preferably be various sugar compounds, more preferably monosaccharide, alcohol Glucose, D-galactose, D-fructose, L-arabinose, D-mannose, D-xylose, D-ribose, methanol, ethanol , 2-deoxy-glucose, glucoseamine, glucose 6-phosphate, maltose, a-lactose, D-sucrose, D-cellobiose and maltotriose can be used singly or in combination.

한편, 상기 제1 배지에 알도오스 당 탈수소효소의 보조인자로서 PQQ를 추가로 포함할 수 있다. 상기 PQQ는 알도오스 당 탈수소효소의 내열성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 효소반응에 의한 전류 생성량을 증가시킬 수 있다.
Meanwhile, the first medium may further include PQQ as a cofactor of the dehydrogenase enzyme of aldose. The PQQ not only improves the heat resistance of the aldose saccharide dehydrogenase but also increases the amount of current generated by the enzyme reaction.

한편, 본 발명의 바이오연료전지를 구성하는 캐소드 전극에 고정된 환원효소는 전자를 소모할 수 있는 한 특별히 이에 제한되지 않으나, 바람직하게는 라카아제, 비리루빈산화효소(bilirubin oxidase, BOD), 아스코베이트산화효소(ascorbate oxidase), 세루로플라스민(ceruloplasmine) 등의 다양한 탈수소효소를 단독으로 또는 조합하여 사용할 수 있다.Meanwhile, the reducing enzyme immobilized on the cathode electrode constituting the biofuel cell of the present invention is not particularly limited as long as it can consume electrons. Preferably, the reducing enzyme is selected from the group consisting of lacase, bilirubin oxidase (BOD) Various dehydrogenases such as ascorbate oxidase and ceruloplasmine can be used alone or in combination.

상기 환원효소가 고정된 캐소드 전극은 상기 환원효소가 고정될 수 있고, 전선으로부터 전자를 전달받아 환원효소로 전달할 수 있는 한, 특별히 이에 제한되지 않으나, 바람직하게는 카본 펠트, 카본 페이퍼, 카본 클로스 등의 재질로 제조된 것 또는 에어캐소드(air-cathode)를 사용할 수 있다.The cathode electrode to which the reducing enzyme is immobilized is not particularly limited as long as the reducing enzyme can be immobilized and electrons can be transferred from the electric wire to the reducing enzyme. Preferably, a carbon felt, carbon paper, carbon cloth, Or an air-cathode may be used.

상기 환원효소의 기질은 환원효소가 효소반응에 의하여 전자를 소모할 수 있는 한 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 환원효소로서 라카아제를 이용하는 경우에는 기질로서 카테콜(Catechol), 2,6-DMP(2,6-Dimethoxy-phenol), 4-메틸카테콜(4-Methylcatechol), ABTS(2,2'-azino bis(3-ethylbenzthiazoline-6-sulfonate)), 구아이아콜(Guaiacol), 4-하이드록시인돌(4-Hydroxyindole), 시링알다진(Syringaldazine) 등을 사용할 수 있다.
The substrate of the reducing enzyme is not particularly limited as long as the reducing enzyme can consume electrons by the enzyme reaction. For example, when a lactase is used as a reducing enzyme, catechol, 2,6-dimethoxy-phenol, 4-methylcatechol, ABTS (2 , 2'-azino bis (3-ethylbenzthiazoline-6-sulfonate), guaiacol, 4-hydroxyindole and Syringaldazine.

상기 아노드 전극과 캐소드 전극이 담겨지는 제1 배지 및 제2 배지는 각 전극에 고정된 알도오스 당 탈수소효소 및 환원효소가 정상적인 효소활성을 나타낼 수 있는 반응환경을 제공하고, 생성 또는 소모되는 전자의 전달이 가능하게 하는 한, 특별히 이에 제한되지 않으나, 바람직하게는 pH 5.0 내지 9.5를 유지하는 완충용액이 될 수 있는데, 예를 들어, pH 7.5의 트리스 완충액을 사용할 수 있다.
The first medium and the second medium containing the anode and the cathode provide a reaction environment in which the aldose sugar dehydrogenase and the reducing enzyme immobilized on each electrode can exhibit normal enzymatic activity, The buffer solution may preferably be a buffer solution which maintains a pH of from 5.0 to 9.5. For example, a Tris buffer solution of pH 7.5 may be used.

상술한 목적을 달성하기 위한 다른 실시양태로서, 본 발명은 알도오스 당 탈수소효소를 포함하는 바이오연료전지를 이용하여 전기를 생산하는 방법을 제공한다.
According to another aspect of the present invention, there is provided a method of producing electricity using a biofuel cell including an aldehyde dehydrogenase.

구체적으로, 본 발명의 알도오스 당 탈수소효소를 포함하는 바이오연료전지를 이용하여 전기를 생산하는 방법은 (a) 상기 바이오연료전지의 아노드 반응조에 제1 배지를 공급하고, 캐소드 반응조에 제2 배지를 공급하는 단계; 및 (b) 상기 공급된 각 배지에 포함된 기질을 이용하여 아노드 전극에 고정된 알도오스 당 탈수소효소가 전자를 생산하고, 생산된 전자는 전선을 통해 캐소드 전극으로 이동하며, 캐소드 전극에서 환원효소에 의해 전자가 소모되어, 전류를 생성하는 단계를 포함한다. 이때, 사용된 기질, 배지 등의 조건은 상술한 바와 동일하다.
Specifically, a method for producing electricity using a biofuel cell including aldose dehydrogenase of the present invention comprises the steps of: (a) supplying a first medium to an anode reaction tank of the biofuel cell; Supplying a medium; And (b) an aldose dehydrogenase enzyme immobilized on the anode electrode generates electrons using the substrate contained in each of the supplied media, and the produced electrons move to the cathode electrode through the electric wire, And an electron is consumed by the enzyme to generate an electric current. At this time, the conditions of the used substrate, medium and the like are the same as those described above.

본 발명에서 제공하는 바이오연료전지는 이에 포함된 알도오스 당 탈수소효소의 특성상 25 내지 90℃의 넓은 온도범위에서 전류를 생산할 수 있을 뿐만 아니라, 전류의 생산도중에 증가하는 저항값에 의하여 반응조의 온도가 증가하면, 온도가 증가함에 따라, 전류의 생성량이 더욱 증가하는 특성을 나타낸다.
The biofuel cell of the present invention is capable of producing a current in a wide temperature range of 25 to 90 ° C due to the characteristics of the aldehyde dehydrogenase contained therein, As the temperature increases, the amount of generation of the current increases further.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 알도오스 당 탈수소효소가 고정된 글래시 카본(glassy carbon) 전극을 효소반응액(50 mM Tris-HCl 완충액(pH 7.5))에 넣고, 100 mM D-글루코스 및 1 μM PQQ를 부가한 조건에서 전류 전위곡선 분석을 수행한 결과, 질인 글루코스가 추가된 경우에는 전류의 생성수준이 증가하고, 기질인 글루코스와 보조인자인 PQQ가 추가된 경우에는 가장 높은 수준으로 전류가 생성됨을 확인하였다(도 3). 또한, 25 및 75℃의 반응온도 조건에서 동일한 전류 전위곡선 분석을 수행한 결과, 온도가 증가할 수록 높은 환원 피크를 나타내어 전류 생성량이 증가함을 확인하였다(도 4).
According to an embodiment of the present invention, a glassy carbon electrode to which the dehydrogenase is immobilized is placed in an enzyme reaction solution (50 mM Tris-HCl buffer (pH 7.5)), and 100 mM D-glucose And 1 μM PQQ, the current generation level was increased when glucose was added, and the current was increased to the highest level when glucose and a subsidiary PQQ were added (Fig. 3). Further, as a result of performing the same current potential curve analysis at 25 and 75 ° C, it was confirmed that as the temperature increases, a high reduction peak is generated and the current generation amount is increased (FIG. 4).

본 발명에서 제공하는 알도오스 당 탈수소효소가 고정된 아노드 전극을 포함하는 바이오연료전지는 종래의 바이오연료전지에 비하여, 메탄올, 에탄올 등의 알콜을 기질로 사용할 수 있고, 향상된 내열성을 나타낼 뿐만 아니라 온도가 증가되는 환경에서 오히려 전기 생산성이 증대되므로, 다양한 바이오연료전지의 개발에 널리 활용될 수 있을 것이다.
The biofuel cell comprising the anode electrode fixed with aldose dehydrogenase provided by the present invention can use an alcohol such as methanol or ethanol as a substrate as compared with the conventional biofuel cell and exhibits improved heat resistance In the environment where the temperature is increased, the electric productivity is increased, so that it can be widely used in the development of various biofuel cells.

도 1은 발현 및 정제된 알도오스 당 탈수소효소의 SDS-PAGE 분석결과를 나타내는 전기영동사진으로서, 1번 레인은 마커이고, 2번 레인은 열처리후 수득한 상등액을 나타내며, 3번 레인은 HisTrap HP column에서 용출된 활성분획이다.
도 2a는 pH 변화에 따른 알도오스 당 탈수소효소의 활성변화를 나타내는 그래프이다.
도 2b는 반응온도 변화에 따른 알도오스 당 탈수소효소의 활성변화를 나타내는 그래프이다.
도 2c는 알도오스 당 탈수소효소의 열처리 시간에 따른 효소활성 변화를 나타내는 그래프로서, (●)는 PQQ를 처리하지 않은 알도오스 당 탈수소효소를 나타내고, (▲)는 PQQ를 처리한 알도오스 당 탈수소효소를 나타낸다.
도 3은 알도오스 당 탈수소효소가 고정된 글래시 카본 전극을 이용하여, 기질인 글루코스와 보조인자인 PQQ가 전류생산에 미치는 영향을 전류 전위곡선(cyclic voltamogram)을 통해 분석한 결과를 나타내는 그래프로서, (…)은 알도오스 당 탈수소효소가 코팅된 전극을 완충액에 침지한 경우를 나타내고, (----)은 상기 전극을 글루코스가 포함된 완충액에 침지한 경우를 나타내며, (━━)은 상기 전극을 글루코스와 PQQ가 포함된 완충액에 침지한 경우를 나타낸다.
도 4는 온도변화에 따른 알도오스 당 탈수소효소가 고정된 글래시 카본 전극을 이용한 전류 전위곡선 분석결과를 나타내는 그래프로서, (…)은 효소반응액의 온도가 25℃인 경우를 나타내고, (━━)은 효소반응액의 온도가 75℃인 경우를 나타낸다.
Fig. 1 is an electrophoresis image showing the result of SDS-PAGE analysis of the expressed and purified aldose sugar dehydrogenase. In Fig. 1, lane 1 represents a marker, lane 2 represents a supernatant obtained after heat treatment, lane 3 represents HisTrap HP column. < / RTI >
FIG. 2A is a graph showing changes in the activity of dehydrogenase per aldose per pH change. FIG.
FIG. 2B is a graph showing changes in the activity of dehydrogenase on aldolase according to the reaction temperature. FIG.
FIG. 2C is a graph showing changes in enzyme activity of aldose sugar dehydrogenase with heat treatment time, in which (●) represents aldose sugar dehydrogenase without treatment with PQQ, and (▲) represents aldehyde sugar dehydrogenase Lt; / RTI >
FIG. 3 is a graph showing a result of analyzing the effect of glucose, a substrate, and PQQ, which is a substrate, on current production using a cyclic voltamogram using a glycocalone electrode to which an aldose dehydrogenase is immobilized, (-) represents the case where the electrode is immersed in a buffer solution containing glucose, (-) represents the case where the electrode coated with aldose dehydrogenase is immersed in a buffer solution, And the electrode is immersed in a buffer solution containing glucose and PQQ.
FIG. 4 is a graph showing a result of current curve analysis using a glacier carbon electrode to which an aldehyde dehydrogenase is immobilized according to a change in temperature, and (...) represents a case where the temperature of the enzyme reaction liquid is 25 ° C. ━) indicates the case where the temperature of the enzyme reaction solution is 75 캜.

이하 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 예시적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, these examples are for illustrative purposes only, and the scope of the present invention is not limited to these examples.

실시예Example 1: 재조합  1: Recombination 알도오스Aldose 당 탈수소효소의 생산 Production of sugar dehydrogenase

실시예Example 1-1:  1-1: 알도오스Aldose 당 탈수소효소 유전자의 수득 및 상기 유전자 발현용 재조합 벡터의 제작 Production of a sugar dehydrogenase gene and production of the recombinant vector for gene expression

서머스 서모필러스 HJ6(Thermus thermophilus HJ6) 균주를 GeneAll GENEx Genomic kit(GeneAll Biotechnology, Seoul, Korea)에 적용하여 게놈 DNA를 추출하였다. Summers Thermophilus HJ6 ( Thermus thermophilus HJ6) was applied to a GeneAll GENEx genomic kit (GeneAll Biotechnology, Seoul, Korea) to extract genomic DNA.

다른 서머스 서모필러스 균주의 GDH(glucose dehydrogenase)를 증폭시킬 수 있는 프라이머를 합성한 다음, 상기 추출된 게놈 DNA와 합성된 프라이머를 이용한 PCR을 수행하여 증폭된 DNA 단편을 수득하였다. 이때, PCR은 95℃ 30초, 55℃ 60초 및 72℃ 60초를 30회 반복하여 수행하였다.
A primer capable of amplifying GDH (glucose dehydrogenase) of another Somus thermophilus strain was synthesized and PCR was performed using the primer synthesized with the extracted genomic DNA to obtain an amplified DNA fragment. At this time, the PCR was carried out 30 times at 95 ° C for 30 seconds, 55 ° C for 60 seconds and 72 ° C for 60 seconds.

Primer-1: 5'-GTCGGGGAAGGGGGTGGCTG-3'(서열번호 3)Primer-1: 5'-GTCGGGGAAGGGGGTGGCTG-3 '(SEQ ID NO: 3)

Primer-2: 5'-AGGTCCGCTTCCGCAAGAGG-3'(서열번호 4)
Primer-2: 5'-AGGTCCGCTTCCGCAAGAGG-3 '(SEQ ID NO: 4)

상기 수득한 DNA 단편을 pGEM-T vector에 클로닝하여 알도오스 당 탈수소효소 유전자 도입벡터 pGEM-asd를 제작하고, 이에 포함된 알도오스 당 탈수소효소 유전자의 염기서열을 ABI Prism 3700 genetic analyzer (Perkin-Elmer Applied Biosystems, USA)를 사용하여 분석하였다. 그 결과, 상기 알도오스 당 탈수소효소 유전자(서열번호 2)는 1059bp의 ORF(open reading frame)로 구성되어, 352개의 아미노산으로 구성된 단백질(서열번호 1)을 코딩할 것으로 예상되었고, 상기 코딩된 알도오스 당 탈수소효소 단백질의 예상분자량은 약 38.6 kDa이며, 등전점은 약 10.17 정도로 예측되었다.
The DNA fragment thus obtained was cloned into a pGEM-T vector to prepare an aldolase dehydrogenase gene introduction vector pGEM-asd. The nucleotide sequence of the aldose saccharide dehydrogenase gene contained therein was analyzed with an ABI Prism 3700 genetic analyzer (Perkin-Elmer Applied Biosystems, USA). As a result, the aldolase dehydrogenase gene (SEQ ID NO: 2) was expected to encode a protein consisting of 352 amino acids (SEQ ID NO: 1) composed of an ORF (open reading frame) of 1059 bp, The expected molecular weight of the osteoside dehydrogenase protein was about 38.6 kDa and the isoelectric point was estimated to be about 10.17.

상기 pGEM-asd를 주형으로 하고, 하기 프라이머를 이용한 PCR을 수행하여 1.07 kb의 DNA 단편을 증폭시켰다.
Using the above-described pGEM-asd as a template, PCR was performed using the following primers to amplify a DNA fragment of 1.07 kb.

Primer-3: 5'-GGGGTGGCATATGGACCGGAGGCGCTTTCT-3'(서열번호 5)Primer-3: 5'-GGGGTGGCATATGGACCGGAGGCGCTTTCT-3 '(SEQ ID NO: 5)

Primer-4: 5'-CCGAAGCTTAAGGAGGCGTAGCACCCGG-3'(서열번호 6)
Primer-4: 5'-CCGAAGCTTAAGGAGGCGTAGCACCCGG-3 '(SEQ ID NO: 6)

상기 증폭된 1.07 kb의 DNA 단편에 제한효소인 NdeI/HindIII를 처리하여 절단하고, 동일한 제한효소로 처리된 pET-21a 벡터(Novagen)에 도입하여, 알도오스 당 탈수소효소 발현벡터 pET-asd를 제작하였다. 상기 발현벡터는 알도오스 당 탈수소효소의 C-말단에 His-tag가 부착된 융합 단백질을 생산할 수 있도록 설계되었다.
The amplified DNA fragment of 1.07 kb was digested with NdeI / HindIII restriction enzyme and introduced into a pET-21a vector (Novagen) treated with the same restriction enzymes to prepare an aldose dehydrogenase expression vector pET-asd Respectively. The expression vector was designed to produce a fusion protein in which the His-tag is attached to the C-terminus of the dehydrogenase enzyme of aldose.

실시예Example 1-2:  1-2: 알도오스Aldose 당 탈수소효소의 생산 Production of sugar dehydrogenase

상기 실시예 1-1에서 제작한 알도오스 당 탈수소효소 발현벡터 pET-asd를 대장균(E. coli BL21 Codon-Plus, DE3)에 도입하여 형질전환체를 제조하고, 상기 제조된 형질전환체를 O.D.600에서의 흡광도가 0.5가 될 때까지 배양한 다음, 0.5 mM IPTG(isopropyl-β-D-thiogalactopyranoside)를 가하고, 25℃에서 16시간동안 추가로 배양하였다. 배양이 종료된 후, 배양물을 원심분리하여 균체를 수득하고, 완충액 A(50 mM Tris-HCl pH 7.5, 500 mM NaCl, 20mM imidazole)에 현탁시킨 다음, 파쇄하여 균체파쇄물을 수득하였다. 상기 수득한 균체파쇄물을 원심분리(27,000×g, 30분)하여 상등액을 수득하고, 상기 수득한 상등액을 75℃로 20분동안 열처리하였으며, 열처리된 상등액을 다시 원심분리하여 상등액을 수득하였다. 상기 수득한 상등액을 HisTrap HP column(GE Healthcare)에 적용한 다음, 완충액 A로 세척하고, 0 내지 500 mM 이미다졸 농도구배 용출액을 이용하여 1 ㎖/분의 속도로 융합단백질을 용출시켜서 활성분획을 수득하였다. 상기 수득한 활성분획을 농축하고, 20 mM 인산염 완충액으로 투석하여 불순물을 제거한 다음, SDS-PAGE 분석을 수행하였다(도 1).A transformant was prepared by introducing the aldose sugar dehydrogenase expression vector pET-asd prepared in Example 1-1 into E. coli BL21 Codon-Plus (DE3), and the transformant was inoculated into OD 600, and 0.5 mM IPTG (isopropyl- beta -D-thiogalactopyranoside) was added thereto, followed by further incubation at 25 ° C for 16 hours. After completion of the culturing, the culture was centrifuged to obtain cells, which were suspended in buffer A (50 mM Tris-HCl pH 7.5, 500 mM NaCl, 20 mM imidazole) and disrupted to obtain a cell lysate. The obtained cell lysate was centrifuged (27,000 × g, 30 minutes) to obtain a supernatant. The supernatant thus obtained was heat-treated at 75 ° C. for 20 minutes, and the heat-treated supernatant was centrifuged again to obtain a supernatant. The resulting supernatant was applied to a HisTrap HP column (GE Healthcare), washed with buffer A, and eluted with a gradient of 0-500 mM imidazole concentration gradient to elute the fusion protein at a rate of 1 ml / min to obtain an active fraction Respectively. The obtained active fractions were concentrated and dialyzed with 20 mM phosphate buffer to remove impurities, followed by SDS-PAGE analysis (FIG. 1).

도 1은 발현 및 정제된 알도오스 당 탈수소효소의 SDS-PAGE 분석결과를 나타내는 전기영동사진으로서, 1번 레인은 마커이고, 2번 레인은 열처리후 수득한 상등액을 나타내며, 3번 레인은 HisTrap HP column에서 용출된 활성분획이다. 도 1에서 보듯이, 약 37 kDa 크기의 알도오스 당 탈수소효소가 발현됨을 확인하였다.Fig. 1 is an electrophoresis image showing the result of SDS-PAGE analysis of the expressed and purified aldose sugar dehydrogenase. In Fig. 1, lane 1 represents a marker, lane 2 represents a supernatant obtained after heat treatment, lane 3 represents HisTrap HP column. < / RTI > As shown in FIG. 1, it was confirmed that the dehydrogenase of aldose was approximately 37 kDa in size.

한편, 상기 생산된 알도오스 당 탈수소효소(1.3 mg/㎖)에 10배 몰수의 피롤로퀴놀린 퀴논(pyrroloquinoline quinone, PQQ)이 포함된 20 mM Tris-HCl 완충액(pH 7.5)을 가하여 25℃에서 30분 동안 반응시키고, 결합되지 않은 PQQ는 Sephadex G-25 column(PD-10; GE Healthcare)을 이용하여 제거하였다.
Meanwhile, 20 mM Tris-HCl buffer (pH 7.5) containing pyrroloquinoline quinone (PQQ) was added to the produced aldose sugar dehydrogenase (1.3 mg / ml) Min, and the unbound PQQ was removed using a Sephadex G-25 column (PD-10; GE Healthcare).

실시예Example 1-3:  1-3: 알도오스Aldose 당 탈수소효소의 효소활성 분석 Enzyme activity analysis of glucose dehydrogenase

상기 실시예 1-2에서 생산된 알도오스 당 탈수소효소의 효소활성에 대한 pH 효과, 반응온도 효과. 내열성 및 기질특이성을 분석하였다.
The pH effect and the reaction temperature effect on the enzyme activity of the dehydrogenase produced in Example 1-2. Heat resistance and substrate specificity were analyzed.

실시예Example 1-3-1:  1-3-1: pHpH 효과분석 Effect analysis

상기 실시예 1-3에서 생산된 알도오스 당 탈수소효소를 pH 5.0 내지 9.5의 조건(50 mM Sodium acetate(pH 5.0~6.0), 50mM Sodium phosphate(pH 6.0~7.5), 50mM Tris-HCl(pH 7.5~9.5))하에서, 최적 pH 범위를 분석하였다(도 2a). The aldose sugar dehydrogenase produced in Example 1-3 was incubated under the conditions of pH 5.0 to 9.5 (50 mM sodium acetate (pH 5.0-6.0), 50 mM sodium phosphate (pH 6.0-7.5), 50 mM Tris-HCl ~ 9.5)), the optimal pH range was analyzed (Figure 2a).

도 2a는 pH 변화에 따른 알도오스 당 탈수소효소의 활성변화를 나타내는 그래프이다. 도 2a에서 보듯이, pH 6.5 내지 9.0에서 50% 이상의 효소활성을 나타내고, pH 7.0 내지 7.5에서 최적 효소활성을 나타냄을 확인하였다.
FIG. 2A is a graph showing changes in the activity of dehydrogenase per aldose per pH change. FIG. As shown in FIG. 2A, it was confirmed that the enzyme activity was 50% or more at pH 6.5 to 9.0, and the optimum enzyme activity was shown at pH 7.0 to 7.5.

실시예Example 1-3-2: 반응온도 효과분석 1-3-2: Analysis of reaction temperature effect

상기 실시예 1-2에서 생산된 알도오스 당 탈수소효소를 30 내지 90℃에서 반응시키고, 최적 온도범위를 분석하였다(도 2b).The aldehyde dehydrogenase produced in Example 1-2 was reacted at 30 to 90 ° C and the optimal temperature range was analyzed (Fig. 2b).

도 2b는 반응온도 변화에 따른 알도오스 당 탈수소효소의 활성변화를 나타내는 그래프이다. 도 2b에서 보듯이, 60 내지 80℃에서 우수한 효소활성을 나타내고, 70℃에서 최적활성을 나타냄을 확인하였다.
FIG. 2B is a graph showing changes in the activity of dehydrogenase on aldolase according to the reaction temperature. FIG. As shown in FIG. 2B, it showed excellent enzyme activity at 60 to 80 ° C and optimum activity at 70 ° C.

실시예Example 1-3-3: 내열성 분석 1-3-3: Heat resistance analysis

상기 실시예 1-2에서 생산된 알도오스 당 탈수소효소를 50 mM Tris-HCl 완충액(pH 7.5)에 가하고, 1 μM PQQ를 가하거나 또는 가하지 않은 상태에서 85℃에서 100분 동안 처리하면서, 시간별로 이의 효소활성 변화를 분석하였다(도 2c). 이때, 효소활성 측정은 70℃ 및 pH7.5의 조건에서 수행하였다.The aldose sugar dehydrogenase produced in Example 1-2 was added to 50 mM Tris-HCl buffer (pH 7.5), treated at 85 ° C for 100 minutes with or without 1 μM PQQ, And its enzyme activity was analyzed (Fig. 2C). At this time, enzyme activity measurement was carried out at 70 ° C and pH 7.5.

도 2c는 알도오스 당 탈수소효소의 열처리 시간에 따른 효소활성 변화를 나타내는 그래프로서, (●)는 PQQ를 처리하지 않은 알도오스 당 탈수소효소를 나타내고, (▲)는 PQQ를 처리한 알도오스 당 탈수소효소를 나타낸다. 도 2c에서 보듯이, PQQ를 처리하지 않은 알도오스 당 탈수소효소는 85℃에서 25분동안 열처리할 경우, 효소활성이 반감되었으나, PQQ를 처리한 알도오스 당 탈수소효소는 85℃에서 100분동안 열처리할 경우에도 효소활성이 감소되지 않음을 확인하였다.FIG. 2C is a graph showing changes in enzyme activity of aldose sugar dehydrogenase with heat treatment time, in which (●) represents aldose sugar dehydrogenase without treatment with PQQ, and (▲) represents aldehyde sugar dehydrogenase Lt; / RTI > As shown in FIG. 2C, when the aldose dehydrogenase without PQQ treatment was heat-treated at 85 ° C for 25 minutes, the enzyme activity was reduced to half. However, the PQQ-treated aldose dehydrogenase was subjected to heat treatment at 85 ° C for 100 minutes It was confirmed that the enzyme activity did not decrease.

상기 알도오스 당 탈수소효소를 발현시키는 서머스 서모필러스 HJ6 균주의 최적성장온도가 80℃라는 점을 감안한다면, 상기 알도오스 당 탈수소효소가 서머스 서모필러스 HJ6 균주의 내열특성에 일정한 영향을 미칠것으로 분석되었다.
Considering that the optimum growth temperature of the Somersemester thermophilus HJ6 strain expressing the aldose sugar dehydrogenase is 80 ° C, the aldose dehydrogenase has a certain influence on the heat resistance characteristics of the Somershermophilus strain HJ6 Respectively.

실시예Example 1-3-4: 기질 특이성 분석 1-3-4: Substrate specificity analysis

알도오스 당 탈수소효소의 기질로서 다양한 종류의 단당류, 알콜, 치환된 글루코스 및 다당류를 사용하여, 상기 실시예 1-2에서 생산된 알도오스 당 탈수소효소의 기질 특이성을 분석하였다(표 1). 이때, 효소 활성과 기질 농도와의 관계를 나타내는 kinetic 값은 EZ-Fit program의 Michaelis-Menten 식을 이용하여 계산하였다.
The substrate specificity of the aldose sugar dehydrogenase produced in Example 1-2 was analyzed using various kinds of monosaccharides, alcohols, substituted glucose and polysaccharides as substrates of aldose dehydrogenase (Table 1). At this time, the kinetic value indicating the relationship between the enzyme activity and the substrate concentration was calculated using the Michaelis-Menten equation of the EZ-Fit program.

알도오스 당 탈수소효소의 기질 특이성Substrate specificity of aldose dehydrogenase 기질temperament 반응속도
(units/mg)
Reaction rate
(units / mg)
글루코스에 대한
상대속도
For glucose
Relative speed
kcat(/S)kcat (/ S) Km(M)Km (M) kcat/Km
(mM/S/M)
kcat / Km
(mM / S / M)
단당류
D-글루코스
D-갈락토스
D-프럭토스
L-아라비노스
D-만노스
D-자일로스
D-리보스
Monosaccharide
D-glucose
D-galactose
D-fructose
L-arabinose
D-Mannos
D-xylose
D-ribose

340
600
110
760
660
750
200

340
600
110
760
660
750
200

1
1.8
0.3
2.3
2
2.2
0.6

One
1.8
0.3
2.3
2
2.2
0.6

1054
823
404
1755
1627
1681
-

1054
823
404
1755
1627
1681
-

0.21
0.11
0.34
0.16
0.13
0.14
ND

0.21
0.11
0.34
0.16
0.13
0.14
ND

5021
7488
1190
10972
12518
12011
1059

5021
7488
1190
10972
12518
12011
1059
알콜
메탄올
에탄올
Alcohol
Methanol
ethanol

51
157

51
157

0.2
0.5

0.2
0.5

76
998

76
998

0.15
0.52

0.15
0.52

506
1919

506
1919
치환된 글루코스
2-디옥시-글루코스
글루코스아민
글루코스 6-인산
Substituted glucose
2-deoxy-glucose
Glucosamine
Glucose 6-phosphate

1644
270
143

1644
270
143

4.9
0.8
0.4

4.9
0.8
0.4

1141
197
192

1141
197
192

0.04
0.02
0.08

0.04
0.02
0.08

29483
12989
2543

29483
12989
2543
이당류
말토스
α-락토스
D-수크로스
D-셀로바이오스
saccharose
Maltose
? -lactose
D-cross
D-cellobiose

450
620
55
1200

450
620
55
1200

1.3
1.9
0.2
3.9

1.3
1.9
0.2
3.9

1022
1953
65
1042

1022
1953
65
1042

0.17
0.19
0.09
0.07

0.17
0.19
0.09
0.07

6012
10280
730
14893

6012
10280
730
14893
다당류
말토트리오스
Polysaccharide
Maltotrios

640

640

1.9

1.9

772

772

0.13

0.13

6160

6160

상기 표 1에서 보듯이, 상기 알도오스 당 탈수소효소는 다양한 당 뿐만 아니라, 알콜을 기질로 사용할 수 있음을 확인하였다. 이러한 결과를 다른 동종 효소에서는 볼 수 없는 본 발명에서 제공하는 알도오스 당 탈수소효소에서만 나타나는 특징에 의한 것임을 확인하였다. 특히, D-글루코스에 비하여 D-갈락토스, L-아라비노스, D-만노스 및 D-자일로스가 더욱 우수한 기질특이성을 나타내고, 수크로스를 제외한 이당류 및 삼당류는 글루코스보다도 우수한 기질특이성을 나타냄을 확인하였다. 상기 결과로부터 본 발명의 알도오스 당 탈수소효소는 알데히드를 포함하는 다양한 당에 대한 탈수소효소 활성을 나타냄을 확인하였다.
As shown in Table 1, it was confirmed that the aldehyde dehydrogenase can use various sugars as well as alcohol as a substrate. These results were confirmed to be attributable to the characteristics of only the aldose sugar dehydrogenase provided by the present invention which can not be found in other homologous enzymes. In particular, it was confirmed that D-galactose, L-arabinose, D-mannose and D-xylose showed more excellent substrate specificity than D-glucose and disaccharides and trisaccharides except sucrose exhibited superior substrate specificity than glucose Respectively. From the above results, it was confirmed that the aldehyde dehydrogenase of the present invention exhibited dehydrogenase activity for various sugars including aldehydes.

실시예Example 2:  2: 알도오스Aldose 당 탈수소효소의 전기화학적 활성 분석 Electrochemical activity analysis of glucose dehydrogenase

실시예Example 2-1: 고정된  2-1: Fixed 알도오스Aldose 당 탈수소효소를 이용한 전류 전위곡선( Current Potential Curve Using Hydrolytic Dehydrogenase cycliccyclic voltamogram) 분석 voltamogram analysis

전기화학 분석기(WPG100e, WonaTech, Korea)를 사용한 전류 전위곡선(cyclic voltamogram) 분석에 미치는 알도오스 당 탈수소효소의 효과를 분석하고자 하였다.To analyze the effect of aldose dehydrogenase on the analysis of cyclic voltamogram using an electrochemical analyzer (WPG100e, WonaTech, Korea).

먼저, Referenc 전극인 Ag/AgCl 전극(Bioanalytical Systems, BAS MF-2079); counter 전극인 백금선(platinum wire, Bioanalytical Systems, BAS MF-1052); 및 글래시 카본(glassy carbon) 전극(diameter, 3.0 mm)(CH Instruments, CHI104)을 0.3㎛ 알루미나 슬러리(alumina slurry)를 사용하여 1차 세척한 다음, 0.05㎛ 알루미나 슬러리를 사용하여 2차 세척하고, 증류수 조건에서 초음파를 처리하였으며, 이후 실온에서 건조시켰다.
First, an Ag / AgCl electrode (Bioanalytical Systems, BAS MF-2079) as a reference electrode; Platinum wire (Bioanalytical Systems, BAS MF-1052) as a counter electrode; And a glassy carbon electrode (diameter, 3.0 mm) (CH Instruments, CHI104) were firstly washed with 0.3 mu m alumina slurry and then secondly washed with a 0.05 mu m alumina slurry , Treated with distilled water under ultrasound, and then dried at room temperature.

한편, 단일벽 나노튜브(single-walled carbon nanotubes, diameter 0.7-1.3 nm, Sigma-Aldrich)를 1 mg/㎖의 농도로 DMF(N,N-dimethylformamide)에 용해시키고 초음파로 분산시켰다. 분산된 단일벽 나노튜브 용액 4 ㎕를 상기 글래시 카본 전극 위에 코팅하고 실온에서 건조시켰다. 그런 다음, 1% BSA(Bovine serum albumin) 용액과 상기 실시예 1-2에서 생산된 알도오스 당 탈수소효소 용액(15 mg/㎖)을 1:2의 비율로 혼합하여 혼합액을 수득하고, 상기 혼합액 6 ㎕를 단일벽 나노튜브가 코팅된 글래시 카본 전극 위에 코팅하였으며, 그 위에 40 mM 글루타르알데히드 용액 2 ㎕를 투여하여 효소를 단일벽 나노튜브에 교차결합 시켜서 알도오스 당 탈수소효소가 코팅된 전극을 제작하였다.
Single-walled carbon nanotubes (0.7-1.3 nm in diameter, Sigma-Aldrich) were dissolved in DMF (N, N-dimethylformamide) at a concentration of 1 mg / ml and dispersed by ultrasonication. 4 [mu] l of the dispersed single-walled nanotube solution was coated on the glacier carbon electrode and dried at room temperature. Then, 1% BSA (bovine serum albumin) solution and aldose dehydrogenase solution (15 mg / ml) produced in Example 1-2 were mixed at a ratio of 1: 2 to obtain a mixed solution, 6 μl was coated on a single-walled nanotube-coated glacier carbon electrode, and 2 μl of a 40 mM glutaraldehyde solution was added thereto to cross-link the enzyme to single-walled nanotubes to form an electrode coated with aldose dehydrogenase Respectively.

상기 제작된 전극을 50 mM Tris-HCl 완충액(pH 7.5)에 침지하고, 상기 완충액 단일 조건, 상기 완충액에 100 mM D-글루코스를 부가한 조건, 상기 완충액에 100 mM D-글루코스 및 1 μM PQQ를 부가한 조건하에서 전류 전위곡선(주사 속도: 10 mV/s)을 분석하였다(도 3).The electrode thus prepared was immersed in 50 mM Tris-HCl buffer (pH 7.5), and 100 mM D-glucose and 1 μM PQQ were added to the buffer under the single buffer condition, 100 mM D-glucose was added to the buffer, The current potential curve (scanning speed: 10 mV / s) was analyzed under the added conditions (Fig. 3).

도 3은 알도오스 당 탈수소효소가 고정된 글래시 카본 전극을 이용하여, 기질인 글루코스와 보조인자인 PQQ가 전류생산에 미치는 영향을 전류 전위곡선(cyclic voltamogram)을 통해 분석한 결과를 나타내는 그래프로서, (…)은 알도오스 당 탈수소효소가 코팅된 전극을 완충액에 침지한 경우를 나타내고, (----)은 상기 전극을 글루코스가 포함된 완충액에 침지한 경우를 나타내며, (━━)은 상기 전극을 글루코스와 PQQ가 포함된 완충액에 침지한 경우를 나타낸다. 도 3에서 보듯이, 기질인 글루코스가 추가된 경우에는 전류의 생성수준이 증가하고, 기질인 글루코스와 보조인자인 PQQ가 추가된 경우에는 가장 높은 수준으로 전류가 생성됨을 확인하였다.
FIG. 3 is a graph showing a result of analyzing the effect of glucose, a substrate, and PQQ, which is a substrate, on current production using a cyclic voltamogram using a glycocalone electrode to which an aldose dehydrogenase is immobilized, (-) represents the case where the electrode is immersed in a buffer solution containing glucose, (-) represents the case where the electrode coated with aldose dehydrogenase is immersed in a buffer solution, And the electrode is immersed in a buffer solution containing glucose and PQQ. As shown in FIG. 3, when the substrate glucose was added, the current generation level was increased, and when the substrate glucose and the auxiliary agent PQQ were added, it was confirmed that the current was generated to the highest level.

실시예Example 2-2: 온도변화에 따른 전류 전위곡선 분석 2-2: Current potential curve analysis with temperature change

상술한 바와 같이, 알도오스 당 탈수소효소의 활성은 반응온도에 따라 크게 변화되므로, 반응온도의 변화가 고정된 알도오스 당 탈수소효소를 이용한 전류 전위곡선 분석에 어떠한 영향을 미치는지 확인하고자 하였다.As described above, since the activity of the dehydrogenase of aldose is greatly changed according to the reaction temperature, the effect of the change of the reaction temperature on the current potential curve analysis using the fixed aldose sugar dehydrogenase was examined.

구체적으로, 효소반응액의 온도를 25 및 75℃로 변화시킨 것을 제외하고는 상기 실시예 2-1과 동일한 방법을 사용하여 전류 전위곡선 분석을 수행하였다(도 4).Specifically, current-potential curve analysis was performed using the same method as in Example 2-1 except that the temperature of the enzyme reaction solution was changed to 25 and 75 ° C (FIG. 4).

도 4는 온도변화에 따른 알도오스 당 탈수소효소가 고정된 글래시 카본 전극을 이용한 전류 전위곡선 분석결과를 나타내는 그래프로서, (…)은 효소반응액의 온도가 25℃인 경우를 나타내고, (━━)은 효소반응액의 온도가 75℃인 경우를 나타낸다. 도 4에서 보듯이, 효소반응액의 온도가 증가할 수록 높은 환원 피크를 나타냄을 확인하였다. FIG. 4 is a graph showing a result of current curve analysis using a glacier carbon electrode to which an aldehyde dehydrogenase is immobilized according to a change in temperature, and (...) represents a case where the temperature of the enzyme reaction liquid is 25 ° C. ━) indicates the case where the temperature of the enzyme reaction solution is 75 캜. As shown in FIG. 4, it was confirmed that the higher the temperature of the enzyme reaction solution, the higher the reduction peak.

따라서, 본 발명에서 제공하는 알도오스 당 탈수소효소는 반응온도가 증가할 수록 전류생성량을 증대시키는 효과를 나타냄을 알 수 있었다.
Therefore, it was found that the aldehyde dehydrogenase provided by the present invention has an effect of increasing the current generation as the reaction temperature is increased.

<110> Dong-eui University Industry-Academic Cooperation Foundation <120> Biofuel cell comprising aldose sugar dehydrogenase <130> KPA140483-KR <160> 6 <170> KopatentIn 2.0 <210> 1 <211> 352 <212> PRT <213> Artificial Sequence <220> <223> recombinant thermophilic aldose sugar dehydrogenase <400> 1 Met Asp Arg Arg Arg Phe Leu Val Gly Leu Leu Gly Leu Gly Leu Ala 1 5 10 15 Arg Gly Gln Gly Leu Arg Val Glu Glu Val Val Gly Gly Leu Glu Val 20 25 30 Pro Trp Ala Leu Ala Phe Leu Pro Asp Gly Gly Met Leu Ile Ser Glu 35 40 45 Arg Pro Gly Arg Ile Arg Leu Phe Arg Glu Gly Arg Leu Ser Thr Tyr 50 55 60 Ala Glu Leu Pro Val Tyr His Arg Gly Glu Ser Gly Leu Leu Gly Leu 65 70 75 80 Ala Leu His Pro Arg Phe Pro Arg Glu Pro Tyr Val Tyr Ala Tyr Arg 85 90 95 Thr Val Ala Glu Gly Gly Leu Arg Asn Gln Val Val Arg Leu Arg His 100 105 110 Leu Gly Glu Arg Gly Val Leu Asp Arg Val Val Leu Asp Gly Ile Pro 115 120 125 Ala Arg Pro His Gly Leu His Ser Gly Gly Arg Ile Ala Phe Gly Pro 130 135 140 Asp Gly Met Leu Tyr Val Thr Thr Gly Glu Val Tyr Glu Arg Glu Leu 145 150 155 160 Ala Gln Asp Leu Ala Ser Leu Gly Gly Lys Ile Leu Arg Leu Thr Pro 165 170 175 Glu Gly Glu Pro Ala Pro Gly Asn Pro Phe Leu Gly Arg Arg Gly Ala 180 185 190 Arg Pro Glu Val Tyr Ser Leu Gly His Arg Asn Pro Gln Gly Leu Ala 195 200 205 Trp His Pro Arg Thr Gly Glu Leu Phe Ser Ser Glu His Gly Pro Ser 210 215 220 Gly Glu Leu Gly Tyr Gly His Asp Glu Val Asn Leu Ile Val Pro Gly 225 230 235 240 Gly Asn Tyr Gly Trp Pro Arg Val Val Gly Arg Gly Asn Asp Pro Arg 245 250 255 Tyr Arg Asp Pro Leu Tyr Val Trp Pro Gln Gly Phe Pro Pro Gly Asn 260 265 270 Leu Ala Phe Phe Arg Gly Asp Leu Tyr Val Ala Gly Leu Arg Gly Gln 275 280 285 Ala Leu Leu Arg Leu Val Leu Glu Gly Gly Arg Gly Arg Trp Arg Val 290 295 300 Leu Arg Val Glu Thr Ala Leu Ser Gly Phe Gly Arg Leu Arg Glu Val 305 310 315 320 Gln Phe Gly Pro Asp His Ala Leu Tyr Val Thr Thr Ser Asn Arg Asp 325 330 335 Gly Arg Gly Gln Val Arg Pro Gly Asp Asp Gln Val Leu Arg Leu Leu 340 345 350 <210> 2 <211> 1059 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> recombinant thermophilic aldose sugar dehydrogenase <400> 2 gtggaccgga ggcgctttct cgtggggctt ctcggcctgg gcctcgcccg ggggcagggg 60 ctacgggtgg aggaggtggt ggggggcctc gaggtcccct gggccctggc cttcctgccg 120 gacgggggga tgctcatcgc ggagaggccc gggaggatcc ggctctttag ggagggcagg 180 ctttccacct acgccgagct tcccgtctac caccgggggg agtctgggct tttgggcctc 240 gccctccacc ctaggtttcc cgaggcgccc tacgtctacg cctaccgcac cgtggcggaa 300 gggggcctga ggaaccaggt ggtgcgcctg aggcacctgg gggaaagggg ggtcttggac 360 cgggtggtcc tggacgggat ccccgcccgg ccccacggcc tccactcggg ggggcgcatc 420 gccttcggcc ccgacgggat gctctacgtg accacggggg aggtctacga gcgggagctc 480 gcccaggacc tcgcctcctt gggggggaag atcctccgcc tcaccccgga aggggagccc 540 gccccgggaa accccttcct ggggcgaagg ggggcgaggc ccgaggtgta tagcctgggc 600 caccgcaacc cccagggcct cgcctggcac ccaaagaccg gggagctttt ctccagcgag 660 cacgggccga gcggggagca gggctatggc cacgacgagg tgaacctgat cgtccccggg 720 gggaactacg gctggccgag ggtggtgggg cgggggaacg acccccggta ccgggacccc 780 ctctacttct ggccccaggg cttccccccg gggaacctcg ccttcttccg gggggacctc 840 tacgtggcgg gcctccgggg gcaggccctc ttgaggctcg tcctggaggg ggagaggggc 900 cgctggcggg ttttgcgggt ggagaccgcc ctttccggct tcggccgcct tagggaggtg 960 caggtgggcc ccgatggggc cctttacgtc accacctcca accgggacgg gaggggccag 1020 gtgcgccccg gggacgaccg ggtgctacgc ctcctttag 1059 <210> 3 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 3 gtcggggaag ggggtggctg 20 <210> 4 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 4 aggtccgctt ccgcaagagg 20 <210> 5 <211> 30 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 5 ggggtggcat atggaccgga ggcgctttct 30 <210> 6 <211> 28 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 6 ccgaagctta aggaggcgta gcacccgg 28 <110> Dong-eui University Industry-Academic Cooperation Foundation <120> Biofuel cell comprising aldose sugar dehydrogenase <130> KPA140483-KR <160> 6 <170> Kopatentin 2.0 <210> 1 <211> 352 <212> PRT <213> Artificial Sequence <220> <223> recombinant thermophilic aldose sugar dehydrogenase <400> 1 Met Asp Arg Arg Phe Leu Val Gly Leu Leu Gly Leu Gly Leu Ala   1 5 10 15 Arg Gly Gln Gly Leu Arg Val Glu Glu Val Val Gly Gly Leu Glu Val              20 25 30 Pro Trp Ala Leu Ala Phe Leu Pro Asp Gly Gly Met Leu Ile Ser Glu          35 40 45 Arg Pro Gly Arg Ile Arg Leu Phe Arg Glu Gly Arg Leu Ser Thr Tyr      50 55 60 Ala Glu Leu Pro Val Tyr His Arg Gly Glu Ser Gly Leu Leu Gly Leu  65 70 75 80 Ala Leu His Pro Arg Phe Pro Arg Glu Pro Tyr Val Tyr Ala Tyr Arg                  85 90 95 Thr Val Ala Glu Gly Gly Leu Arg Asn Gln Val Val Arg Leu Arg His             100 105 110 Leu Gly Glu Arg Gly Val Leu Asp Arg Val Val Leu Asp Gly Ile Pro         115 120 125 Ala Arg Pro His Gly Leu His Ser Gly Gly Arg Ile Ala Phe Gly Pro     130 135 140 Asp Gly Met Leu Tyr Val Thr Thr Gly Glu Val Tyr Glu Arg Glu Leu 145 150 155 160 Ala Gln Asp Leu Ala Ser Leu Gly Gly Lys Ile Leu Arg Leu Thr Pro                 165 170 175 Glu Gly Glu Pro Ala Pro Gly Asn Pro Phe Leu Gly Arg Arg Gly Ala             180 185 190 Arg Pro Glu Val Tyr Ser Leu Gly His Arg Asn Pro Gln Gly Leu Ala         195 200 205 Trp His Pro Arg Thr Gly Glu Leu Phe Ser Ser Glu His Gly Pro Ser     210 215 220 Gly Glu Leu Gly Tyr Gly His Asp Glu Val Asn Leu Ile Val Pro Gly 225 230 235 240 Gly Asn Tyr Gly Trp Pro Arg Val Val Gly Arg Gly Asn Asp Pro Arg                 245 250 255 Tyr Arg Asp Pro Leu Tyr Val Trp Pro Gln Gly Phe Pro Pro Gly Asn             260 265 270 Leu Ala Phe Phe Arg Gly Asp Leu Tyr Val Ala Gly Leu Arg Gly Gln         275 280 285 Ala Leu Leu Arg Leu Val Leu Glu Gly Gly Arg Gly Arg Trp Arg Val     290 295 300 Leu Arg Val Glu Thr Ala Leu Ser Gly Phe Gly Arg Leu Arg Glu Val 305 310 315 320 Gln Phe Gly Pro Asp His Ala Leu Tyr Val Thr Thr Ser Asn Arg Asp                 325 330 335 Gly Arg Gly Gln Val Arg Pro Gly Asp Asp Gln Val Leu Arg Leu Leu             340 345 350 <210> 2 <211> 1059 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> recombinant thermophilic aldose sugar dehydrogenase <400> 2 gtggaccgga ggcgctttct cgtggggctt ctcggcctgg gcctcgcccg ggggcagggg 60 ctacgggtgg aggaggtggt ggggggcctc gaggtcccct gggccctggc cttcctgccg 120 gacgggggga tgctcatcgc ggagaggccc gggaggatcc ggctctttag ggagggcagg 180 ctttccacct acgccgagct tcccgtctac caccgggggg agtctgggct tttgggcctc 240 gccctccacc ctaggtttcc cgaggcgccc tacgtctacg cctaccgcac cgtggcggaa 300 gggggcctga ggaaccaggt ggtgcgcctg aggcacctgg gggaaagggg ggtcttggac 360 cgggtggtcc tggacgggat ccccgcccgg ccccacggcc tccactcggg ggggcgcatc 420 gccttcggcc ccgacgggat gctctacgtg accacggggg aggtctacga gcgggagctc 480 gcccaggacc tcgcctcctt gggggggaag atcctccgcc tcaccccgga aggggagccc 540 gccccgggaa accccttcct ggggcgaagg ggggcgaggc ccgaggtgta tagcctgggc 600 caccgcaacc cccagggcct cgcctggcac ccaaagaccg gggagctttt ctccagcgag 660 cacgggccga gcggggagca gggctatggc cacgacgagg tgaacctgat cgtccccggg 720 gggaactacg gctggccgag ggtggtgggg cgggggaacg acccccggta ccgggacccc 780 ctctacttct ggccccaggg cttccccccg gggaacctcg ccttcttccg gggggacctc 840 tacgtggcgg gcctccgggg gcaggccctc ttgaggctcg tcctggaggg ggagaggggc 900 cgctggcggg ttttgcgggt ggagaccgcc ctttccggct tcggccgcct tagggaggtg 960 caggtgggcc ccgatggggc cctttacgtc accacctcca accgggacgg gaggggccag 1020 gtgcgccccg gggacgaccg ggtgctacgc ctcctttag 1059 <210> 3 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 3 gtcggggaag ggggtggctg 20 <210> 4 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 4 aggtccgctt ccgcaagagg 20 <210> 5 <211> 30 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 5 ggggtggcat atggaccgga ggcgctttct 30 <210> 6 <211> 28 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 6 ccgaagctta aggaggcgta gcacccgg 28

Claims (12)

(a) 서머스 서모필러스 HJ6(Thermus thermophilus HJ6) 균주로부터 유래된 알도오스 당 탈수소효소가 고정된 아노드(anode) 전극;
(b) 상기 알도오스 당 탈수소효소의 기질을 포함하고, 알도오스 당 탈수소효소의 효소반응환경을 제공하는 제1 배지;
(c) 상기 아노드 전극과 제1 배지가 담겨진 아노드 반응조;
(d) 환원효소가 고정된 캐소드(cathode) 전극;
(e) 상기 환원효소의 기질을 포함하고, 환원효소의 효소반응환경을 제공하는 제2 배지;
(f) 상기 캐소드 전극과 제2 배지가 담겨진 캐소드 반응조; 및
(g) 상기 아노드 전극과 캐소드 전극을 연결하는 전선을 포함하는, 바이오연료전지.
(a) an anode electrode fixed with an aldose sugar dehydrogenase derived from a strain of Thermus thermophilus HJ6;
(b) a first medium containing a substrate of the dehydrogenase enzyme of aldose and providing an enzyme reaction environment of aldose sugar dehydrogenase;
(c) an anode reaction vessel containing the anode electrode and the first medium;
(d) a cathode electrode to which a reducing enzyme is immobilized;
(e) a second medium containing a substrate of the reductase and providing an enzyme reaction environment of the reductase;
(f) a cathode reaction tank containing the cathode and the second medium; And
(g) a wire connecting the anode electrode and the cathode electrode.
제1항에 있어서,
상기 알도오스 당 탈수소효소는 pH 5.0 내지 9.5의 pH 조건 및 30 내지 90℃의 온도조건에서 활성을 나타내고, 보조인자인 피롤로퀴놀린 퀴논(pyrroloquinoline quinone, PQQ)와 함께 85℃에서 100분동안 노출된 경우에도 효소활성이 감소되지 않는 내열성을 나타내는 것인 바이오연료전지.
The method according to claim 1,
The aldose dehydrogenase exhibited activity under pH conditions of pH 5.0 to 9.5 and temperature conditions of 30 to 90 ° C. When exposed to 85 ° C. for 100 minutes with pyrroloquinoline quinone (PQQ) And exhibits heat resistance such that the enzyme activity is not reduced.
제1항에 있어서,
상기 알도오스 당 탈수소효소는 서열번호 1의 아미노산 서열을 포함하는 것인 바이오연료전지.
The method according to claim 1,
Wherein the aldose saccharide dehydrogenase comprises the amino acid sequence of SEQ ID NO: &lt; RTI ID = 0.0 &gt; 1. &lt; / RTI &gt;
제1항에 있어서,
상기 아노드 전극은 백금, 스테인레스 스틸 메시, 카본 펠트, 카본 페이퍼 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 재질로 제조된 것인 바이오연료전지.
The method according to claim 1,
Wherein the anode electrode is made of a material selected from the group consisting of platinum, stainless steel mesh, carbon felt, carbon paper, and combinations thereof.
제1항에 있어서,
상기 알도오스 당 탈수소효소의 기질은 D-글루코스, D-갈락토스, D-프럭토스, L-아라비노스, D-만노스, D-자일로스, D-리보스, 2-디옥시-글루코스, 글루코스아민, 글루코스 6-인산, 말토스, α-락토스, D-수크로스, D-셀로바이오스, 말토트리오스 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 당류인 것인 바이오연료전지.
The method according to claim 1,
The substrate of the aldose dehydrogenase is selected from the group consisting of D-glucose, D-galactose, D-fructose, L-arabinose, D-mannose, D-xylose, D-ribose, 2- Wherein the saccharide is a saccharide selected from the group consisting of glucose 6-phosphate, maltose,? -Lactose, D-sucrose, D-cellobiose, maltotriose and combinations thereof.
제1항에 있어서,
상기 알도오스 당 탈수소효소의 기질은 메탄올, 에탄올 또는 이들의 조합인 것인 바이오연료전지.
The method according to claim 1,
Wherein the substrate of the aldose sugar dehydrogenase is methanol, ethanol or a combination thereof.
제1항에 있어서,
상기 환원효소는 라카아제, 비리루빈산화효소(bilirubin oxidase, BOD), 아스코베이트산화효소(ascorbate oxidase), 세루로플라스민(ceruloplasmine) 또는 이들의 조합인 것인 바이오연료전지.
The method according to claim 1,
Wherein the reducing enzyme is a lacase, a bilirubin oxidase (BOD), an ascorbate oxidase, ceruloplasmine, or a combination thereof.
제1항에 있어서,
상기 캐소드 전극은 카본 펠트, 카본 페이퍼, 카본 클로스 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 재질로 제조된 것 또는 에어캐소드(air-cathode)인 것인 바이오연료전지.
The method according to claim 1,
Wherein the cathode electrode is made of a material selected from the group consisting of carbon felt, carbon paper, carbon cloth, and combinations thereof, or air-cathode.
제1항에 있어서,
상기 각 배지는 pH 5.0 내지 9.5를 유지하는 완충액인 것인 바이오연료전지.
The method according to claim 1,
Wherein each of said media is a buffer maintaining a pH of 5.0 to 9.5.
제1항에 있어서,
상기 제1 배지에 보조인자인 피롤로퀴놀린 퀴논(pyrroloquinoline quinone, PQQ)을 추가로 포함하는 것인 바이오연료전지.
The method according to claim 1,
Wherein the first medium further comprises pyrroloquinoline quinone (PQQ) as a cofactor.
제1항에 있어서,
상기 바이오연료전지는 25 내지 90℃에서 작동하는 것인 바이오연료전지.
The method according to claim 1,
Wherein the biofuel cell operates at 25 to &lt; RTI ID = 0.0 &gt; 90 C. &lt; / RTI &gt;
(a) 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 바이오연료전지의 아노드 반응조에 제1 배지를 공급하고, 캐소드 반응조에 제2 배지를 공급하는 단계; 및
(b) 상기 공급된 각 배지에 포함된 기질을 이용하여 아노드 전극에 고정된 알도오스 당 탈수소효소가 전자를 생산하고, 생산된 전자는 전선을 통해 캐소드 전극으로 이동하며, 캐소드 전극에서 환원효소에 의해 전자가 소모되어, 전류를 생성하는 단계를 포함하는, 전기생산 방법.
(a) supplying a first medium to an anode reaction tank of the biofuel cell according to any one of claims 1 to 11, and supplying a second medium to the cathode reaction tank; And
(b) an aldehyde dehydrogenase fixed on the anode electrode produces electrons using the substrate contained in each of the supplied media, and the produced electrons move to the cathode electrode through the electric wire, and the reducing enzyme To produce an electric current. &Lt; Desc / Clms Page number 24 &gt;
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