KR101884384B1 - Carbonic Anhydrase Mutant Having Enhanced Thermostability and Activity - Google Patents

Carbonic Anhydrase Mutant Having Enhanced Thermostability and Activity Download PDF

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고영진
차형준
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고려대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a carbonic anhydrase mutant having enhanced enzymatic activity and thermostability, and when the enzyme mutant of the present invention is used, carbon dioxide can be removed and fixed in an eco-friendly manner, and thus the carbonic anhydrase mutant can be usefully used in industrial fields of carbon dioxide abatement and immobilization.

Description

열안정성과 효소 활성이 증가된 탄산무수화 효소 변이체{Carbonic Anhydrase Mutant Having Enhanced Thermostability and Activity}{Carbonic Anhydrase Mutant Having Enhanced Thermostability and Activity}

본 발명은 탄산무수화 효소(Carbonic anhydrase) 변이체에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 하이드로제노비브리오 마리너스 유래의 탄산무수화 효소 변이체 및 상기 탄산무수화 효소 변이체를 이용한 이산화탄소의 고정방법에 관한 것이다.The present invention relates to a carbonic anhydrase mutant, and more particularly, to a carbonic anhydrase mutant derived from Hydrogenobibrio mariners and a method for fixing carbon dioxide using the carbonic anhydrase variant.

최근 지구온난화가 가장 큰 환경 문제로 대두되어 왔으며 가장 큰 주범으로 이산화탄소가 선정되었고 이산화탄소 저감을 위한 여러 기술과 정책이 발전되고 있다. 친환경적으로 지속가능한 사회 발전을 위해서는 화학적 방법보다 생물유래의 효소를 이용한 이산화탄소 저감 방법이 유리하다. 생물 유래의 탄산무수화 효소는 이산화탄소를 바이카보네이트로 전환시킴으로서 이산화탄소를 제거 및 고정화할 수 있다. 이러한 생물 유래의 효소를 발전소와 같은 실제의 산업분야에 접목하기 위해서는 높은 안정성과 열에 대한 내성이 요구된다. Recently, global warming has emerged as the biggest environmental problem, and as the biggest culprit, carbon dioxide has been selected and technologies and policies for reducing carbon dioxide are being developed. For environmentally sustainable social development, a method of reducing carbon dioxide using biologically derived enzymes is more advantageous than chemical methods. The biochemical carbonic anhydrase can remove and immobilize carbon dioxide by converting carbon dioxide to bicarbonate. In order to incorporate these biologically derived enzymes into practical industrial fields such as power plants, high stability and resistance to heat are required.

기존에 탄산무수화 효소를 이용하여 산업에서 이산화탄소 저감을 유도하는 시도가 있어왔지만 탄산무수화 효소의 활성이 낮고 높은 온도에서 견디지 못했다. 또한, 단백질 발현율이 낮아 실제로 이용하기에 제한점이 있다. 따라서, 기존의 방법은 산업적으로 이용하기에는 한계가 있다.There have been attempts to induce carbon dioxide reduction in the industry using carbonic anhydrase, but the activity of carbonic anhydrase was low and could not withstand high temperatures. In addition, since the protein expression rate is low, there is a limitation in actual use. Therefore, existing methods have limitations in industrial use.

한편, 하이드로제노비브리오 마리너스(Hydrogenovibrio marinus) 유래의 탄산무수화 효소는 기존의 타 효소들에 비해 매우 높은 단백질 발현율을 가지고 있을 뿐만 아니라 시중에서 고가로 판매되고 있는 소(bovine) 유래의 탄산무수화 효소와 비교하였을 때 유사한 활성을 보유하고 있으며 60℃ 열처리 조건에서 높은 안정성 및 잔여활성이 나타난다(대한민국 공개특허 제10-2015-0122542호 (2015.11.02.)). On the other hand, Hydrogenovibrio Carinic anhydrase derived from marinus not only has a very high protein expression rate compared to other enzymes but also has similar activity when compared with bovine-derived carbonic anhydrase which is sold at high prices in the market And exhibits high stability and residual activity under heat treatment conditions at 60 캜 (Korean Patent Publication No. 10-2015-0122542 (Nov.

이에, 본 발명자들은 친환경적으로 이산화탄소 저감 및 고정화 산업에서 유용하게 사용될 수 있는 높은 활성과 열안정성을 가지는 생물유래의 효소를 찾고자 예의 노력한 결과, 하이드로제노비브리오 마리너스 균주로부터 유래한 탄산무수화 효소 유전자에 위치 지정 돌연변이를 일으켜 탄산무수화 효소 변이체를 제작하면 효소 활성과 열안정성이 증가하는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다. Accordingly, the present inventors have made intensive efforts to find a biologically-derived enzyme having high activity and thermal stability that can be usefully used in an environmentally friendly carbon dioxide abatement and immobilization industry. As a result, the present inventors have found that the hydrolyzate of a hydrocarbyl anhydrase gene derived from a Hydrogenobibrio marinus strain It has been confirmed that enzyme activity and thermal stability increase when a mutation of a carbonic anhydrase is produced by a designated mutation, and the present invention has been completed.

본 발명의 목적은 효소 활성과 열안정성이 증가한 탄산무수화 효소 변이체를 제공하는데 있다.It is an object of the present invention to provide a carbonic anhydrase variant having increased enzyme activity and thermal stability.

본 발명의 다른 목적은 상기 탄산무수화 효소 변이체를 코딩하는 유전자, 상기 유전자를 포함하는 재조합 벡터 및 상기 재조합 벡터가 도입된 재조합 미생물을 제공하는데 있다.It is another object of the present invention to provide a gene encoding the carbonic anhydrase variant, a recombinant vector containing the gene, and a recombinant microorganism into which the recombinant vector is introduced.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 재조합미생물을 배양하여 탄산무수화 효소 변이체의 제조방법을 제공하는데 있다.It is still another object of the present invention to provide a method for producing a carbonic anhydrase variant by culturing the recombinant microorganism.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 탄산무수화효소 변이체 또는 상기 재조합 미생물을 이용한 이산화탄소의 고정방법을 제공하는데 있다.It is still another object of the present invention to provide a method for fixing carbon dioxide using the carbonic anhydrase mutant or the recombinant microorganism.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 서열번호 1의 아미노산 서열로 이루어진 탄산무수화 효소에서, (i) G94K 또는 (ii) S97C로 이루어진 군으로부터 하나 이상의 변이를 가지는 것을 특징으로 하는 탄산무수화 효소 변이체를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a method for producing a carbonic anhydrase having an amino acid sequence of SEQ ID NO: 1, which has at least one mutation from the group consisting of (i) G94K or (ii) Provide variants.

본 발명은 또한, 상기 탄산무수화 효소 변이체를 코딩하는 유전자, 상기 유전자를 포함하는 재조합 벡터 및 상기 재조합 벡터가 도입된 재조합 미생물을 제공한다.The present invention also provides a gene encoding the carbonic anhydrase variant, a recombinant vector containing the gene, and a recombinant microorganism into which the recombinant vector is introduced.

본 발명은 또한, (a) 상기 재조합 미생물을 배양하여 탄산무수화 효소 변이체를 생성시키는 단계; 및 (b) 상기 생성된 탄산무수화 효소 변이체를 수득하는 단계를 포함하는 탄산무수화 효소 변이체의 제조방법을 제공한다.(A) culturing the recombinant microorganism to produce a carbonic anhydrase variant; And (b) obtaining the resulting carbonic anhydrase mutant. The present invention also provides a method for producing a carbonic anhydrase mutant.

본 발명은 또한, 상기 탄산무수화 효소 변이체 또는 상기 재조합 미생물을 이용하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소의 고정 방법을 제공한다.The present invention also provides a method for fixing carbon dioxide characterized by using the carbonic anhydrase variant or the recombinant microorganism.

본 발명의 탄산무수화 효소 변이체는 탄산무수화 효소의 활성과 열안정성이 현저히 증가하여, 친환경적으로 이산화탄소를 제거 및 고정할 수 있어, 이산화탄소 저감 및 고정화 산업분야에서 유용하게 이용될 수 있다.The carbonic anhydrase variant of the present invention significantly increases the activity and thermal stability of the carbonic anhydrase, and can be used to remove and fix the carbon dioxide in an environmentally friendly manner, thus being useful in the field of carbon dioxide reduction and immobilization.

도 1은 탄산무수화 효소 야생형과 변이체를 SDS-PAGE한 결과를 나타낸 것이다.
도 2는 탄산무수화 효소 야생형과 변이체의 효소 활성을 비교하기 위한 에스테라아제(esterase) 활성 실험 결과를 나타낸 것이다.
도 3는 탄산무수화 효소 야생형과 변이체의 열안정성을 비교하기 위한 온도에 따른 에스테라아제(esterase) 활성 실험 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 탄산무수화 효소 야생형과 변이체의 장시간 열안정성 시험 결과를 나타낸 것이다.
Fig. 1 shows the result of SDS-PAGE of the wild type carbonic anhydrase and mutants.
2 shows the results of esterase activity experiments for comparing the enzymatic activity of the carbonic anhydrase wild type and the mutant.
Fig. 3 shows the results of esterase activity test according to the temperature for comparing the thermal stability of the carbonic anhydrase wild type and the mutant.
Fig. 4 shows the long-term thermal stability test results of the carbonic anhydrase wild type and mutants.

본 발명에서는 이산화탄소를 제거 및 고정시키기 위하여 높은 활성과 열안정성을 가지는 생물 유래의 효소를 발굴하기 위하여, 탄산무수화효소 변이체를 제작하였다. In the present invention, a carbonic anhydrase variant was prepared in order to extract biologically-derived enzymes having high activity and thermal stability in order to remove and fix the carbon dioxide.

상기 탄산무수화효소 변이체를 제작하기 위하여, 하이드로제노비브리오 마리너스 균주로부터 유래한 탄산무수화 효소의 94번, 97번째 아미노산을 S-S결합을 가진 시스테인과 이와 상호작용하는 라이신으로 치환하여 탄산무수화 효소 변이체를 제작한 결과, 상기 탄산무수화 효소 변이체는 기존의 탄산무수화 효소에 비해 높은 활성과 열안정성을 가지는 것을 확인하였다.In order to prepare the above-mentioned carbonic anhydrase mutant, the 94th and 97th amino acids of the carbonic anhydrase derived from the Hydrogenobibrio marinus strain were substituted with the cysteine having the SS bond and the lysine interacting therewith to obtain a carbonic anhydrase variant As a result, it was confirmed that the above carbonic anhydrase mutant has higher activity and thermal stability than the conventional carbonic anhydrase.

따라서, 본 발명은 일 관점에서, 서열번호 1의 아미노산 서열로 이루어진 탄산무수화 효소에서, (i) G94K 또는 (ii) S97C 변이를 가지는 것을 특징으로 하는 탄산무수화 효소 변이체에 관한 것이다.Accordingly, in one aspect, the present invention relates to a carbonic anhydrase variant having (i) G94K or (ii) S97C mutation in a carbonic anhydrase having the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1.

본 발명에 있어서, 상기 탄산무수화 효소는 하이드로제노비브리오 마리너스(Hydrogenovibrio marinus) 유래인 것을 특징으로 한다.In the present invention, the carbonic anhydrase is derived from Hydrogenovibrio marinus .

또한, 본 발명에 있어서, 상기 탄산무수화 효소 변이체는 서열번호 1에서 G94K, S97C 및 G94K/S97C 변이를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, in the present invention, the carbonic anhydrase mutant includes the G94K, S97C, and G94K / S97C mutations in SEQ ID NO: 1.

일 양태에서, 본 발명의 상기 탄산무수화 효소 변이체는 당업계에 공지된 다양한 방법에 의하여 제조될 수 있으며, 그 예는 에러-유발 PCR(error-prone PCR), DNA 셔플링(DNA shuffling) 방법, 위치-지정 돌연변이(site-directed mutagenesis) 방법 등이 있으나, 자세하게는 위치지정 돌연변이 방법으로 제조하는 것을 특징으로 한다. In one embodiment, the carbonic anhydrase variant of the present invention can be prepared by a variety of methods known in the art, including error-prone PCR, DNA shuffling, Site-directed mutagenesis, and the like, but it is characterized in that it is prepared by a site-directed mutagenesis method in detail.

본 발명에서 서열번호 5의 핵산 서열로 이루어진 탄산무수화 효소 유전자에 프라이머를 이용하여 위치지정 돌연변이를 일으켜 94번째 아미노산인 글라이신을 라이신으로 치환하였고(DNA 서열번호 6), 97번째 아미노산인 세린을 시스테인으로 치환하였다(DNA 서열번호 7). 이 후, 돌연변이가 일어난 유전자만 남기기 위하여, DPN1 제한효소를 처리하였다. 대장균에서 직접 뽑은 플라스미드에는 아데노신에 메틸기를 가지고 있기 때문에, 이를 특이적으로 절단하기 위하여 DPN1 제한효소를 이용하였다. 상기 제한효소 처리로 플라스미드 DNA를 작은 조각으로 자른 후, PCR을 통하여 돌연변이가 일어난 유전자를 갖는 재조합 발현벡터를 구축하였다.In the present invention, glycine, which is a 94th amino acid, was substituted with lysine (DNA SEQ ID NO: 6) by using a primer in a carbonic anhydrase gene comprising the nucleic acid sequence of SEQ ID NO: 5, (DNA SEQ ID NO: 7). After this, the DPN1 restriction enzyme was treated to leave only the mutated gene. Since the plasmid directly extracted from Escherichia coli has a methyl group in adenosine, DPN1 restriction enzyme was used to specifically cleave it. The plasmid DNA was cut into small pieces by the restriction enzyme treatment, and then a recombinant expression vector having a mutated gene was constructed by PCR.

또한, 상기 94번째 아미노산이 치환된 재조합 벡터에 위치지정 돌연변이를 일으켜 97번째 아미노산인 세린을 시스테인으로 치환(DNA 서열번호 8)하여 이중첩 재조합 발현벡터를 구축하였다.In addition, the 94th amino acid-substituted recombinant vector was subjected to site-directed mutagenesis to replace the 97th amino acid serine with cysteine (DNA SEQ ID NO: 8) to construct a double-insert recombinant expression vector.

본 발명에서 제작한 재조합 발현벡터들을 대장균 BL21 균주에 형질전환한 후, 배양하여 G94K 탄산무수화 효소 변이체(아미노산 서열번호 2), S97C 탄산무수화 효소 변이체(아미노산 서열번호 3) 및 G94K/S97C 탄산무수화 효소 변이체(아미노산 서열번호 4)를 획득하였다.The recombinant expression vectors prepared in the present invention were transformed into Escherichia coli strain BL21 and then cultured to obtain G94K carbonic anhydrase variant (amino acid sequence number 2), S97C carbonic anhydrase variant (amino acid sequence number 3) and G94K / S97C carbonic acid (Amino acid sequence number 4) was obtained.

본 발명에서 상기 탄산무수화 효소 야생형(아미노산 서열번호 1) 및 효소 변이체의 활성을 비교하기 위하여, 에스테라아제(esterase) 활성 실험을 실시하였다.In order to compare the activity of the wild-type carbonic anhydrase (amino acid sequence number 1) and the enzyme mutant in the present invention, an esterase activity experiment was performed.

그 결과, G94K, S97C 및 G94K/S97C 탄산무수화 효소 변이체는 탄산무수화 효소 야생형에 비해 각각 0.6배, 1.3배 및 3.5배 활성이 증가한 것을 확인하였다(도 2). As a result, it was confirmed that the activity of G94K, S97C and G94K / S97C carbonic anhydrase mutants increased 0.6, 1.3 and 3.5 times, respectively, compared with the wild type carbonic anhydrase (FIG. 2).

또한, 상기 탄산무수화 효소 야생형 및 효소 변이체의 단백질 열안정성을 비교하기 위하여, 온도에 따른 에스테라아제 활성 실험을 실시하였다. 그 결과, 탄산무수화 효소 야생형, G94K 탄산무수화 효소 변이체 및 S97C 탄산무수화 효소 변이체는 50℃까지 잔여활성이 증가하였다. 이는 원균주가 뜨거운 열수구에서 서식하여 열에 대한 선호 및 내성이 있기 때문이다. 이후 온도가 증가함에 따라 잔여활성이 급격하게 줄어들었다. 그러나, G94K 탄산무수화 효소 변이체 및 S97C 탄산무수화 효소 변이체가 야생형에 비하여 높은 잔여활성이 나타났다. In order to compare the protein thermal stability of the wild-type and enzyme mutants of the carbonic anhydrase, the activity of esterase activity was examined according to temperature. As a result, the residual activities of carbonic anhydrase, G94K carbonic anhydrase and S97C carbonic anhydrase mutant were increased up to 50 ℃. This is due to the preference and tolerance of Won-Kyunju for the heat inhabited by the hot heat pipe. Thereafter, as the temperature increased, the residual activity rapidly decreased. However, the G94K carbonic anhydrase variant and the S97C carbonic anhydrase mutant showed higher residual activity than the wild type.

G94K/S97C 탄산무수화 효소 변이체는 90℃까지 잔여활성이 100%에 가깝게 유지되었다(도 3). 따라서, 이황화 결합과 라이신 아미노산이 단백질 간의 상호작용을 유도하여 열안정성을 증대시키는 것을 알 수 있다.The G94K / S97C carbonic anhydrase variant maintained a residual activity close to 100% up to 90 DEG C (FIG. 3). Therefore, it can be seen that the disulfide bond and the lysine amino acid induce the interaction between the protein and increase the thermal stability.

본 발명에서 상기 탄산무수화 효소 야생형 및 효소 변이체의 단백질 장시간 활성을 비교하는 실험을 한 결과, G94K, S97C 및 G94K/S97C 탄산무수화 효소 변이체는 31시간 이상 잔여활성을 유지하였다. In the present invention, G94K, S97C, and G94K / S97C carbonic anhydrase variants maintained their residual activity for more than 31 hours as a result of an experiment to compare the long-term activities of the wild-type and enzyme mutants of the carbonic anhydrase.

이를 통하여, G94K/S97C 탄산무수화 효소 변이체는 탄산무수화 효소 야생형에 비하여 현저히 높은 활성을 나타내고, 고온에 대하여 강한 내성을 가지며 고 활성이 장시간 유지됨을 확인하였다.As a result, it was confirmed that the G94K / S97C carbonic anhydrase mutant exhibits significantly higher activity than the carbonic anhydrase wild type, has a strong resistance to high temperature, and maintains high activity for a long time.

본 발명은 다른 관점에서, 상기 탄산무수화 효소 변이체를 코딩하는 유전자 및 상기 유전자를 포함하는 재조합 벡터 및 상기 재조합 벡터가 도입된 재조합 미생물에 관한 것이다.In another aspect, the present invention relates to a gene encoding the carbonic anhydrase variant, a recombinant vector comprising the gene, and a recombinant microorganism into which the recombinant vector is introduced.

본 발명에서 용어 "벡터 (vector)"는 적합한 숙주 내에서 DNA를 발현시킬 수 있는 적합한 조절 서열에 작동가능하게 연결된 DNA 서열을 함유하는 DNA 제조물을 의미한다. 벡터는 플라스미드, 파지 입자, 또는 간단하게 잠재적 게놈 삽입물일 수 있다. 적당한 숙주로 형질전환되면, 벡터는 숙주 게놈과 무관하게 복제하고 기능할 수 있거나, 또는 일부 경우에 게놈 그 자체에 통합될 수 있다. 플라스미드가 현재 벡터의 가장 통상적으로 사용되는 형태이므로, 본 발명의 명세서에서 "플라스미드 (plasmid)" 및 "벡터 (vector)"는 때로 상호 교환적으로 사용된다. 그러나, 본 발명은 당업계에 알려진 또는 알려지게 되는 바와 동등한 기능을 갖는 벡터의 다른 형태를 포함한다. 대장균에서 사용되는 단백질 발현 벡터로는 Novagen (미국) 사의 pET 계열; Invitrogen (미국)의 pBAD 계열; Takara (일본)의 pHCE 나 pCOLD; 제노포커스 (대한미국)의 pACE 계열; 등을 사용할 수 있다. 고초균에서는 게놈의 특정부분에 목적 유전자를 삽입하여 단백질 발현을 구현하거나, MoBiTech (독일)의 pHT 계열의 벡터, 등을 사용할 수 있다. 곰팡이나 효모에서도 게놈 삽입이나 자가복제 벡터들 이용하여 단백질 발현이 가능하다. Agrobacterium tumefaciens나 Agrobacterium rhizogenes 등의 T-DNA 시스템을 이용하여 식물용 단백질 발현 벡터를 사용할 수 있다. 포유동물 세포 배양물 발현을 위한 전형적인 발현 벡터는 예를 들면 pRK5 (EP 307,247호), pSV16B (WO 91/08291호) 및 pVL1392 (Pharmingen)을 기초로 한다.As used herein, the term "vector" means a DNA product containing a DNA sequence operably linked to an appropriate regulatory sequence capable of expressing the DNA in the appropriate host. The vector may be a plasmid, phage particle, or simply a potential genome insert. Once transformed into the appropriate host, the vector may replicate and function independently of the host genome, or, in some cases, integrate into the genome itself. Because the plasmid is the most commonly used form of the current vector, the terms "plasmid" and "vector" are sometimes used interchangeably in the context of the present invention. However, the present invention includes other forms of vectors having functions equivalent to those known or known in the art. Protein expression vectors used in E. coli include the pET family from Novagen (USA); PBAD family from Invitrogen (USA); PHCE or pCOLD from Takara (Japan); Genocarpus (USA) pACE series; Etc. may be used. In Bacillus subtilis, protein expression can be realized by inserting a desired gene in a specific part of the genome, or a pHT series vector of MoBiTech (Germany) can be used. Proteins can also be expressed in fungi or yeast using genomic insertions or self-replication vectors. A plant protein expression vector can be used using a T-DNA system such as Agrobacterium tumefaciens or Agrobacterium rhizogenes. Typical expression vectors for mammalian cell culture expression are based on, for example, pRK5 (EP 307,247), pSV16B (WO 91/08291) and pVL1392 (Pharmingen).

"발현 조절 서열 (expression control sequence)"이라는 표현은 특정한 숙주 생물에서 작동가능하게 연결된 코딩 서열의 발현에 필수적인 DNA 서열을 의미한다. 그러한 조절 서열은 전사를 실시하기 위한 프로모터, 그러한 전사를 조절하기 위한 임의의 오퍼레이터 서열, 적합한 mRNA 리보좀 결합 부위를 코딩하는 서열 및 전사 및 해독의 종결을 조절하는 서열을 포함한다. 예를 들면, 원핵생물에 적합한 조절 서열은 프로모터, 임의로 오퍼레이터 서열 및 리보좀 결합 부위를 포함한다. 진핵세포는 프로모터, 폴리아데닐화 시그날 및 인핸서가 이에 포함된다. 플라스미드에서 유전자의 발현 양에 가장 영향을 미치는 인자는 프로모터이다. 고 발현용의 프로모터로서 SRα 프로모터와 사이토메가로바이러스 (cytomegalovirus) 유래 프로모터 등이 바람직하게 사용된다.The expression " expression control sequence "means a DNA sequence that is essential for the expression of a coding sequence operably linked to a particular host organism. Such regulatory sequences include promoters for carrying out transcription, any operator sequences for regulating such transcription, sequences encoding suitable mRNA ribosome binding sites, and sequences controlling the termination of transcription and translation. For example, regulatory sequences suitable for prokaryotes include promoters, optionally operator sequences, and ribosome binding sites. Eukaryotic cells include promoters, polyadenylation signals and enhancers. The most influential factor on the expression level of the gene in the plasmid is the promoter. As the promoter for high expression, SRα promoter and cytomegalovirus-derived promoter are preferably used.

본 발명의 DNA 서열을 발현시키기 위하여, 매우 다양한 발현 조절 서열중 어느 것이라도 벡터에 사용될 수 있다. 유용한 발현 조절서열의 예에는, 예를 들어, SV40 또는 아데노바이러스의 초기 및 후기 프로모터들, lac 시스템, trp 시스템, TAC 또는 TRC 시스템, T3 및 T7 프로모터들, 파지 람다의 주요 오퍼레이터 및 프로모터 영역, fd 코드 단백질의 조절 영역, 3-포스포글리세레이트 키나제 또는 다른 글리콜분해 효소에 대한 프로모터, 상기 포스파타제의 프로모터들, 예를 들어 Pho5, 효모 알파-교배 시스템의 프로모터 및 원핵세포 또는 진핵 세포 또는 이들의 바이러스의 유전자의 발현을 조절하는 것으로 알려진 구성과 유도의 기타 다른 서열 및 이들의 여러 조합이 포함된다. T7 RNA 폴리메라아제 프로모터 Φ10은 이. 콜라이에서 단백질을 발현시키는데 유용하게 사용될 수 있다.In order to express the DNA sequences of the present invention, any of a wide variety of expression control sequences may be used in the vector. Examples of useful expression control sequences include, for example, early and late promoters of SV40 or adenovirus, lac system, trp system, TAC or TRC system, T3 and T7 promoters, major operator and promoter regions of phage lambda, fd A regulatory region of a coding protein, a promoter for 3-phosphoglycerate kinase or other glycolytic enzymes, a promoter of said phosphatase, such as Pho5, a promoter of yeast alpha-mating system and a prokaryotic or eukaryotic cell or a virus And other sequences known to modulate the expression of the gene of < RTI ID = 0.0 > SEQ ID < / RTI > The T7 RNA polymerase promoter < RTI ID = 0.0 > 10 < / RTI > Can be useful for expressing proteins in E. coli.

핵산은 다른 핵산 서열과 기능적 관계로 배치될 때 "작동가능하게 연결 (operably linked)"된다. 이것은 적절한 분자 (예를 들면, 전사 활성화 단백질)은 조절 서열(들)에 결합될 때 유전자 발현을 가능하게 하는 방식으로 연결된 유전자 및 조절 서열(들)일 수 있다. 예를 들면, 전서열(pre-sequence) 또는 분비 리더 (leader)에 대한 DNA는 폴리펩타이드의 분비에 참여하는 전단백질로서 발현되는 경우 폴리펩타이드에 대한 DNA에 작동가능하게 연결되고; 프로모터 또는 인핸서는 서열의 전사에 영향을 끼치는 경우 코딩서열에 작동가능하게 연결되거나; 또는 리보좀 결합 부위는 서열의 전사에 영향을 끼치는 경우 코딩 서열에 작동가능하게 연결되거나; 또는 리보좀 결합 부위는 번역을 용이하게 하도록 배치되는 경우 코딩 서열에 작동가능하게 연결된다. 일반적으로, "작동가능하게 연결된"은 연결된 DNA 서열이 접촉하고, 또한 분비 리더의 경우 접촉하고 리딩 프레임 내에 존재하는 것을 의미한다. 그러나, 인핸서 (enhancer)는 접촉할 필요가 없다. 이들 서열의 연결은 편리한 제한 효소 부위에서 라이게이션(연결)에 의해 수행된다. 그러한 부위가 존재하지 않는 경우, 통상의 방법에 따른 합성 올리고뉴클레오티드 어댑터 (oligonucleotide adaptor) 또는 링커(linker)를 사용한다.A nucleic acid is "operably linked" when placed in a functional relationship with another nucleic acid sequence. This may be the gene and regulatory sequence (s) linked in such a way that the appropriate molecule (e. G., Transcriptional activator protein) is capable of gene expression when bound to the regulatory sequence (s). For example, DNA for a pre-sequence or secretory leader is operably linked to DNA for a polypeptide when expressed as a whole protein participating in the secretion of the polypeptide; A promoter or enhancer is operably linked to a coding sequence if it affects the transcription of the sequence; Or the ribosome binding site is operably linked to a coding sequence if it affects the transcription of the sequence; Or a ribosome binding site is operably linked to a coding sequence if positioned to facilitate translation. Generally, "operably linked" means that the linked DNA sequences are in contact and, in the case of a secretory leader, are in contact and present in the reading frame. However, the enhancer need not be in contact. The linkage of these sequences is carried out by ligation (linkage) at convenient restriction sites. If such a site does not exist, a synthetic oligonucleotide adapter or a linker according to a conventional method is used.

본 발명의 "발현 벡터"는 통상 이종의 DNA의 단편이 삽입된 재조합 캐리어 (recombinant carrier)로서 일반적으로 이중 가닥의 DNA의 단편을 의미한다. 여기서, 이종 DNA는 숙주 세포에서 천연적으로 발견되지 않는 DNA인 이형 DNA를 의미한다. 발현 벡터는 일단 숙주 세포내에 있으면 숙주 염색체 DNA와 무관하게 복제할 수 있으며 벡터의 수 개의 카피 및 그의 삽입된 (이종) DNA가 생성될 수 있다.The expression vector of the present invention is usually a recombinant carrier into which a fragment of a different DNA is inserted, and generally means a fragment of double-stranded DNA. Herein, the heterologous DNA means a heterologous DNA that is not naturally found in the host cell. Once an expression vector is in a host cell, it can replicate independently of the host chromosomal DNA, and several copies of the vector and its inserted (heterologous) DNA can be generated.

당업계에 주지된 바와 같이, 숙주세포에서 형질감염 유전자의 발현 수준을 높이기 위해서는, 해당 유전자가, 선택된 발현 숙주 내에서 기능을 발휘하는 전사 및 해독 발현 조절 서열에 작동가능하도록 연결되어야만 한다. 바람직하게는 발현 조절서열 및 해당 유전자는 세균 선택 마커 및 복제 개시점 (replication origin)을 같이 포함하고 있는 하나의 발현 벡터 내에 포함되게 된다. 발현 숙주가 진핵세포인 경우에는, 발현 벡터는 진핵 발현 숙주 내에서 유용한 발현 마커를 더 포함하여야만 한다.As is well known in the art, to increase the level of expression of a transfected gene in a host cell, the gene must be operably linked to a transcriptional and detoxification regulatory sequence that functions in the selected expression host. Preferably the expression control sequence and the gene are contained within an expression vector containing a bacterial selection marker and a replication origin. If the expression host is a eukaryotic cell, the expression vector should further comprise a useful expression marker in the eukaryotic expression host.

상술한 발현 벡터에 의해 형질전환 또는 형질감염된 숙주 세포는 본 발명의 또 다른 측면을 구성한다. 본원 명세서에 사용된 용어 "형질전환"은 DNA를 숙주로 도입하여 DNA가 염색체외 인자로서 또는 염색체 통합완성에 의해 복제가능하게 되는 것을 의미한다. 본원 명세서에 사용된 용어 "형질감염"은 임의의 코딩 서열이 실제로 발현되든 아니든 발현 벡터가 숙주 세포에 의해 수용되는 것을 의미한다.Host cells transformed or transfected with the above expression vectors constitute another aspect of the present invention. As used herein, the term "transformation" means introducing DNA into a host and allowing the DNA to replicate as an extrachromosomal factor or by chromosomal integration. As used herein, the term "transfection" means that an expression vector, whether or not any coding sequence is actually expressed, is accepted by the host cell.

모든 벡터와 발현 조절 서열이 본 발명의 DNA 서열을 발현하는데 모두 동등하게 기능을 발휘하지는 않는다는 것을 이해하여야만 한다. 마찬가지로 모든 숙주가 동일한 발현 시스템에 대해 동일하게 기능을 발휘하지는 않는다. 그러나, 당업자라면 과도한 실험적 부담없이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 채로 여러 벡터, 발현 조절서열 및 숙주 중에서 적절한 선택을 할 수 있다. 예를 들어, 벡터를 선택함에 있어서는 숙주를 고려하여야 하는데, 이는 벡터가 그 안에서 복제되어야만 하기 때문이다. 벡터의 복제 수, 복제 수를 조절할 수 있는 능력 및 당해 벡터에 의해 코딩되는 다른 단백질, 예를 들어 항생제 마커의 발현도 또한 고려되어야만 한다. 발현조절 서열을 선정함에 있어서도, 여러 가지 인자들을 고려하여야만 한다. 예를 들어, 서열의 상대적 강도, 조절가능성 및 본 발명의 DNA 서열과의 상용성 등, 특히 가능성있는 이차 구조와 관련하여 고려하여야 한다. 단세포 숙주는 선정된 벡터, 본 발명의 DNA 서열에 의해 코딩되는 산물의 독성, 분비 특성, 단백질을 정확하게 폴딩시킬 수 있는 능력, 배양 및 발효 요건들, 본 발명 DNA 서열에 의해 코딩되는 산물을 숙주로부터 정제하는 것의 용이성 등의 인자를 고려하여 선정되어야만 한다. 이들 변수의 범위내에서, 당업자는 본 발명의 DNA 서열을 발효 또는 대규모 동물 배양에서 발현시킬 수 있는 각종 벡터/발현 조절 서열/숙주 조합을 선정할 수 있다. 발현 클로닝에 의해 cDNA를 클로닝 하려고 할 때의 스크리닝법으로서 바인딩법(binding법), 페닝법(panning법), 필름에멀션법(film emulsion 법)등이 적용될 수 있다.It should be understood that not all vectors and expression control sequences function equally well in expressing the DNA sequences of the present invention. Likewise, not all hosts function identically for the same expression system. However, those skilled in the art will be able to make appropriate selections among a variety of vectors, expression control sequences, and hosts without undue experimentation and without departing from the scope of the present invention. For example, in selecting a vector, the host should be considered because the vector must be replicated within it. The number of copies of the vector, the ability to control the number of copies, and the expression of other proteins encoded by the vector, such as antibiotic markers, must also be considered. In selecting the expression control sequence, a number of factors must be considered. For example, the relative strength of the sequence, controllability and compatibility with the DNA sequences of the present invention should be considered in relation to particularly possible secondary structures. The single cell host may be selected from a selected vector, the toxicity of the product encoded by the DNA sequence of the present invention, the secretion characteristics, the ability to fold the protein correctly, the culture and fermentation requirements, the product encoded by the DNA sequence of the invention And ease of purification. Within the scope of these variables, one skilled in the art can select various vector / expression control sequences / host combinations that can express the DNA sequences of the invention in fermentation or in large animal cultures. As a screening method for cloning cDNA by expression cloning, a binding method, a panning method, a film emulsion method, or the like can be applied.

본 발명의 정의상 "실질적으로 순수한"이란 본 발명에 따른 폴리펩타이드 및 폴리펩타이드를 코딩하는 DNA 서열이 박테리아로부터 유래된 다른 단백질을 실질적으로 포함하지 않는 것을 의미한다.By " substantially pure "in the context of the present invention is meant that the DNA sequence encoding the polypeptides and polypeptides according to the invention is substantially free of other proteins derived from bacteria.

재조합 단백질을 발현하기 위한 숙주세포는 짧은 시간 내 고농도 균체 배양이 가능하고 유전자 조작이 용이하고 유전학적, 생리적 특징이 잘 밝혀져 있는 대장균 (Escherichia coli), 고초균 (Bacillus subtillis) 등과 같은 원핵세포가 널리 이용되어 왔다. 그러나, 단백질의 번역 후 수식 (post-translational modification), 분비과정 및 활성형의 3차원 구조, 단백질의 활성상태의 문제점들을 해결하기 위해 최근 단세포 진핵세포인 효모 계열(Pichia pastoris, Saccharomyces cerevisiae, Hansenula polymorpha 등), 사상성 진균류 (filamentous fungi), 곤충세포 (insect cells), 식물세포, 포유동물세포 (mammalian cells) 등 고등생물에 이르기까지 재조합 단백질 생산의 숙주세포로 활용하고 있으므로, 실시예에서 예시된 대장균 뿐만 아니라 다른 숙주세포를 이용하는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 용이하게 적용가능하다.Host cells for expressing recombinant proteins are widely used for prokaryotic cells such as Escherichia coli and Bacillus subtillis, which are capable of culturing high concentration of cells in a short time, easy to genetically manipulate, and well-characterized genetic and physiological characteristics Has come. However, in order to solve problems of post-translational modification, secretion process, active three-dimensional structure, and active state of proteins, recently, single cell eukaryotic cells such as Pichia pastoris, Saccharomyces cerevisiae, Hansenula polymorpha The present invention utilizes the recombinant protein as a host cell for production of recombinant proteins up to higher organisms such as mammalian cells, filamentous fungi, insect cells, plant cells and mammalian cells. Therefore, In addition, the use of other host cells is readily applicable to those of ordinary skill in the art.

본 발명에서 균주는 대장균 BL21 균주를 포함하나, 이에 제한되지 않는다.In the present invention, the strain includes, but is not limited to, Escherichia coli BL21 strain.

본 발명은 또 다른 관점에서, (a) 상기 재조합 미생물을 배양하여 탄산무수화 효소 변이체를 생성시키는 단계; 및 (b) 상기 생성된 탄산무수화 효소 변이체를 수득하는 단계를 포함하는 탄산무수화 효소 변이체의 제조방법에 관한 것이다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method for producing a carbonic anhydrase variant, comprising: (a) culturing the recombinant microorganism to produce a carbonic anhydrase variant; And (b) obtaining the resulting carbonic anhydrase mutant. The present invention also relates to a method for producing a carbonic anhydrase variant.

상기 형질전환된 재조합 미생물의 배양은 널리 공지된 방법에 따라서 수행되고, 배양 온도 및 시간, 배지의 pH 등의 조건은 적절하게 조절될 수 있다.The cultivation of the transformed recombinant microorganism is carried out according to well-known methods, and the conditions such as the culture temperature and time, the pH of the culture medium and the like can be appropriately adjusted.

본 발명은 또 다른 관점에서, 상기 탄산무수화 효소 변이체 또는 상기 재조합 미생물을 이용하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소의 고정 방법에 관한 것이다. In another aspect, the present invention relates to a method for fixing carbon dioxide, which uses the carbonic anhydrase variant or the recombinant microorganism.

본 발명에 따른 효소 변이체 및 재조합 미생물은 이산화탄소를 바이카보네이트로 전환시킴으로서 이산화탄소를 제거 및 고정할 수 있다.The enzyme mutant and the recombinant microorganism according to the present invention can remove and fix carbon dioxide by converting carbon dioxide into bicarbonate.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 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 embodiments are only for illustrating the present invention and that the scope of the present invention is not construed as being limited by these embodiments.

실시예Example 1:  One: 탄산무수화Carbonic anhydride 효소의 94번 위치 지정 돌연변이 개량을 통한 재조합 벡터 구축  Construction of recombinant vector through position mutagenesis of enzyme No. 94 및 유전자And gene 증폭 Amplification

기존의 탄산무수화 효소의 유전자 서열(DNA 서열번호 5)을 기초로 하여 표 1의 프라이머를 이용하여 위치지정 돌연변이를 실시하였다. 상기 위치지정 돌연변이를 통하여 기존의 탄산무수화 효소의 94번째 아미노산인 글라이신을 라이신으로 치환하였다. 돌연변이가 일어난 유전자만 획득하기 위하여, DPN1 제한효소를 처리하여 플라스미드 DNA를 작은 조각으로 잘랐다. 이후, 중합효소연쇄반응(PCR)을 이용하여 돌연변이가 일어난 유전자를 갖는 재조합 발현 벡터만을 획득하여 G94K 재조합 벡터를 구축하였다.Based on the existing gene sequence of carbonic anhydrase (DNA SEQ ID NO: 5), the site-directed mutagenesis was carried out using the primers shown in Table 1. Through this site-directed mutagenesis, glycine, the 94th amino acid of the existing carbonic anhydrase, was replaced with lysine. To obtain only the mutated gene, the plasmid DNA was cut into small pieces by treating with DPN1 restriction enzyme. Then, only the recombinant expression vector having the mutated gene was obtained by PCR (polymerase chain reaction) to construct the G94K recombinant vector.

사용한 프라이머의 염기서열은 표 1와 같다.The nucleotide sequences of the primers used are shown in Table 1.

서열번호 9SEQ ID NO: 9 CTA CCG GGC TTT GAT GTG CAC TAC GTT GAT ACG GTT CTT AAA GCTA CCG GGC TTT GAT GTG CAC TAC GTT GAT ACG GTT CTT AAA G 서열번호 10SEQ ID NO: 10 CTT TAA GAA CCG TAT CAA CGT AGT GCA CAT CAA AGC CCG GTA GCTT TAA GAA CCG TAT CAA CGT AGT GCA CAT CAA AGC CCG GTA G

실시예Example 2:  2: 탄산무수화Carbonic anhydride 효소의 97번 위치 지정 돌연변이 개량을 통한 재조합 벡터 구축  Construction of recombinant vector through positional mutagenesis of enzyme No. 97 및 유전자And gene 증폭 Amplification

기존의 탄산무수화 효소의 유전자 서열(DNA 서열번호 5)을 기초로 하여 표 2의 프라이머를 이용하여 위치지정 돌연변이를 실시하였다. 상기 위치 지정 돌연변이를 통하여 기존의 탄산무수화 효소의 97번째 아미노산인 세린을 시스테인으로 치환하였다. 돌연변이가 일어난 유전자만 획득하기 위하여, DPN1 제한효소를 처리하여 플라스미드 DNA를 작은 조각으로 잘랐다. 이후, PCR을 이용하여 돌연변이가 일어난 유전자를 갖는 재조합 발현 벡터만을 획득하여 97번째 아미노산이 치환된 S97C 재조합 벡터를 구축하였다.Based on the existing gene sequence of carbonic anhydrase (DNA SEQ ID NO: 5), the site-directed mutagenesis was carried out using the primers shown in Table 2. Through the site-directed mutagenesis, the 97th amino acid serine of the existing carbonic anhydrase was replaced with cysteine. To obtain only the mutated gene, the plasmid DNA was cut into small pieces by treating with DPN1 restriction enzyme. Then, only the recombinant expression vector having the mutated gene was obtained using PCR to construct the S97C recombinant vector substituted with the 97th amino acid.

사용한 프라이머의 염기서열은 표 2와 같다.The nucleotide sequences of the primers used are shown in Table 2.

서열번호 11SEQ ID NO: 11 GTT GGC ACC ACT TGT CTA CCG GGC TTT GAT GTG CAC GTT GGC ACC ACT TGT CTA CCG GGC TTT GAT GTG CAC 서열번호 12SEQ ID NO: 12 GTG CAC ATC AAA GCC CGG TAG ACA AGT GGT GCC AAC GTG CAC ATC AAA GCC CGG TAG ACA AGT GGT GCC AAC

실시예Example 3:  3: 탄산무수화Carbonic anhydride 효소의 97번 위치 지정 돌연변이 개량을 통한  Through position 97 mutagenesis of the enzyme 2중첩2 overlap 재조합 벡터 구축 및 유전자 증폭 Construction of recombinant vectors and gene amplification

실시예 1에서 구축한 벡터를 주형으로 하여 표 2의 프라이머를 이용하여 위치지정 돌연변이를 실시하였다. 위치지정 돌연변이를 통하여 97번째 아미노산인 세린을 시스테인으로 치환하였다. 돌연변이가 일어난 유전자만 획득하기 위하여, DPN1 제한효소를 처리하여 플라스미드 DNA를 작은 조각으로 잘랐다. 이후, PCR을 이용하여 돌연변이가 일어난 유전자를 갖는 재조합 발현 벡터만을 획득하여 94 및 97번째 아미노산이 모두 치환된 G94K/S97C 재조합 벡터를 구축하였다. Using the vector constructed in Example 1 as a template, the site-directed mutagenesis was carried out using the primers shown in Table 2. Through the site-directed mutagenesis, the 97th amino acid, serine, was replaced with cysteine. To obtain only the mutated gene, the plasmid DNA was cut into small pieces by treating with DPN1 restriction enzyme. Then, only the recombinant expression vector having the mutated gene was obtained using PCR to construct a G94K / S97C recombinant vector in which all the 94th and 97th amino acids were substituted.

실시예 4: 탄산무수화 효소 wild-type과 변이체의 단백질 발현 및 정제Example 4: Protein expression and purification of wild-type and mutant carbonic anhydrase

실시예 1, 실시예 2 및 실시예 3에서 제작한 재조합 대장균 DH5α에서 플라스미드 DNA를 얻은 후 단백질 발현에 유리한 대장균 BL21 균주로 형질전환하였다. 상기 형질전환된 대장균 BL21을 엠피실린(50mg/L)이 포함된 루리아-버타니(LB) 배지에 접종하여 37℃조건에서 O.D = 0.6이 될 때까지 배양 후 아이소 프로필-β-D-시오갈락토피라노사이드(IPTG)를 전체 농도가 1mM이 되도록 첨가하였다. 이어서 16℃조건에서 16시간동안 배양하였다. 이 후, 4000rpm, 4℃조건에서 10분간 원심분리 하여 상등액과 세포를 분리한 다음 세포를 용해완충용액(Lysis buffer)(50mM NaH2PO4, 400mMNaCl, 10mMImidazole, pH8.0)에 잘 녹여준 다음 초음파로 세포를 분쇄하였다. 이 후, 13000rpm, 4℃조건에서 30분간 원심분리하여 불용성 단백질을 제거해주고 수용성 단백질을 히스티딘 태그(Histidine tag)를 이용하여 친화성 크로마토그래피를 실시하였다. 이후, 탄산무수화 효소야생형, G94K, S97C 및 G94K/S97C 변이체를 각각 SDS PAGE를 통해 확인하였다(도 1).Plasmid DNA was obtained from the recombinant E. coli DH5α prepared in Example 1, Example 2 and Example 3, and then transformed into E. coli strain BL21, which is advantageous for protein expression. The transformed Escherichia coli BL21 was inoculated on a Luria-Butani (LB) medium containing ampicillin (50 mg / L) and cultured at 37 ° C until OD = 0.6. After the isopropyl-β-D- Lactopyranoside (IPTG) was added to a total concentration of 1 mM. And then cultured at 16 DEG C for 16 hours. Then, the supernatant and the cells were separated by centrifugation at 4000 rpm and 4 ° C for 10 minutes, and then the cells were well dissolved in a lysis buffer (50 mM NaH 2 PO 4 , 400 mM NaCl, 10 mM Imidazole, pH 8.0) Cells were sonicated. After that, centrifugation was carried out at 13,000 rpm and 4 ° C for 30 minutes to remove insoluble proteins, and affinity chromatography was performed using a histidine tag for the water-soluble proteins. Subsequently, the carbonic anhydrase wild type, G94K, S97C and G94K / S97C mutants were confirmed by SDS PAGE, respectively (Fig. 1).

실시예 5: 탄산무수화 효소 wild-type과 변이체 단백질 정량 및 효소 활성비교Example 5: Comparison of wild-type and mutant protein quantification and enzymatic activity of carbonic anhydrase

탄산무수화 효소 활성 실험을 실시하기 전에 브래드포드 에세이(bradford assay)으로 탄산무수화 효소 야생형(wild-type), G94K, S97C 및 G94K/S97C 변이체에 대한 정량을 측정하였다. 이후 탄산무수화 효소 에스테라아제(esterase) 활성 실험을 위하여, 20mM Tris-sulfate(pH 7.5)를 기본 버퍼로, 30mM p-NPA를 기질로서 하고 효소를 20ug 넣어준 후 3분의 반응시간을 두고 O.D(405nm)를 측정하였다. wild-type의 활성정도를 1U으로 정의하고 변이체들에 대한 상대적 활성정도를 비교하였다. G94K, S97C 및 G94K/S97C 변이체의 활성은 wild-type에 비해 각각 0.6배, 1.3배 및 3.5배 증가하였다. 이를 통하여, S-S 결합과 이와 상호작용하는 라이신 아미노산이 추가됨으로서 효소의 활성이 증대되는 것을 확인할 수 있다(도 2).Quantitation of the carbonic anhydrase wild-type, G94K, S97C, and G94K / S97C variants was determined by Bradford assay prior to the carbonic anhydrase activity assay. For the esterase activity, 20 mM Tris-sulfate (pH 7.5) was used as a basic buffer and 30 mM p-NPA as a substrate. After 20 μg of the enzyme was added, OD ( 405 nm) was measured. The degree of activity of wild-type was defined as 1 U and the degree of relative activity against mutants was compared. The activities of G94K, S97C and G94K / S97C mutants were increased 0.6, 1.3 and 3.5 times, respectively, compared to wild-type. Through this, it is confirmed that the activity of the enzyme is increased by adding the SS bond and the lysine amino acid interacting therewith (FIG. 2).

실시예 6: 탄산무수화 효소 wild-type과 변이체 단백질 열안정성 비교Example 6: Thermal stability of wild-type and mutant proteins of carbonic anhydrase

탄산무수화 효소 야생형, G94K, S97C 및 G94K/S97C 변이체의 효소 활성 및 열안정성을 측정하기 위하여, 40℃, 50℃, 60℃, 70℃, 80℃ 및 90℃에서 30분간 반응시킨 후 13000rpm조건에서 10분간 원심분리하여 변형된 단백질을 제거해준 후, 탄산무수화 효소 에스테라아제(esterase) 활성 실험을 실시하였다. 실시예 5에서 수행한 각 효소 활성(room temperature)을 기준으로 각 온도에 대한 잔여 활성을 비교하여 열안정성을 측정하였다. 탄산무수화 효소 야생형, G94K 및 S97C 변이체는 50℃까지 잔여활성이 오히려 증가하나, 이후에는 급격하게 줄어드는 것을 확인하였다. 그러나, G94K 및 S97C 변이체는 야생형에 비하여 높은 잔여활성을 보였다. 또한, 실시예 3 변이체는 90℃까지 잔여활성이 100%에 가깝게 유지되는 것을 알 수 있다. 이를 통하여, 추가된 이황화결합과 라이신 아미노산이 단백질들 간의 상호작용을 유도하여 열안정성을 증대시키는 것을 확인하였다(도 3). 50 ° C, 60 ° C, 70 ° C, 80 ° C and 90 ° C for 30 minutes to measure the enzymatic activity and thermal stability of the carbonic anhydrase wild type, G94K, S97C and G94K / S97C mutants, For 10 minutes to remove the modified protein, and then the activity of carbonic anhydrase esterase activity was measured. The thermal stability was measured by comparing the residual activity against each temperature based on the room temperature of each enzyme performed in Example 5. The carbonic anhydrase wild type, G94K and S97C variants increased the residual activity up to 50 ℃, but then decreased sharply. However, the G94K and S97C mutants showed higher residual activity than the wild type. In addition, it can be seen that the residual activity of the Example 3 mutant is maintained close to 100% up to 90 占 폚. Through this, it was confirmed that the added disulfide bond and the lysine amino acid induce the interaction between the proteins to increase the thermal stability (FIG. 3).

실시예 7: 탄산무수화 효소 wild-type과 변이체 단백질 장시간 활성 비교Example 7: Long-term activity comparison between wild-type and mutant proteins of carbonic anhydrase

탄산무수화 효소 야생형, G94K, S97C 및 G94K/S97C 변이체에서 획득한 효소를 70℃조건에 장시간 노출시킨 후 시간에 따른 잔여활성을 확인하였다. 야생형은 처리 1시간 이내에 대부분의 활성이 없어졌고, G94K 및 S97C 변이체는 40~60%의 잔여활성을 31시간 이상 유지하였다. 반면 G94K/S97C 변이체는 100%에 가까운 잔여활성을 31시간 이상 유지하는 것을 확인하였다(도 4). The enzymes obtained from the carbonic anhydrase wild type, G94K, S97C, and G94K / S97C mutants were subjected to long-term exposure at 70 ° C, and residual activity over time was confirmed. The wild type showed almost no activity within 1 hour of treatment, while the G94K and S97C variants retained 40 to 60% of residual activity for more than 31 hours. Whereas the G94K / S97C mutant maintained nearly 100% residual activity for more than 31 hours (FIG. 4).

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 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 University Research and Business Foundation <120> Carbonic Anhydrase Mutant Having Enhanced Thermostability and Activity <130> P17-B037 <160> 12 <170> KoPatentIn 3.0 <210> 1 <211> 304 <212> PRT <213> Hydrogenovibrio marinus <400> 1 Met His Ser Asn Ala Pro Leu Ile Asp Leu Gly Ala Glu Met Lys Lys 1 5 10 15 Gln His Lys Glu Ala Ala Pro Glu Gly Ala Ala Pro Ala Gln Gly Lys 20 25 30 Ala Pro Ala Ala Glu Ala Lys Lys Glu Glu Ala Pro Lys Pro Lys Pro 35 40 45 Val Val His Asn Pro His Trp Ser Tyr Ser Gly Glu Glu Gly Pro Asp 50 55 60 His Trp Gly Asp Leu Ser Pro Asp Tyr Ala Thr Cys Lys Thr Gly Lys 65 70 75 80 Asn Gln Ser Pro Ile Asn Leu Met Ala Asp Asp Ala Val Gly Thr Thr 85 90 95 Ser Leu Pro Gly Phe Asp Val His Tyr Arg Asp Thr Val Leu Lys Val 100 105 110 Ile Asn Asn Gly His Thr Leu Gln Ala Asn Val Pro Leu Gly Ser Tyr 115 120 125 Ile Lys Ile Lys Asn Gln Arg Tyr Glu Leu Leu Gln Tyr His Phe His 130 135 140 Thr Pro Ser Glu His Gln Leu Asn Gly Phe Asn Tyr Pro Met Glu Leu 145 150 155 160 His 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300 tttgatgtgc actaccgtga tacggttctt aaagtcatca acaacggcca cacgctgcaa 360 gccaacgtgc ctttgggtag ctatatcaaa atcaaaaatc agcgttatga gctgttgcag 420 tatcattttc ataccccctc agaacatcag ttgaacggtt tcaattatcc gatggagttg 480 catttggttc accgagatgg tcgtgggcat tatctggtaa ttggtatttt gttcagagag 540 ggtaaagaga acgatgcgtt gcaaactatc ctgaaccact tgcctaaaaa agtcggtaaa 600 caggaaattt ttaatggcat tgaatttaat ccaaatgtct ttttccctga aagtaaaaaa 660 ttctttaaat acagcggctc tttaaccaca ccgccttgta cggaaggggt ttattggatg 720 gtgttcaaac aaccaatcga agcgtcggcg gagcaacttg aaaagatgaa cgaattaatg 780 ggggcgaatg ctcgtcctgt tcaggatttg gaagctcgct cgttgttgaa atcttggagc 840 aatcctaaaa acgatagtca ggatcaccgt tactatcaat attacctcga gcaccaccac 900 caccaccact ga 912 <210> 8 <211> 912 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> G94K/S97C mutant <400> 8 atgcatagca atgccccatt gattgacttg ggcgcggaaa tgaaaaaaca gcacaaggag 60 gcagctcccg aaggcgctgc gccggctcaa ggtaaggcac ctgccgcgga agccaaaaaa 120 gaagaagcac ctaaaccaaa acccgttgtg cataacccac 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Met His Ser Asn Ala Pro Leu Ile Asp Leu Gly Ala Glu Met Lys Lys   1 5 10 15 Gln His Lys Glu Ala Ala Pro Glu Gly Ala Ala Pro Ala Gln Gly Lys              20 25 30 Ala Pro Ala Ala Glu Ala Lys Lys Glu Glu Ala Pro Lys Pro Lys Pro          35 40 45 Val Val His Asn Pro His Trp Ser Tyr Ser Gly Glu Glu Gly Pro Asp      50 55 60 His Trp Gly Asp Leu Ser Pro Asp Tyr Ala Thr Cys Lys Thr Gly Lys  65 70 75 80 Asn Gln Ser Pro Ile Asn Leu Met Ala Asp Asp Ala Val Gly Thr Thr                  85 90 95 Cys Leu Pro Gly Phe Asp Val His Tyr Arg Asp Thr Val Leu Lys Val             100 105 110 Ile Asn Asn Gly His Thr Leu Gln Ala Asn Val Pro Leu Gly Ser Tyr         115 120 125 Ile Lys Ile Lys Asn Gln Arg Tyr Glu Leu Leu Gln Tyr His Phe His     130 135 140 Thr Pro Ser Glu His Gln Leu Asn Gly Phe Asn Tyr Pro Met Glu Leu 145 150 155 160 His Leu Val His Arg Asp Gly Arg Gly His Tyr Leu Val Ile Gly Ile                 165 170 175 Leu Phe Arg Glu Gly Lys Glu Asn Asp Ala Leu Gln Thr Ile Leu Asn             180 185 190 His Leu Pro Lys Lys Val Gly Lys Gln Glu Ile Phe Asn Gly Ile Glu         195 200 205 Phe Asn Pro Asn Val Phe Phe Pro Glu Ser Lys Lys Phe Phe Lys Tyr     210 215 220 Ser Gly Ser Leu Thr Thr Pro Pro Cys Thr Glu Gly Val Tyr Trp Met 225 230 235 240 Val Phe Lys Gln Pro Ile Glu Ala Ser Ala Glu Gln Leu Glu Lys Met                 245 250 255 Asn Glu Leu Met Gly Ala Asn Ala Arg Pro Val Gln Asp Leu Glu Ala             260 265 270 Arg Ser Leu Leu Lys Ser Trp Ser Asn Pro Lys Asn Asp Ser Gln Asp         275 280 285 His Arg Tyr Tyr Gln Tyr Tyr Leu Glu His His His His His ***     290 295 300 <210> 4 <211> 304 <212> PRT <213> Artificial Sequence <220> <223> G94K / S97C mutant <400> 4 Met His Ser Asn Ala Pro Leu Ile Asp Leu Gly Ala Glu Met Lys Lys   1 5 10 15 Gln His Lys Glu Ala Ala Pro Glu Gly Ala Ala Pro Ala Gln Gly Lys              20 25 30 Ala Pro Ala Ala Glu Ala Lys Lys Glu Glu Ala Pro Lys Pro Lys Pro          35 40 45 Val Val His Asn Pro His Trp Ser Tyr Ser Gly Glu Glu Gly Pro Asp      50 55 60 His Trp Gly Asp Leu Ser Pro Asp Tyr Ala Thr Cys Lys Thr Gly Lys  65 70 75 80 Asn Gln Ser Pro Ile Asn Leu Met Ala Asp Asp Ala Val Lys Thr Thr                  85 90 95 Cys Leu Pro Gly Phe Asp Val His Tyr Arg Asp Thr Val Leu Lys Val             100 105 110 Ile Asn Asn Gly His Thr Leu Gln Ala Asn Val Pro Leu Gly Ser Tyr         115 120 125 Ile Lys Ile Lys Asn Gln Arg Tyr Glu Leu Leu Gln Tyr His Phe His     130 135 140 Thr Pro Ser Glu His Gln Leu Asn Gly Phe Asn Tyr Pro Met Glu Leu 145 150 155 160 His Leu Val His Arg Asp Gly Arg Gly His Tyr Leu Val Ile Gly Ile                 165 170 175 Leu Phe Arg Glu Gly Lys Glu Asn Asp Ala Leu Gln Thr Ile Leu Asn             180 185 190 His Leu Pro Lys Lys Val Gly Lys Gln Glu Ile Phe Asn Gly Ile Glu         195 200 205 Phe Asn Pro Asn Val Phe Phe Pro Glu Ser Lys Lys Phe Phe Lys Tyr     210 215 220 Ser Gly Ser Leu Thr Thr Pro Pro Cys Thr Glu Gly Val Tyr Trp Met 225 230 235 240 Val Phe Lys Gln Pro Ile Glu Ala Ser Ala Glu Gln Leu Glu Lys Met                 245 250 255 Asn Glu Leu Met Gly Ala Asn Ala Arg Pro Val Gln Asp Leu Glu Ala             260 265 270 Arg Ser Leu Leu Lys Ser Trp Ser Asn Pro Lys Asn Asp Ser Gln Asp         275 280 285 His Arg Tyr Tyr Gln Tyr Tyr Leu Glu His His His His His ***     290 295 300 <210> 5 <211> 912 <212> DNA <213> Hydrogenovibrio marinus <400> 5 atgcatagca atgccccatt gattgacttg ggcgcggaaa tgaaaaaaca gcacaaggag 60 gcagctcccg aaggcgctgc gccggctcaa ggtaaggcac ctgccgcgga agccaaaaaa 120 gaagaagcac ctaaaccaaa acccgttgtg cataacccac attggtctta ttcgggagaa 180 gaaggccccg accattgggg agacttgtcg cctgattatg caacctgtaa aaccggcaaa 240 aatcagtcac caattaactt gatggcagat gatgccgttg gcaccacttc actaccgggc 300 tttgatgtgc actaccgtga tacggttctt aaagtcatca acaacggcca cacgctgcaa 360 gccaacgtgc ctttgggtag ctatatcaaa atcaaaaatc agcgttatga gctgttgcag 420 tatcattttc ataccccctc agaacatcag ttgaacggtt tcaattatcc gatggagttg 480 catttggttc accgagatgg tcgtgggcat tatctggtaa ttggtatttt gttcagagag 540 ggtaaagaga acgatgcgtt gcaaactatc ctgaaccact tgcctaaaaa agtcggtaaa 600 caggaaattt ttaatggcat tgaatttaat ccaaatgtct ttttccctga aagtaaaaaa 660 ttctttaaat acagcggctc tttaaccaca ccgccttgta cggaaggggt ttattggatg 720 gtgttcaaac aaccaatcga agcgtcggcg gagcaacttg aaaagatgaa cgaattaatg 780 ggggcgaatg ctcgtcctgt tcaggatttg gaagctcgct cgttgttgaa atcttggagc 840 aatcctaaaa acgatagtca ggatcaccgt tactatcaat attacctcga gcaccaccac 900 caccaccact ga 912 <210> 6 <211> 912 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> G94K mutant <400> 6 atgcatagca atgccccatt gattgacttg ggcgcggaaa tgaaaaaaca gcacaaggag 60 gcagctcccg aaggcgctgc gccggctcaa ggtaaggcac ctgccgcgga agccaaaaaa 120 gaagaagcac ctaaaccaaa acccgttgtg cataacccac attggtctta ttcgggagaa 180 gaaggccccg accattgggg agacttgtcg cctgattatg caacctgtaa aaccggcaaa 240 aatcagtcac caattaactt gatggcagat gatgccgtta agaccacttc actaccgggc 300 tttgatgtgc actaccgtga tacggttctt aaagtcatca acaacggcca cacgctgcaa 360 gccaacgtgc ctttgggtag ctatatcaaa atcaaaaatc agcgttatga gctgttgcag 420 tatcattttc ataccccctc agaacatcag ttgaacggtt tcaattatcc gatggagttg 480 catttggttc accgagatgg tcgtgggcat tatctggtaa ttggtatttt gttcagagag 540 ggtaaagaga acgatgcgtt gcaaactatc ctgaaccact tgcctaaaaa agtcggtaaa 600 caggaaattt ttaatggcat tgaatttaat ccaaatgtct ttttccctga aagtaaaaaa 660 ttctttaaat acagcggctc tttaaccaca ccgccttgta cggaaggggt ttattggatg 720 gtgttcaaac aaccaatcga agcgtcggcg gagcaacttg aaaagatgaa cgaattaatg 780 ggggcgaatg ctcgtcctgt tcaggatttg gaagctcgct cgttgttgaa atcttggagc 840 aatcctaaaa acgatagtca ggatcaccgt tactatcaat attacctcga gcaccaccac 900 caccaccact ga 912 <210> 7 <211> 912 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> S97C mutant <400> 7 atgcatagca atgccccatt gattgacttg ggcgcggaaa tgaaaaaaca gcacaaggag 60 gcagctcccg aaggcgctgc gccggctcaa ggtaaggcac ctgccgcgga agccaaaaaa 120 gaagaagcac ctaaaccaaa acccgttgtg cataacccac attggtctta ttcgggagaa 180 gaaggccccg accattgggg agacttgtcg cctgattatg caacctgtaa aaccggcaaa 240 aatcagtcac caattaactt gatggcagat gatgccgttg gcaccacttg tctaccgggc 300 tttgatgtgc actaccgtga tacggttctt aaagtcatca acaacggcca cacgctgcaa 360 gccaacgtgc ctttgggtag ctatatcaaa atcaaaaatc agcgttatga gctgttgcag 420 tatcattttc ataccccctc agaacatcag ttgaacggtt tcaattatcc gatggagttg 480 catttggttc accgagatgg tcgtgggcat tatctggtaa ttggtatttt gttcagagag 540 ggtaaagaga acgatgcgtt gcaaactatc ctgaaccact tgcctaaaaa agtcggtaaa 600 caggaaattt ttaatggcat tgaatttaat ccaaatgtct ttttccctga aagtaaaaaa 660 ttctttaaat acagcggctc tttaaccaca ccgccttgta cggaaggggt ttattggatg 720 gtgttcaaac aaccaatcga agcgtcggcg gagcaacttg aaaagatgaa cgaattaatg 780 ggggcgaatg ctcgtcctgt tcaggatttg gaagctcgct cgttgttgaa atcttggagc 840 aatcctaaaa acgatagtca ggatcaccgt tactatcaat attacctcga gcaccaccac 900 caccaccact ga 912 <210> 8 <211> 912 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> G94K / S97C mutant <400> 8 atgcatagca atgccccatt gattgacttg ggcgcggaaa tgaaaaaaca gcacaaggag 60 gcagctcccg aaggcgctgc gccggctcaa ggtaaggcac ctgccgcgga agccaaaaaa 120 gaagaagcac ctaaaccaaa acccgttgtg cataacccac attggtctta ttcgggagaa 180 gaaggccccg accattgggg agacttgtcg cctgattatg caacctgtaa aaccggcaaa 240 aatcagtcac caattaactt gatggcagat gatgccgtta agaccacttg tctaccgggc 300 tttgatgtgc actaccgtga tacggttctt aaagtcatca acaacggcca cacgctgcaa 360 gccaacgtgc ctttgggtag ctatatcaaa atcaaaaatc agcgttatga gctgttgcag 420 tatcattttc ataccccctc agaacatcag ttgaacggtt tcaattatcc gatggagttg 480 catttggttc accgagatgg tcgtgggcat tatctggtaa ttggtatttt gttcagagag 540 ggtaaagaga acgatgcgtt gcaaactatc ctgaaccact tgcctaaaaa agtcggtaaa 600 caggaaattt ttaatggcat tgaatttaat ccaaatgtct ttttccctga aagtaaaaaa 660 ttctttaaat acagcggctc tttaaccaca ccgccttgta cggaaggggt ttattggatg 720 gtgttcaaac aaccaatcga agcgtcggcg gagcaacttg aaaagatgaa cgaattaatg 780 ggggcgaatg ctcgtcctgt tcaggatttg gaagctcgct cgttgttgaa atcttggagc 840 aatcctaaaa acgatagtca ggatcaccgt tactatcaat attacctcga gcaccaccac 900 caccaccact ga 912 <210> 9 <211> 43 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 9 ctaccgggct ttgatgtgca ctacgttgat acggttctta aag 43 <210> 10 <211> 43 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 10 ctttaagaac cgtatcaacg tagtgcacat caaagcccgg tag 43 <210> 11 <211> 36 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 11 gttggcacca cttgtctacc gggctttgat gtgcac 36 <210> 12 <211> 36 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 12 gtgcacatca aagcccggta gacaagtggt gccaac 36

Claims (8)

서열번호 1의 아미노산 서열로 이루어진 탄산무수화 효소에서, (i) G94K 또는 (ii) S97C 변이를 가지는 것을 특징으로 하는 탄산무수화 효소 변이체.
A carbonic anhydrase variant having (i) G94K or (ii) S97C mutation in a carbonic anhydrase having the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1.
제1항에 있어서, 상기 탄산무수화 효소는 하이드로제노비브리오 마리너스(Hydrogenovibrio marinus) 유래인 것을 특징으로 하는 탄산무수화 효소 변이체.
The carbonic anhydrase mutant according to claim 1, wherein the carbonic anhydrase is derived from Hydrogenovibrio marinus .
제1항에 있어서, 상기 탄산무수화 효소 변이체는 서열번호 1에서 G94K/S97C를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄산무수화 효소 변이체.
The carbonic anhydrase variant according to claim 1, wherein the carbonic anhydrase variant comprises G94K / S97C in SEQ ID NO: 1.
제1항의 탄산무수화 효소 변이체를 코딩하는 유전자.
A gene encoding the carbonic anhydrase variant of claim 1.
제4항의 유전자를 포함하는 재조합 벡터.
A recombinant vector comprising the gene of claim 4.
제5항의 재조합 벡터가 도입된 재조합 미생물.
A recombinant microorganism into which the recombinant vector of claim 5 is introduced.
다음 단계를 포함하는 탄산무수화 효소 변이체의 제조방법:
(a) 제6항의 재조합 미생물을 배양하여 탄산무수화 효소 변이체를 생성시키는 단계; 및
(b) 상기 생성된 탄산무수화 효소 변이체를 수득하는 단계.
A method for producing a carbonic anhydrase variant comprising the steps of:
(a) culturing the recombinant microorganism of claim 6 to produce a carbonic anhydrase variant; And
(b) obtaining the resulting carbonic anhydrase variant.
제1항의 탄산무수화 효소 변이체 또는 제6항의 재조합 미생물을 이용하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소의 고정 방법.A method for fixing carbon dioxide, which comprises using the carbonic anhydrase variant of claim 1 or the recombinant microorganism of claim 6.
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