KR101937180B1 - Microbe Prototyping Genetic Circuit based Novel Microbe Screening System - Google Patents

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한국생명공학연구원
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Abstract

본 발명은 페놀을 감지하여 발현되는 전사조절인자를 암호화하는 유전자 및 상기 전사조절인자에 의해 작동되는 하위 리포터 유전자를 포함하는 유전자 회로, 상기 유전자 회로를 포함하는 센서 세포, 및 상기 센서 세포와 페놀-태그 기질을 이용하여 자연계 시료에서 직접 목적 효소의 활성을 보유하고 있는 신규 미생물 균주 또는 유전자원을 감지 및 탐색하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 유전자 회로 및 이를 포함하는 센서 세포는 리포터 유전자로 형광 단백질과 함께 센서 세포의 생존을 제어하는 영양요구성에 관련 효소를 함께 포함하고 있으므로, 상기 센서 세포와 원하는 목적 효소의 활성을 갖고 있는 미지의 미생물 균주를 함께 배양하여 형광을 측정하는 간단한 방법으로 해당 목적 효소의 활성을 갖고 있는 신규한 미생물 균주 또는 유전자원을 용이하게 동정할 수 있고, 또한 이와 같은 이중 리포터 시스템을 도입함으로써 목적 효소의 활성 유무를 가시적으로 더욱 명확하게 확인할 수 있다. 또한, 자연계에서 직접 유용 자원을 탐색할 때 DNA 분리 및 라이브러리 구축 과정을 거치지 않고 항생제의 사용을 제한함으로써 목표 효소 유전자의 발현 가능성 및 실험의 용이성을 최대화하고 자연계 고활성 미생물을 직접 사용하므로써 재조합미생물에 의한 GMO/LMO 문제를 최소화할 수 있다.The present invention relates to a gene circuit comprising a gene encoding a transcriptional regulatory factor which is expressed by sensing phenol and a sub-reporter gene activated by the transcriptional regulatory factor, a sensor cell containing the gene circuit, And a method for detecting and searching for a new microorganism strain or a genetic resource that possesses the activity of a target enzyme directly in a natural sample using a tag substrate. Since the gene circuit of the present invention and the sensor cell containing the same together with the fluorescent protein as a reporter gene together with the enzyme involved in nutritional requirement for controlling the survival of the sensor cell, The microorganism strain of the present invention can be easily cultured to measure the fluorescence and thus a novel microorganism strain or gene source having the activity of the target enzyme can be easily identified. In addition, by introducing such a double reporter system, Can be visually confirmed more clearly. In addition, when exploring useful resources directly in nature, it is possible to maximize the expression possibility and experiment easiness of the target enzyme gene by restricting the use of antibiotics without going through the process of DNA separation and library construction, and by directly using natural highly active microorganisms, Can minimize GMO / LMO problems.

Description

미생물 프로토타이핑 유전자 회로 기반 신규 미생물자원 탐색 시스템 {Microbe Prototyping Genetic Circuit based Novel Microbe Screening System}Technical Field [0001] The present invention relates to a novel microbial resource search system based on a microbial prototyping gene circuit,

본 발명은 세포내 효소활성 감지에 사용될 수 있는 "페놀계 화합물"이 포함된 기질, 페놀계 화합물을 감지하여 발현되는 전사조절인자를 암호화하는 유전자 및 상기 전사조절인자에 의해 작동되는 하위 리포터 유전자를 포함하는 유전자 회로, 상기 유전자 회로를 포함하는 센서 세포(sensor cell), 및 상기 센서 세포를 이용하여 목적 효소의 활성을 보유하고 있는 신규 미생물 균주를 센서 세포와 공배양하여 해당 활성을 직접 감지 및 탐색하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for detecting a phenolic compound, which comprises using a substrate containing a " phenolic compound " which can be used for detecting intracellular enzyme activity, a gene encoding a transcriptional regulatory factor expressed by detecting a phenolic compound, A sensor cell including the gene circuit, and a new microorganism strain having the activity of the target enzyme using the sensor cell are co-cultured with the sensor cell to directly detect and search for the activity of the sensor cell .

최근 미생물 유전체 혹은 메타게놈(metagenome)으로부터 새로운 유전자원을 확보하거나, 기존 유전자의 활성을 개량하여 유용성이 높은 바이오촉매로 발전시키기 위하여 방향성 분자진화기술(directed evolution)을 적용하는 연구가 바이오산업기술의 중요 전략으로 부각되고 있으며, 이에 따라 극미량의 효소 활성을 고속으로 감지하는 새로운 고감도 탐지기술의 개발이 필요해지고 있다.Recently, research to apply directional molecular evolution to develop a new genetic resource from a microorganism or metagenome, or to develop a biocatalyst with a high usefulness by improving the activity of existing genes, It has become important strategy, and it is becoming necessary to develop a new high sensitivity detection technology that detects a very small amount of enzyme activity at a high speed.

미생물유전체, 환경 DNA(메타게놈) 등 다양한 유전자원에서 새로운 효소 유전자를 획득하는 방법으로는 먼저 DNA 염기서열을 파악하여 PCR 반응을 수행하고, 증폭된 유전자를 획득하는 시퀀스기반 탐색기술(sequence-based screening)이 있다. 이 방법은 유전체 정보가 급증함에 따라서 활용성이 나날이 높아지고 있고, 원하는 유전자만 특이적으로 선별해 낼 수 있는 장점이 있지만, 목적 유전자의 염기서열에 대한 정확한 정보를 알고 있는 경우에만 사용이 가능하므로, 적용할 수 있는 대상이 유전자원의 일부로 국한되는 단점이 있다.In order to acquire a new enzyme gene from various genetic resources such as microbial genome and environmental DNA (metagenome), sequence-based search technique for acquiring an amplified gene by first performing PCR reaction by grasping a DNA sequence, screening. This method has an advantage of being able to utilize only the desired gene, but it can be used only when the exact information of the nucleotide sequence of the target gene is known, There is a disadvantage that the applicable target is limited to a part of the genetic circle.

이에 반하여 유전자 기능, 즉 효소활성에 기초하여 유전자를 선별하는 활성기반 감지기술(function-based screening)도 널리 이용된다. 이 방법에 의한 효소활성의 탐색에는 토양, 하천, 공장폐수, 해수, 산림 등지의 환경시료에서 직접 미생물을 분리하는 방법이 주로 이용되어 왔으나, 실제 실험실에서 배양 가능한 미생물종은 자연계에 존재하는 미생물의 1% 미만으로 매우 적은 양에 불과하다. 최근에는 미생물을 배양하지 않고 환경시료에서 직접 DNA를 분리하여 메타게놈 라이브러리의 형태로 유전자원을 구축하는 전략이 활발히 시도되고 있다. 이에 따라 메타게놈 라이브러리에서 산업적으로 유용한 효소 활성을 직접적으로 감지하려는 탐색기술의 개발에 대한 관심도 매우 높아지고 있다.In contrast, function-based screening, which selects genes based on enzyme activity, is also widely used. In order to detect enzyme activity by this method, a method of directly isolating microorganisms from environmental samples of soil, river, factory wastewater, seawater, forest and so on has been mainly used. However, microorganism species that can be cultivated in a laboratory are microorganisms Less than 1%, only a very small amount. Recently, strategies for constructing genetic resources in the form of a meta genome library have been actively attempted by isolating DNA directly from environmental samples without culturing microorganisms. There is thus a growing interest in the development of search techniques to directly detect industrially useful enzyme activities in the meta genome library.

효소활성의 고속 분석 기술에는 (1) 웰-플레이트(well-plate)를 이용하는 자동화 다중분석기술, (2) 고체 배지에서 발색 혹은 투명환(halo)을 관찰하는 방법, (3) 영양결핍 미생물을 이용하는 선택분리법 등이 주로 이용된다. 이들 방법은 효소의 실제적 활성에 근거하기 때문에 목적기능의 유전자를 명확하게 선별해 내는 장점이 있으나, 개별 효소활성에 부합하는 하나하나의 감지기술이 필요하므로 기술의 범용성에서 제약이 따르게 된다. 더구나 숙주세포에서 외래 유전자의 전사나 해독, 발현이 낮거나 단백질 접힘, 분비 등의 문제가 있는 경우에는 효과가 더욱 감소하게 된다. 실제로 신규 미생물유전체, 메타게놈 등 유전적 다양성이 높고, 유전자 특성이 알려지지 않은 유전자원으로부터 유래하는 신규 효소의 경우, 재조합 미생물에서의 발현 수준이 매우 낮으므로 이러한 고속분석법을 적용하기가 매우 어려워진다. 이에 따라 극미량 발현되는 효소의 활성조차도 고감도로 감지할 수 있는 새로운 고속탐색 기술의 개발이 지속적으로 요구되어 왔다.High-speed analysis techniques for enzyme activity include (1) automated multi-analysis techniques using well-plates, (2) methods of observing color or halo in a solid medium, (3) And the selective separation method to be used are mainly used. These methods are based on the actual activity of the enzyme, and thus have the advantage of clearly screening the genes of the objective function, but they require a single detection technique in accordance with the activity of the individual enzymes, thus limiting the versatility of the technology. Furthermore, the effect is further reduced when there is a problem such as transcription, detoxification, and expression of a foreign gene in the host cell, protein folding, secretion, and the like. In fact, in the case of a novel enzyme derived from a genetic source having a high genetic diversity such as a new microorganism genome, a metagenome, or the like, the level of expression in the recombinant microorganism is very low and it is very difficult to apply this high-speed analysis method. Accordingly, there is a continuing need to develop a new high-speed search technology capable of detecting even a very small amount of enzyme activity with high sensitivity.

한편, 페놀계 화합물을 검출하는 기술에 관한 연구가 알려져 있고(대한민국 등록특허공보 제10-0464068호), 또한 이를 이용하여 다양한 효소 활성의 탐색에 적용하는 연구에 대해서도 일부 진행되고 있으나(대한민국 공개특허공보 제10-2010-0131955호), 항생제 사용 및 DNA 분리, 라이브러리 구축 등의 문제로 인한 외래 세포 배양 및 유전자의 발현에 제약이 따르고 따라서 목적 효소의 활성을 보유하고 있는 신규한 미생물 균주를 간편하게 감지 및 탐색할 수 있는 방법에 대해서는 알려져 있지 않았다.On the other hand, research on a technique for detecting a phenol compound is known (Korean Patent Registration No. 10-0464068), and studies for applying various phenol compounds to a search for various enzyme activities have been conducted Publication No. 10-2010-0131955), antibiotic use, DNA isolation, library construction, and the like, so that it is easy to detect a new microorganism strain having the activity of the target enzyme And how to navigate was not known.

이에, 본 발명자들은 페놀에 의하여 그 발현이 유도되는 전사조절인자와 이 전사조절인자에 의하여 작동되는 하위 리포터 유전자로 구성된 유전자회로 및 이를 포함하는 센서 세포를 개발하였고, 자연계의 다양한 미생물에 존재하는 특정 목적 효소를 탐색하기 위해 해당 미생물의 DNA를 분리하여 라이브러리를 구축하는 대신에, 단순히 상기 센서 세포와 해당 미생물 혹은 자연계의 환경시료 자체를 항생제 없이 함께 배양하여 효소를 보유한 미생물 자원을 용이하게 확인 및 분리해 낼 수 있음을 밝힘으로써 본 발명을 완성하였다. Accordingly, the present inventors have developed a gene circuit comprising a transcription regulator whose expression is induced by phenol and a sub-reporter gene which is driven by the transcription regulator, and a sensor cell containing the gene circuit. Instead of isolating the DNA of the target microorganism in order to search for the target enzyme, the sensor cell and the environmental sample of the microorganism or the natural environment itself are simply cultured together with antibiotics to easily identify and isolate the microorganism resource having the enzyme The present invention has been completed.

대한민국 등록특허공보 제10-0464068호Korean Patent Publication No. 10-0464068 대한민국 공개특허공보 제10-2010-0131955호Korean Patent Publication No. 10-2010-0131955

본 발명은 세포내 효소활성 감지에 사용될 수 있는 "페놀계 화합물"을 포함하는 기질, 페놀계 화합물을 감지하여 발현되는 전사조절인자를 암호화하는 유전자 및 상기 전사조절인자에 의해 작동되는 하위 리포터 유전자를 포함하는 유전자 회로, 상기 유전자 회로를 포함하는 센서 세포, 및 상기 센서 세포와 상기 페놀계 화합물을 포함하는 기질을 이용하여 목적 효소의 활성을 보유하고 있는 신규한 미생물 균주의 활성을 감지 및 탐색하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention relates to a method for detecting a phenolic compound, which comprises using a substrate containing a " phenolic compound " which can be used for detecting intracellular enzyme activity, a gene encoding a transcriptional regulatory factor expressed by detecting a phenolic compound, A method for detecting and searching activity of a novel microorganism strain having an activity of a target enzyme using a sensor cell including the gene circuit and a substrate containing the sensor cell and the phenol compound And to provide the above objects.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (ⅰ) 유전자 발현 조절 부위, 상기 유전자 발현 조절 부위에 의해 활성이 조절되는 제1 프로모터, 및 상기 제1 프로모터의 활성화에 의해 발현이 조절되고, 형광 단백질을 암호화하는 유전자 및 영양요구성(nutritional requirement, auxotrophic)에 관여하는 효소를 암호화하는 유전자를 포함하는 리포터 유전자;를 포함하는 제1 유전자 컨스트럭트; 및 (ⅱ) 제2 프로모터, 및 상기 제2 프로모터에 의해 발현이 조절되고, 페놀계 화합물이 존재하는 환경에서만 상기 유전자 발현 조절 부위에 결합하여 상기 제2 프로모터를 활성화시키는 전사조절인자의 유전자를 포함하는 제2 유전자 컨스트럭트;를 포함하는, 페놀계 화합물의 존재를 감지하기 위한 유전자 회로를 제공한다. In order to achieve the above object, the present invention provides a method for regulating gene expression, comprising the steps of: (i) regulating gene expression, a first promoter whose activity is regulated by the gene expression regulatory region and an activator of the first promoter, And a reporter gene comprising a gene encoding an enzyme involved in nutritional requirement (auxotrophic); And (ii) a gene encoding a transcription regulatory factor that is regulated by the second promoter and the second promoter and binds to the gene expression regulatory region only in the presence of the phenolic compound to activate the second promoter A gene construct for detecting the presence of a phenolic compound.

또한, 본 발명은 상기 유전자 회로를 포함하는 센서 세포를 제공한다. Further, the present invention provides a sensor cell comprising the gene circuit.

또한, 본 발명은 상기 센서 세포와 세포내 효소활성 감지에 사용될 수 있는 "페놀계 화합물"을 포함하는 기질을 이용하여 목적 효소의 활성을 보유하고 있는 신규한 미생물 균주를 감지 및 탐색하는 방법을 제공한다. Further, the present invention provides a method for detecting and searching for a novel microorganism strain having the activity of a target enzyme by using a substrate containing the " phenol compound " do.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 The present invention

(ⅰ) 유전자 발현 조절 부위, 상기 유전자 발현 조절 부위에 의해 활성이 조절되는 제1 프로모터, 및 상기 제1 프로모터의 활성화에 의해 발현이 조절되고, 형광 단백질을 암호화하는 유전자 및 영양요구성에 관여하는 효소를 암호화하는 유전자를 포함하는 리포터 유전자;를 포함하는 제1 유전자 컨스트럭트; 및 (I) a gene expression regulatory region, a first promoter whose activity is regulated by the gene expression regulatory region, and a gene whose expression is regulated by activation of the first promoter and which encodes a fluorescent protein and an enzyme involved in nutritional requirement A first gene construct comprising a reporter gene comprising a gene that encodes a first gene construct; And

(ⅱ) 제2 프로모터, 및 상기 제2 프로모터에 의해 발현이 조절되고, 페놀계 화합물이 존재하는 환경에서만 상기 유전자 발현 조절 부위에 결합하여 상기 제2 프로모터를 활성화시키는 전사조절인자의 유전자를 포함하는 제2 유전자 컨스트럭트;를 포함하는, (Ii) a gene encoding a transcription regulator whose expression is regulated by the second promoter and which binds to the gene expression regulatory region only in the presence of a phenolic compound to activate the second promoter A second genetic construct;

페놀계 화합물의 존재를 감지하기 위한 유전자 회로를 제공한다. A gene circuit for detecting the presence of a phenolic compound is provided.

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

본 발명은 유전자 회로를 이용하여 목적 효소 활성을 보유하고 있는 신규 미생물 자원을 자연계에서 직접 용이하게 확인 및 분리하는 기술(MP-GESS: Microbe prototyping based genetic enzyme screening system)에 관한 것이다. The present invention relates to a microbe prototyping based genetic enzyme screening system (MP-GESS) for easily identifying and isolating new microorganism resources having a desired enzyme activity using a gene circuit.

본 발명에 있어서, "페놀계 화합물"은 세포내 효소활성 감지에 사용될 수 있는 기질로서, 페놀, 2-클로로페놀, 2-요오드페놀, 2-플로로페놀, o-크레졸, 2-에틸페놀, m-크레졸, 2-니트로페놀, 카테콜, 2-메톡시페놀, 2-아미노페놀, 2,3-디클로로페놀, 3-클로로페놀, 2,3-디메틸페놀, 3-니트로페놀, 4-클로로페놀, p-크레졸, 2,5-디클로로페놀, 2,5-디메틸페놀 등을 나타낸다. 이러한 "페놀계 화합물"을 포함하는 기질을 "페놀-태그 기질(phenol-tag substrate)"이라고도 한다. In the present invention, " phenolic compound " is a substrate which can be used for the detection of intracellular enzyme activity, and includes phenol, 2-chlorophenol, 2-iodophenol, 2-fluorophenol, o- m-cresol, 2-nitrophenol, catechol, 2-methoxyphenol, 2-aminophenol, 2,3-dichlorophenol, 3- chlorophenol, 2,3-dimethylphenol, Phenol, p-cresol, 2,5-dichlorophenol, 2,5-dimethylphenol, and the like. A substrate containing such a " phenolic compound " is also referred to as a " phenol-tag substrate ".

본 발명에 있어서, 상기 리포터 유전자와 상기 리포터 유전자의 발현을 조절하는 제1 프로모터는 상호작동가능하게 연결되어 있는 것을 특징으로 한다. In the present invention, the reporter gene and the first promoter controlling the expression of the reporter gene are operatively linked to each other.

본 발명에 있어서, 상기 전사조절인자가 결합하여 하류의 리포터 유전자의 발현을 유도하는 부위는 상기 전사조절인자가 결합하여 하류의 리포터 유전자가 발현될 수 있도록 리포터 유전자의 제1 프로모터를 활성화하는 것을 특징으로 한다. In the present invention, the site where the transcriptional regulatory factor binds and induces the expression of the downstream reporter gene activates the first promoter of the reporter gene so that the transcriptional regulatory factor binds and the downstream reporter gene can be expressed .

본 발명에 있어서, 상기 페놀계 화합물을 인지하여 하류의 리포터 단백질의 발현을 유도하는 전사조절인자를 코딩하는 유전자와 상기 전사조절인자의 발현을 조절하는 제2 프로모터는 상호작동가능하게 연결되어 있는 것을 특징으로 한다. In the present invention, a gene encoding a transcription regulatory factor that recognizes the phenolic compound and induces expression of a downstream reporter protein and a second promoter that regulates the expression of the transcription regulatory factor are operatively linked to each other .

본 발명에 있어서, "전사조절인자"는 바람직하게는 페놀계 화합물을 포함하는 기질의 분해효소의 발현을 조절하는 단백질로서, 페놀을 감지함으로써 페놀계 화합물 분해효소의 발현을 조절하는 프로모터를 작동시키고, 이러한 프로모터와 연결되어 있는 리포터의 발현을 유도하는 단백질을 나타낸다. 상기 "전사조절인자"에 관련하여, 페놀, 자일렌, 톨루엔, 벤젠 등 방향족 유기 화합물의 분해활성을 나타내는 유전자는 Pseudomonas 속과 Acinetobacter 속에서 주로 발견되고 있으며, 이들 유전자는 다유전자가 함께 발현되는 다기능 오페론으로 구성되어 있고, σ54 의존성 전사조절에 의하여 발현된다. 대표적인 전사조절인자로는 DmpR, DmpR 변이체, XylR, MopR, PhhR, PhlR, TbuT 등이 알려져 있고, 이 중 Pseudomonas putida에서 페놀 분해대사에 관여하는 DmpR과 톨루엔과 자일렌 분해 대사에 관여하는 XylR이 가장 잘 알려져 있다. 특히 자연환경에 오염된 톨루엔이나 자일렌, 혹은 페놀을 검출하기 위하여 DmpR이나 XylR을 이용하는 연구는 미생물 바이오센서라는 개념으로 많이 연구되고 왔다. 이러한 NtrC family 발현조절인자는 페놀, 자일렌 같은 활성화인자를 인식하는 도메인(A 도메인)과 ATPase 활성을 가지고 있는 도메인(C 도메인), 그리고 DNA에 결합하는 기능을 하는 도메인(D 도메인)들의 조합으로 구성된다. 따라서 페놀 분자가 없을 때에는 A 도메인이 전사를 저해하지만, 페놀 분자가 결합하여 A 도메인을 억제하면 C와 D 도메인에 의한 전사활성화 기능이 나타나게 된다. 최근에는 A 도메인의 특이성을 이용하여 새로운 물질의 감지에 이용하는 연구 및 유전공학적 방법을 통하여 특이성을 개량 연구도 알려지고 있다. In the present invention, the "transcriptional regulatory factor" is preferably a protein that regulates the expression of a degrading enzyme comprising a phenolic compound. By activating a promoter that regulates the expression of the phenolic cleavage enzyme by detecting phenol , And a protein that induces the expression of a reporter linked to such a promoter. Regarding the above-mentioned "transcriptional regulatory factors", genes showing decomposing activity of aromatic organic compounds such as phenol, xylene, toluene, and benzene are mainly found in the genus Pseudomonas and Acinetobacter. These genes are multifunctional Operon and is expressed by sigma 54- dependent transcriptional regulation. DMPR, DmpR, XmlR, MopR, PhhR, PhlR and TbuT are known to be typical transcription regulators. Among them, DmpR involved in phenol degradation metabolism and XylR involved in toluene and xylene degradation metabolism in Pseudomonas putida It is well known. In particular, studies using DmpR or XylR to detect toluene, xylene, or phenol contaminated with natural environments have been studied extensively as microbial biosensors. This NtrC family expression regulator is a combination of a domain (A domain) that recognizes an activating factor such as phenol and xylene, a domain that has ATPase activity (C domain), and a domain that functions to bind DNA (D domain) . Thus, when the phenol molecule is absent, the A domain inhibits the transcription. However, when the phenol molecule binds and inhibits the A domain, transcription activation by the C and D domains appears. Recently, it has been known that the specificity of the A domain is improved through research and genetic engineering methods used for the detection of new substances using the specificity.

따라서, 본 발명에서 바람직하게 사용되는 전사조절인자는 P. putida 유래 페놀 분해 오페론의 조절 단백질인 dmpR, 또는 이의 변이체일 수 있다. dmpR은 페놀, 자일렌, 톨루엔, 벤젠 등 방향족 유기 화합물의 분해활성을 나타내는 dmp 오페론 유전자의 σ54 의존성 전사활성조절 부분이다. P. putida 유래 dmp 오페론은 15개의 유전자로 구성되어 있으며, 이 중에서 dmpKLMNOP는 phenol hydroxylation에 필요한 효소들을 코드하고, dmpQBCDEFGHI는 catechol 중간물질을 분해하는 meta 분해경로의 효소들을 코드한다. dmpKLMNOP 오페론의 발현은 σ54 의존성 전사조절인자인 dmpR이 dmpK 상위의 dmp 오퍼레이터에 결합하여 활성화되며, dmpR 자체에 대한 전사조절인자는 σ70 의존성으로 알려져 있다. 또한, 상기 dmpR의 변이체는, 예컨대, dmpR 아미노산 서열의 135번째 E가 K로 변이된 E135K, 이 외에도, E172K, D135N, D135N 및 E172K, F65L, L184I, F42Y, R109C, L113V, D116N, F122L, K6E 및 F42S, Q10R 및 K117M, Q10R, D116G 및 K117R, D116V의 하나 이상이 아미노산 잔기가 돌연변이된 변이체일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 변이체는 페놀계 화합물에 대한 친화도가 크므로, 이들 위치 또는 주변부에서의 단일, 또는 다중 변이를 포함한 다양한 변이체들, 이 외에도 다양한 dmpR의 변이체들도 본 발명의 범위에 포함될 수 있다.Therefore, the transcriptional regulator preferably used in the present invention may be dmpR, a control protein of the P. putida-derived phenol digesting operon, or a mutant thereof. dmpR is the σ 54 -dependent transcriptional activity regulatory region of the dmp operon gene, which shows degradative activity of aromatic organic compounds such as phenol, xylene, toluene, and benzene. The dmp operon derived from P. putida consists of 15 genes, of which dmpKLMNOP codes for the enzymes necessary for phenol hydroxylation and dmpQBCDEFGHI codes for the enzymes of the meta-degradation pathway that break down the catechol intermediate. Expression of the dmpKLMNOP operon is activated by binding a sigma54-dependent transcriptional regulator, dmpR, to the dmp operator upstream of dmpK, and the transcription factor for dmpR itself is known as the sigma 70 dependency. The variant of dmpR may be E135K in which the 135th E of the dmpR amino acid sequence is mutated to K, E172K, D135N, D135N and E172K, F65L, L184I, F42Y, R109C, L113V, D116N, F122L, K6E And at least one of F42S, Q10R and K117M, Q10R, D116G and K117R, D116V may be a mutant in which the amino acid residue is mutated, but the mutant is highly affinity to the phenol compound, Various variants including single or multiple mutations at the periphery, as well as variants of various dmpR can be included within the scope of the present invention.

본 발명에서, "유전자 발현 조절 부위"란, 유전자 회로 전체를 조절하는 부위이다. 상기 전사조절인자는 페놀 분자가 없을 때에는 A 도메인이 전사를 저해하지만, 페놀 분자가 결합하여 A 도메인을 억제하면, C와 D 도메인에 의한 전사활성화 기능이 나타나게 되어 OpR(Operator for Reporter) 부위에 결합하며, 이것은 σ54 의존성으로 그 활성이 조절된다. In the present invention, " gene expression regulatory region " is a region regulating the entire gene circuit. When the phenol molecule binds and inhibits the A domain, transcriptional activation by the C and D domains appears. Thus, the transcriptional regulatory factor binds to OpR (Operator for Reporter) , Whose activity is regulated by a sigma 54 dependence.

본 발명에 있어서, "프로모터"는 전사조절인자의 발현을 조절하는 프로모터 또는, 리포터 단백질의 발현을 조절하는 프로모터를 의미하며, 예를 들어 Pseudomonas의 dmpR 또는 dmp 오페론의 프로모터나 일반 단백질 발현용 프로모터가 사용될 수 있고, 외래 단백질의 고발현용으로는 trc, T7, lac, ara 프로모터를 비롯한 고발현 프로모터가 사용될 수 있으며, 특히 inducer가 필요없는 항시 고발현 벡터인 Phce가 사용될 수 있다. 예를 들면, 상기 리포터 단백질의 발현을 조절하는 프로모터로는 E. coli의 σ54-의존성 프로모터(PECO) 등이 사용될 수 있다. 이것 외에도, MP-GESS의 숙주에 따라 Pseudomonas putida(PPPU), yeast(PYST) 등에도 적용하는 것은 당업자에 자명할 것이다.In the present invention, the term " promoter " means a promoter that regulates expression of a transcription regulatory factor or a promoter that regulates the expression of a reporter protein. For example, a promoter of dmpR or dmp operon of Pseudomonas or a promoter for expression of a general protein High expression promoters including trc, T7, lac and ara promoters can be used for high expression of foreign proteins, and Phce, which is a high expression vector that does not require an inducer, can be used. For example, as the promoter for regulating the expression of the reporter protein, a sigma 54 -dependent promoter (PECO) of E. coli and the like can be used. In addition to this, it will be obvious to those skilled in the art to apply Pseudomonas putida (PPPU) and yeast (PYST) according to the host of MP-GESS.

본 발명에 있어서, 상기 유전자 회로는, 상기 프로모터뿐만 아니라, 바람직하게는, 리포터 단백질의 발현을 용이하게 해주는 RBS(Ribosome Binding Site) 및/또는 전사종결인자를 포함할 수 있다. 즉, 상기 조절 단백질의 발현을 조절하는 부위로써, 상기 프로모터 이외에도 RBS 및/또는 전사종결인자를 포함할 수 있다. In the present invention, the gene circuit may include not only the promoter but also RBS (Ribosome Binding Site) and / or transcription termination factor which facilitates the expression of the reporter protein. That is, as a site for regulating the expression of the regulatory protein, RBS and / or a transcription termination factor may be included in addition to the promoter.

일반적으로 단백질의 발현은 mRNA에서 개시코돈인 AUG(메티오닌) 혹은 GUG(발린)에서 시작하는데, 리보좀이 단백질 내부의 잔기에 위치한 AUG 혹은 GUG와 단백질 개시코돈으로서의 AUG와 GUG의 구분은 DNA의 퓨린 염기가 풍부한 RBS (또는 샤인-달가노 연속부분; Shine-Dalgarno (SD) sequence)에 의하여 결정되며 이 RBS는 종마다 서열이 차이가 나는 것으로 알려져 있다. 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 본 발명에서 구축한 유전자 회로는 Pseudomonas의 전사조절인자를 사용하고 있는데, 유전자 회로의 숙주인 대장균과는 생존 형태가 많이 다를 뿐만 아니라 σ54 의존성 유전자 발현의 경우에는 σ54 결합부위나 σ54 인자 자체가 대장균과 많이 다르기 때문에 Pseudomonas의 RBS(RBSPPU), 또는 숙주인 대장균에서 리포터 단백질의 발현을 용이하게 하기 위하여 대장균용 RBS(RBSε), 또는 모든 균주에 통합적으로 사용가능한 RBS(RBSx)를 사용할 수 있다. In general, protein expression begins in AUG (methionine) or GUG (valine), which is the initiation codon in mRNA. The distinction between AUG and GUG, which are located in residues of ribosomes in proteins, and AUG and GUG, as protein initiation codons, (Or Shine-Dalgarno (SD) sequence) rich in RBS (or Shine-Dalgarno (SD) sequence). According to a preferred embodiment, a gene circuit built in the present invention and were using transcription factors in Pseudomonas, but different from many living form and a host E. coli of the gene circuit as σ 54 for dependent gene expression, the Because the σ 54 binding site or σ 54 factor itself is very different from that of E. coli, RBS (RBSPPU) of Pseudomonas or RBS (RBSε) for E. coli, or all strains can be used to facilitate reporter protein expression in the host E. coli Possible RBS (RBSx) is available.

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

본 발명에 있어서, 리포터 단백질은 형광 단백질 및 영양요구성에 관여하는 효소로 이루어진다. 형광 단백질로는 바람직하게 GFP, GFPUV, 또는 RFP를 사용할 수 있으나, 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 한 본 발명에 사용할 수 있는 형광 단백질은 이러한 예에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 영양요구성에 관여하는 효소는 돌연변이에 의해 미생물이 어떤 특정한 아미노산·핵산염기·비타민류 등의 합성 능력을 잃게 되어 배지에서는 생육하지 못하고 이에 따라 자기가 합성하지 못하는 성분을 생육에 필요한 양분으로 요구하게 되는 영양요구주(auxotroph)가 해당 결핍된 물질을 합성할 수 있도록 하는 효소를 나타낸다. 이러한 영양요구성의 돌연변이로서는 아르기닌 요구성·메티오닌 요구성·티민 요구성 등을 포함하는 다수의 종류가 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 동일한 아르기닌 요구성이라 하더라도 아르기닌 생합성 경로의 저지 단계에 따라 ① 아르기닌만으로 생육되는 것, ② 아르기닌 대신에 시트룰린으로도 생육되는 것, ③ 아르기닌·시트룰린·오르니틴으로 생육되는 것 등 여러 종류가 생길 수 있다. 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 영양요구성에 관여하는 효소로는 글루탐산 영양요구성 미생물을 글루탐산이 결핍된 환경에서도 생존할 수 있도록 하는 DAAT(D-amino acid aminotransferase) 효소를 들 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. In the present invention, the reporter protein is composed of a fluorescent protein and an enzyme involved in nutritional requirement. GFP, GFP UV , or RFP can be preferably used as the fluorescent protein, but the fluorescent protein that can be used in the present invention is not limited to such examples as long as the object of the present invention can be achieved. In addition, the enzymes involved in the nutritional requirement are not able to grow in the medium due to the loss of the ability of the microorganism to synthesize any particular amino acid, nucleic acid base, vitamins and the like due to the mutation, The required auxotrophs represent enzymes that enable the depleted substances to be synthesized. Such mutations of nutritional requirement include, but are not limited to, a number of species including arginine urine, methionine urine, thymine urine, and the like. In addition, even if the same arginine urine composition is formed, arginine is produced only by arginine, arginine is replaced by citrulline instead of arginine, and arginine, citrulline and ornithine are produced in accordance with the inhibition step of the arginine biosynthesis pathway. . According to a preferred embodiment of the present invention, the enzymes involved in the nutritional requirement include DAAT (D-amino acid aminotransferase) enzymes that enable glutamic acid auxotrophic microorganisms to survive even in an environment deficient in glutamate, It is not.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 리포터는 형광 단백질과 영양요구성에 관여하는 효소 모두로 구성된 이중 리포터(dual reporter), 둘 이상의 리포터로 구성된 다중 리포터일 수 있다. 본 발명에 따르면, 메타게놈 라이브러리와 페놀 감지 재설계 유전자 회로를 적합한 미생물 숙주내로 순차적 형질전환시키는데 있어서 공지된 임의의 방법을 이용할 수 있다. 형질전환의 효율을 높이기 위해서, 바람직하게 전기천공법을 사용할 수 있다. According to a preferred embodiment of the present invention, the reporter may be a dual reporter consisting of both a fluorescent protein and enzymes involved in nutritional requirement, or a multiple reporter consisting of two or more reporters. According to the present invention, any of the methods known in the art can be used for sequential transformation of the metagenome library and the phenol sensing redesign gene circuit into a suitable microbial host. In order to increase the efficiency of transformation, electroporation can be preferably used.

또한, 본 발명은 상기 유전자 회로를 포함하는 센서 세포를 제공한다. Further, the present invention provides a sensor cell comprising the gene circuit.

본 발명에 있어서, 상기 유전자 회로는 벡터 또는 상기 벡터를 포함하는 미생물의 형태로 제공될 수 있다. In the present invention, the gene circuit may be provided in the form of a vector or a microorganism containing the vector.

본 발명에 있어서, 상기 세포는 바람직하게는 임의의 세균, 예컨대 대장균, 진균, 예컨대 효모, 식물세포, 동물세포 등일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.In the present invention, the cell may preferably be any bacterium such as E. coli, fungi such as yeast, plant cell, animal cell, and the like, but is not limited thereto.

상기 대장균은 영양요구성 숙주세포일 수 있고, 바람직하게는 글루탐산 영양요구성 숙주세포일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The E. coli may be an auxotrophic host cell, preferably a glutamate auxotrophic host cell, but is not limited thereto.

또한, 본 발명은 상기 센서 세포를 이용하여 목적 효소의 활성을 보유하고 있는 신규한 미생물 균주를 감지 및 탐색하는 방법을 제공한다. The present invention also provides a method for detecting and searching for a novel microorganism strain having the activity of a target enzyme using the sensor cell.

상기 방법은 The method

(1) 목적 효소의 활성에 의해 페놀계 화합물이 생성될 수 있는 페놀-태그 기질을 설계하는 단계;(1) designing a phenol-tag substrate capable of generating a phenolic compound by the activity of an enzyme;

(2) 목적 효소를 보유하고 있는 것으로 예상되는 자연계 미생물 균주 또는 이를 포함하는 환경 시료에 상기 페놀-태그 기질을 처리하여 특정 영양물질이 결핍된 환경 하에서 센서 세포와 함께 배양하는 단계;(2) a step of treating the natural microorganism strain or an environmental sample containing the enzyme with the phenol-tag substrate, which is expected to have an enzyme, with the sensor cell under an environment lacking a specific nutrient;

(3) 상기 배양된 센서 세포들 중에서 리포터 단백질이 발현되는 것들을 확인 및 선별하는 단계; 및 (3) identifying and sorting the reporter protein in the cultured sensor cells; And

(4) 상기 선별된 센서 세포에 인접한 미생물 균주를 분리하는 단계;를 포함한다. (4) separating the microorganism strains adjacent to the selected sensor cells.

상기 단계 (2)는, 상기 목적 효소를 보유하고 있는 것으로 예상되는 자연계 미생물 균주 또는 이를 포함하는 환경 시료를 상기 페놀-태그 기질 및 상기 센서 세포와 혼합하여 함께 공배양할 수 있다. In step (2), a natural microorganism strain expected to have the target enzyme or an environmental sample containing the natural microorganism strain may be mixed with the phenol-tag substrate and the sensor cell and co-cultured together.

또는 상기 단계 (2)는, 상기 목적 효소를 보유하고 있는 것으로 예상되는 자연계 미생물 또는 이를 포함하는 환경 시료에 상기 페놀-태그 기질이 처리된 환경에서 배양하여 콜로니를 형성하는 단계; 및 상기 형성된 콜로니와 상기 센서 세포를 함께 공배양하는 단계;를 포함할 수 있다. 상기 센서 세포는 센서 세포 배양액을 자연계 미생물 또는 이를 포함하는 환경 시료로부터 형성된 콜로니에 스프레이하여 공배양될 수 있다. Or step (2) comprises culturing a natural microorganism or an environmental sample containing the target enzyme, which is expected to have the target enzyme, in an environment treated with the phenol-tag substrate to form a colony; And co-culturing the formed colonies and the sensor cells together. The sensor cell may be co-cultured by spraying a sensor cell culture liquid onto a colony formed from a natural microorganism or an environmental sample containing the same.

상기 센서 세포는 저온에서 보관한 후에 배양 과정 없이 해동시켜서 바로 사용할 수 있다. The sensor cells may be stored at low temperature and then thawed without any culturing process and used immediately.

본 발명의 한 구현예에 있어서, 시트로박터 프레운디 세포 또는 TPL 생산 대장균을 기질인 티로신 및 상기 센서 세포와 함께 배양하면, 상기 시트로박터 프레운디 또는 TPL 발현 대장균에 존재하는 효소들의 활성에 의해 티로신으로부터 생성된 페놀계 화합물에 의해 상기 시트로박터 프레운디 또는 TPL 발현 대장균 주위의 센서 세포들에서 형광이 나타나는 것으로 확인되었다(도 6c). In one embodiment of the present invention, when a sheet-like bacterial cell or TPL-producing Escherichia coli is cultured together with the substrate tyrosine and the sensor cell, the activity of the enzymes present in the sheet-by-sheet expression vector or TPL-expressing Escherichia coli It was confirmed that fluorescence appears in the sensor cells around the sheetrobacteria or the TPL-expressing Escherichia coli by the phenolic compound produced from tyrosine (Fig. 6C).

마찬가지로, 본 발명의 다른 구현예에서, 시트로박터 프레운디 또는 TPL 생산 대장균을 기질인 티로신이 함유된 배지에 도말 배양하여 콜로니를 형성시킨 후, 상기 콜로니에 센서 세포를 분무하여 배양하면, 상기 시트로박터 프레운디 또는 TPL 생산 대장균의 주위에서 센서 세포들에 의해 발현된 형광이 확인되었다(도 6d).Likewise, in another embodiment of the present invention, when colonies are formed by culturing a sheet bacteriophage or TPL-producing E. coli on a medium containing tyrosine as a substrate, sensor cells are sprayed on the colonies and cultured, Fluorescence expressed by sensor cells was observed around Robulfrandie or TPL-producing E. coli (Fig. 6d).

본 발명에 있어서, 상기 영양물질은 글루탐산일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. In the present invention, the nutrient may be glutamic acid, but is not limited thereto.

본 발명의 한 구현예에 따르면, 상기 단계 (1)에서 목적 효소의 활성에 따라 페놀-태그 기질을 설계한다. 예를 들면, 페놀-태그 기질은 목적 효소의 활성에 의해 분해될 수 있는 결합 부위와 상기 결합 부위를 통해 결합된 페놀을 포함한다. 상기와 같이, 페놀-태그 기질을 목적 효소의 활성에 적합하도록 특정하게 설계함으로써, 즉 탐색하고자 하는 효소의 활성에 맞추어 상기 결합 부위나 관능기의 종류 등을 설계하여, 단순히 페놀계 화합물을 생산하는 미생물뿐만 아니라, 다양한 활성을 가지는 목적 효소를 보유하고 있는 미생물의 탐색이 가능하다. According to one embodiment of the present invention, the phenol-tagged substrate is designed according to the activity of the target enzyme in the step (1). For example, a phenol-tagged substrate includes a binding site that can be cleaved by the activity of the target enzyme and a phenol attached through the binding site. As described above, by designing the phenol-tag substrate so as to be suitable for the activity of the target enzyme, that is, by designing the binding site or the type of the functional group according to the activity of the enzyme to be searched, In addition, it is possible to search for a microorganism having a target enzyme having various activities.

또한, 상기 단계 (2)에서 목적 효소를 보유하고 있는 것으로 예상되는 자연계 미생물 균주 또는 이를 포함하는 환경 시료에 상기 페놀-태그 기질을 처리하여 특정 영양물질이 결핍된 환경 하에서 상기 유전자 회로를 포함하는 센서 세포와 함께 배양한다. 상기 센서 세포에 도입되는 상기 유전자 회로에는 DAAT 유전자가 포함되어 있기 때문에, 상기 센서 세포가 영양요구성 균주이고 또한 영양 물질이 결핍된 환경에 놓여진다고 하더라도, 도입된 상기 유전자 회로에서 DAAT 유전자가 발현될 수만 있다면 생존할 수 있게 된다. Further, in the step (2), the phenol-tag substrate is treated with a natural microorganism strain or an environmental sample containing the target enzyme, which is expected to have the target enzyme, And cultured with the cells. Since the DAAT gene is contained in the gene circuit introduced into the sensor cell, even if the sensor cell is placed in an environment where it is an auxotrophic strain and a nutritional deficiency, the DAAT gene is expressed in the introduced gene circuit If only a few can survive.

아울러, 상기 단계 (3)에서는 상기 목적 효소의 활성에 의해 생성된 페놀계 화합물에 의하여 리포터 단백질의 발현이 유도된 센서 세포를 확인 및 선별한다. 만약 자연계 미생물 균주 또는 이를 포함하는 환경 시료에 목적 효소가 존재하는 경우, 상기와 같이 설계된 페놀-태그 기질이 처리되었을 때 상기 목적 효소의 활성에 의해 페놀계 화합물이 생산될 것이고, 이렇게 생성된 페놀계 화합물은 상기 자연계 미생물 균주 또는 이를 포함하는 환경 시료의 주변에 있는 센서 세포에서 리포터 단백질의 발현을 유도할 것이므로, 상기와 같은 리포터 단백질의 발현을 확인함으로써 목적 효소를 가지는 신규한 균주의 탐색이 가능하다.In step (3), the sensor cell in which the expression of the reporter protein is induced by the phenol compound produced by the activity of the target enzyme is identified and screened. If the target enzyme is present in the natural microorganism strain or the environmental sample containing the same, the phenol-based compound will be produced by the activity of the target enzyme when the phenol-tagged substrate designed as described above is treated, The compound will induce the expression of the reporter protein in the sensor cell in the vicinity of the natural microorganism strain or the environmental sample containing the same, so that the novel strain having the target enzyme can be searched by confirming the expression of the reporter protein as described above .

또한, 상기 단계 (4)에서는 상기와 같이 선별된 리포터 단백질의 발현이 유도되는 센서 세포에 인접한 미생물 균주를 분리한다. 상기와 같이 분리된 미생물 균주는 목적 효소를 보유하고 있는 것이다. 추가적으로, 상기 분리된 미생물 균주는 실제로 목적 효소의 활성이 있는지 다시 한번 검증할 수 있으며, 16s rRNA 분석을 하여 분리된 미생물 균주가 어떤 균에 해당하는지 확인할 수 있다. In addition, in step (4), the microorganism strains adjacent to the sensor cell in which the expression of the selected reporter protein is induced are isolated. The microorganism strain isolated as described above has a target enzyme. In addition, the isolated microorganism strain can be verified again for the activity of the target enzyme, and 16s rRNA analysis can be performed to confirm which microorganism strain corresponds to which microorganism strain.

또한, 효소반응을 최적화하기 위하여 세포 생장-재설계 유전자 회로의 활성화 단계가 분리되도록 기질 첨가 시기를 조절할 수 있다. 효소 반응에 의해 페놀계 화합물이 생성될 수 있는 화합물, 즉 페놀-태그 기질은 페놀 히드록실기(hydroxy, -OH)가 수식된 에스테르(ester, -OOC-), 에테르(ether, -OC-), 글리코사이드(glycoside, -O-Glc), 인산에스테르(phospho-ester, -O-PO3), 오르토-, 메타-, 파라- 위치에 알킬(-CH3), 히드록실(-OH), 카르복실(-COOH), 아미노(-NH2), 티올(-SH), 아마이드(amide, -NH-CO- 또는 -CO-NH-), 설파이드(sulfide, -S-SH), 할로겐기(-Cl, -Br, -F)가 도입된 페놀 유도체 또는 벤젠고리 화합물 등을 들 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. In addition, to optimize the enzyme reaction, the timing of addition of the substrate may be adjusted so that the activation step of the cell growth-redesign gene circuit is separated. Compounds that can generate phenolic compounds by an enzymatic reaction, that is, phenol-tagged substrates, include esters (ester, -OOC-), ether (-OC-) in which a phenol hydroxyl group (hydroxy, , glycoside (glycoside, -O-Glc), phosphate esters (phospho-ester, -O-PO3 ), ortho-, meta-, para-position on the alkyl (-CH 3), hydroxyl (-OH), carboxylic acid (-COOH), amino (-NH 2), thiol (-SH), amides (amide, -NH-CO- or -CO-NH-), a sulfide (sulfide, -S-SH), halogen group (- Cl, -Br, -F), or a benzene ring compound, but the present invention is not limited thereto.

예를 들면, 본 발명에 따른 페놀-태그 기질로는 페놀기와 공유결합으로 연결된 다양한 페놀 유도체가 사용될 수 있다. 예를 들어 페놀의 히드록실기(hydroxy, -OH)를 수식하여 제조한 에스테르 결합물(ester, -OOC-), 에테르 결합물(ether, -OC-), 글리코사이드 결합물(glycoside, -O-Glc), 인산에스테르 결합물(phospho-ester, -O-PO3)을 기질로 이용하는 경우, 에스터라제(esterase), 리파제(lipase), 글리코시다제(glycosidase), 포스파타제(phosphatase), 피타제(phytase) 활성을 감지하는 목적으로 이용할 수 있다. For example, as the phenol-tag substrate according to the present invention, various phenol derivatives linked by a covalent bond with a phenol group can be used. For example, an ester bond (ester, -OOC-), an ether bond (-OC-), a glycoside bond (glycoside, -O -Glucose and phospho-ester (-O-PO 3 ) are used as a substrate, esterase, lipase, glycosidase, phosphatase, Can be used for the purpose of detecting phytase activity.

또한, 페놀-태그 기질은 오르토-, 메타-, 파라-의 한 위치에 새로운 메틸기(-CH3), 히드록실기(-OH), 카르복시길(-COOH), 아미노기(-NH2), 황화수소(-SH)를 도입하여 제조된 물질일 수 있다. 이 위치에 아마이드 결합(-NH-CO- 또는 -CO-NH-), 설파이드 결합(-S-SH)을 갖는 물질을 기질로 사용하면 아마이드기를 통하여 연결된 페놀 화합물은 아마이다제(amidase), 펩티다제(peptidase) 활성을 감지할 목적에 이용할 수 있으며, 설파이드기를 통하여 연결된 페놀 화합물을 이용하면 세포내 산화환원수준을 감지할 목적으로 이용할 수 있다. 또한, 페놀-태그 기질로 새로운 탄소결합이 연결된 페놀 화합물 즉, Ph-C-(R)이 이용되는 경우, 탄소 결합을 분해하여 페놀을 생성하는 페놀 리아제(phenol-lyase) 활성을 감지할 수도 있다. 페놀-태그 기질로는 벤젠고리 물질이 이용될 수도 있으며, 이 경우 방향족 화합물의 산화에 관여하는 모노옥시게나제(monooxygenase), 디옥시게나제(dioxygenase) 등의 산화효소 활성을 감지할 수 있다. 염소(Cl), 브롬(Br), 플루오르(F) 등 할로겐에 결합한 페놀 화합물도 기질로 이용될 수 있다. 이 경우 위 할로겐화 페놀 화합물에 작용하여 탈할로겐화(dehalogenation)하거나 할로겐의 위치를 바꾸는 이성질화(isomerization)하는 효소 활성이 본 발명에 따라 감지될 수 있다.In addition, the phenol-tag substrate has a new methyl group (-CH 3 ), a hydroxyl group (-OH), a carboxy group (-COOH), an amino group (-NH 2 ), hydrogen sulfide (-SH). ≪ / RTI > When a substance having an amide bond (-NH-CO- or -CO-NH-) or a sulfide bond (-S-SH) at this position is used as a substrate, the phenol compound connected through the amide group is amidase, Can be used for the purpose of detecting peptidase activity and can be used for detecting the intracellular redox level by using a phenol compound linked through a sulfide group. It is also possible to detect phenol-lyase activity, which decomposes carbon bonds to generate phenol, when a phenolic compound, i.e., Ph-C- (R), in which a new carbon bond is linked to the phenol- . As the phenol-tag substrate, a benzene ring material may be used. In this case, oxidative enzyme activities such as monooxygenase and dioxygenase, which are involved in the oxidation of aromatic compounds, can be detected. Halogen-linked phenol compounds such as chlorine (Cl), bromine (Br), and fluorine (F) can also be used as substrates. In this case, the enzymatic activity which acts on the halogenated phenol compound to dehalogenate or change the position of the halogen can be detected according to the present invention.

앞서 언급한 다양한 페놀계 화합물에서 공유결합을 다른 유기분자로 옮기는 전이효소(transferase)나, 새로운 공유결합을 생성하는 합성효소(ligase)의 활성도 동일한 원리에 의하여 본 발명에 의해 감지될 수 있다. 따라서, 본 발명에서 제시한 다양한 페놀-태그 기질을 이용하면, 세포내에 존재하는 특정 가수분해효소(hydrolase), 산화환원효소(oxido-reductase), 이성화효소(isomerase), 분해효소(lyase), 전이효소(transferase) 등을 감지할 수 있다. 본 발명에 있어서 세포내 효소활성 감지에 이용되는 기질은 페놀-태그 기질로서, 페놀, o/p-nitrophenol, o/p-chlorophenol 등을 포함하는 다양한 합성 기질을 나타낸다. 이러한 페놀-태그 기질에 적절한 효소가 작용하면 상기 페놀 물질이 원래의 페놀-태그 기질로부터 생성된다. 예를 들면, 페닐-β-글루코사이드에 대장균의 β-갈락토시다제(lacZ)가 작용하면 페놀 성분이 효소활성에 따라 생성된다. The activity of the transferase that transfers covalent bonds to other organic molecules in the various phenolic compounds mentioned above or the activity of a new covalent linkage-forming ligase can also be detected by the present invention by the same principle. Thus, the various phenol-tagged substrates provided in the present invention can be used to identify specific hydrolases, oxido-reductases, isomerases, lyases, Transferase and the like can be detected. In the present invention, the substrate used for the detection of the intracellular enzyme activity is a phenol-tag substrate, and it shows various synthetic substrates including phenol, o / p-nitrophenol, o / p-chlorophenol and the like. When an enzyme suitable for such a phenol-tag substrate is present, the phenol material is produced from the original phenol-tag substrate. For example, when β-galactosidase (lacZ) of E. coli acts on phenyl-β-glucoside, a phenol component is produced according to enzyme activity.

본 발명의 한 구현예에 따르면, 페놀계 화합물을 감지하는 유전자 회로를 함유하는 센서 세포에 임의의 효소 유전자를 도입하고, 목적 효소의 활성을 보유하고 있는 미생물 균주에 페놀-태그 기질을 처리하면, 세포내 효소 유전자의 기능 및 활성도에 따라서 페놀 화합물의 농도가 변화하게 된다. 따라서, 페놀계 화합물의 발현유도 기능에 의한 형광, 영양요구성에 반응하는 정도를 통해 용이하게 원하는 목적 효소의 활성을 보유하고 있는 미생물 균주를 동정할 수 있게 된다. According to one embodiment of the present invention, when an enzyme gene is introduced into a sensor cell containing a gene circuit for sensing a phenolic compound and a phenol-tag substrate is treated with a microorganism strain having the activity of the target enzyme, The concentration of the phenolic compound changes depending on the function and activity of the intracellular enzyme gene. Therefore, it is possible to identify a microorganism strain having an activity of a desired target enzyme easily through the degree of reactivity to fluorescence and nutritional requirement by the function of inducing expression of a phenol compound.

또한, 본 발명에 있어서 리포터로 사용되는 형광 단백질 및 영양요구성에 관여하는 효소는 고도의 민감성 측정 방법을 적용할 수 있을 뿐만 아니라, 세포막을 통과하지 않고 특정세포 내부에 한정되므로 그 세포 내에서 발현되는 외래 유전자의 특성을 개별적으로 발휘하게 된다. 따라서, 개별적인 단일 세포(single cell)가 독립적인 반응조 및 분석기의 역할을 수행하게 되므로 효소반응에 의해 생성된 페놀계 화합물을 감지하여 발현이 유도된 리포터의 활성을 측정하는 수단으로 수백-수천만 개의 대량시료를 형광유세포분석기 (FACS), 미세콜로니 형광이미지분석, 형광스펙트럼분석, 영양요구성 선택배지를 이용한 대량탐색 등을 이용하여 측정할 수도 있다.In addition, in the present invention, a fluorescent protein used as a reporter and an enzyme involved in nutritional requirement can not only be subjected to a high sensitivity measurement method but also are limited within specific cells without passing through the cell membrane, Thereby exerting the characteristics of foreign genes individually. Therefore, since individual single cells act as independent reaction vessels and analyzers, it is possible to measure the activity of the expression-induced reporters by detecting the phenolic compounds produced by the enzyme reaction, Samples can also be measured using fluorescence flow cytometry (FACS), microcolony fluorescence image analysis, fluorescence spectroscopy analysis, and mass screening using nutrient-selective media.

본 발명의 유전자 회로 및 이를 포함하는 센서 세포는 리포터 유전자로 형광 단백질과 함께 센서 세포의 생존을 제어하는 영양요구성에 관련 효소를 함께 포함하고 있으므로, 상기 센서 세포와 원하는 목적 효소의 활성을 갖고 있는 신규 미생물 자원 혹은 자연계의 환경 시료를 함께 배양하여 형성된 콜로니의 형광을 측정하는 간단한 방법으로 해당 목적 효소의 활성을 갖고 있는 신규한 미생물 균주를 용이하게 동정할 수 있고, 또한 이와 같은 이중 리포터 시스템을 도입함으로써 목적 효소의 활성 유무를 가시적으로 더욱 명확하게 확인할 수 있다. 뿐만 아니라, 자연계에서 직접 유용 자원을 탐색할 때 DNA의 분리, 라이브러리 구축 및 항생제 사용 등의 과정 없이 센서 세포와 공배양하여 탐색하는 것은 목표 효소의 발현 가능성을 최대화하고, 실험이 용이하며, 또한 자연계 고활성 미생물을 직접 사용하므로써 재조합미생물에 의한 GMO/LMO 문제를 피해갈 수 있는 유용한 기술이다.Since the gene circuit of the present invention and the sensor cell containing the same contain the enzyme involved in the nutritional requirement to control the survival of the sensor cell together with the fluorescent protein as the reporter gene, It is possible to easily identify a new microorganism strain having the activity of the target enzyme by a simple method of measuring the fluorescence of the colonies formed by culturing the microorganism resource or the environmental samples of the natural environment together and introducing such a double reporter system The presence or absence of the target enzyme can be visually confirmed more clearly. In addition, when searching useful resources directly in nature, searching for co-culturing with sensor cells without process such as DNA isolation, library construction and antibiotic use maximizes the expression potential of the target enzyme, facilitates experimentation, It is a useful technique to avoid GMO / LMO problems caused by recombinant microorganisms by directly using highly active microorganisms.

도 1은 본 발명의 미생물 프로토타이핑 기반 효소 유전자 스크리닝 시스템(MP-GESS)의 주요 구성을 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 MP-GESS 컨스트럭트의 작동 양상을 보여주는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 MP-GESS 컨스트럭트를 포함하는 영양요구성 숙주의 페놀에 의한 성장 및 형광 정도를 보여주는 그래프이다.
도 4a의 (A)는 dmpR 활성화를 유도하는 페놀 화합물이 GFP-암호화 유전자 또는 항생제 내성 유전자를 작동시키는 시스템을 나타내고, 도 4a의 (B)는 세포 내의 표적 효소가 기질 분자로부터 페놀을 생산하고, 페놀에 의해 DmpR이 활성화되며 하류의 GFP 암호화 유전자를 발현시키는 것을 나타낸다. 도 4b의 (A)는 EGFP의 N-말단에 D-AAT 암호화 유전자를 도입하고, 이 시스템을 D-글루타메이트 영양요구성 숙주인 WM335로 형질전환시킨 것을 도식화한 것이고, 도 4b의 (B)는 세포-세포간 소통 기반의 스크리닝 시스템을 나타낸다. 페놀 분자는 효소 활성 표지로 이용되는 것뿐만 아니라 신호 송신기로서도 이용되며, 페놀이 전사인자(dmpR)을 활성하여 D-AAT 및 GFP-암호화 유전자의 발현을 유도하게 한다.
도 5는 표현형 리포터로 항생제 저항성 유전자 또는 영양요구성 유전자를 도입하였을 때, 형질전환체의 증식 정도를 나타내는 그래프이다.
도 6a는 TPL(tyrosine-phenol lyase) 효소에 의한 L-티로신의 분해에 의해 페놀, 피루베이트 및 암모니아가 생성되는 것을 보여주는 화학반응식을 나타낸 것이다.
도 6b는 본 발명의 센서 세포를 이용한 표적 효소 활성이 있는 미생물을 검출하는 두 가지 방법을 도시한 것이다.
도 6c는 1 단계(one-step) 프로토콜 기반으로 확인한 센서 세포의 활성 검증 결과이다.
도 6d는 2 단계(two-step) 프로토콜 기반으로 확인한 센서 세포의 활성 검증 결과이다.
도 7a는 섬유소 분해 효소에 의한 pNPG2의 분해에 의해 p-니트로페놀 및 셀로비오스가 생성되는 것을 보여주는 화학반응식을 나타낸 것이고, 도 7b는 토양 샘플에서 섬유소 분해효소 활성을 갖는 미생물을 탐색하는 과정을 나타낸다.
도 8은 메타게놈 샘플로부터 토양에서 분리한 4개의 콜로니의 형광 이미지를 보여주는 사진이다.
도 9은 선별된 7종의 후보 미생물들의 다양한 기질에 대한 섬유소 분해 활성을 보여주는 그래프이다.
도 10은 RAST 사이트 분석을 통한 신균주 서열 기반 ORF(open reading frame) 기능 분포를 나타낸다.
도 11은 신균주 전체 ORF 서열의 비교를 통한 다른 균주와의 서열 유사성 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 12는 신균주와 서열 비교 분석을 통해 가장 유사한 균주로 밝혀진 슈도모나스 플루오르센스(Pseudomonas fluorescence) Pf0-1 균주와의 기능을 비교한 것으로서, 균주간 차이가 나는 유전자 기능을 탐색하기 위하여 #46-2 균주에만 존재하는 기능(왼쪽)과, 슈도모나스 플루오르센스 Pf0-1 균주에만 존재하는 기능(오른쪽)의 상위 10개 기능을 각각 나타낸 그래프이다.
도 13의 (A) 및 도 13의 (B)는 각각 주사형 전자현미경 및 투과형 전자현미경을 이용한 슈도모나스 속 #46-2 균주의 이미지를 보여주는 사진이다.
도 14a는 인산가수분해효소(phosphatase)에 의해 페닐포스페이트가 페놀 및 포스페이트로 분해되는 반응을 도시한 것이며, 도 14b는 센서 세포로 선별된 7개의 후보 미생물들을 나타내고, 도 14c는 음성 대조군으로서 센서 세포를 포함하지 않은 dLB 플레이트로부터 수집된 형광을 나타내는 3개의 콜로니를 나타낸다. 도 14d는 도 14b 및 도 14c의 선택된 10개의 콜로니를 PCR하여 센서 세포 존재 여부를 확인한 결과이다.
도 15a는 실시예 8의 2 단계 프로토콜을 이용하여 토양 시료와 센서 세포를 배양한 후, GFP 필터를 구비한 현미경 분석을 이용하여 선택된 36개의 콜로니의 녹색 형광 및 명시야 이미지를 나타내고, 15b는 36개의 후보 콜로니의 특이적 효소 활성을 그들의 조추출물을 이용하여 측정한 결과이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 is a schematic diagram showing the main constitution of the microorganism prototyping-based enzyme gene screening system (MP-GESS) of the present invention.
2 is a schematic diagram showing the operational aspects of the MP-GESS construct of the present invention.
FIG. 3 is a graph showing the growth and fluorescence of phenol from an auxotrophic host comprising the MP-GESS construct of the present invention.
4A shows a system in which a phenol compound inducing dmpR activation activates a GFP-encoding gene or an antibiotic resistance gene. Fig. 4A (B) shows that a target enzyme in a cell produces phenol from a substrate molecule, Indicates that DmpR is activated by phenol and expresses downstream GFP-encoding gene. 4B is a schematic representation of the introduction of the D-AAT coding gene at the N-terminus of EGFP and the transformation of this system with the D-glutamate auxotrophic host WM335. Figure 4B (B) Cell-cell communication-based screening system. Phenol molecules are used not only as enzyme activity markers but also as signal transmitters, and phenol activates transcription factors (dmpR) to induce the expression of D-AAT and GFP-encoding genes.
5 is a graph showing the degree of proliferation of a transformant when an antibiotic resistance gene or an auxotrophic gene is introduced into a phenotype reporter.
6A is a chemical reaction diagram showing the production of phenol, pyruvate and ammonia by the decomposition of L-tyrosine by TPL (tyrosine-phenol lyase) enzyme.
FIG. 6B shows two methods of detecting a microorganism having a target enzyme activity using the sensor cell of the present invention.
FIG. 6C shows the result of the activity verification of the sensor cell based on the one-step protocol.
FIG. 6D shows the result of the activity verification of the sensor cell based on the two-step protocol.
7a shows a chemical reaction formula showing the production of p-nitrophenol and cellobiose by decomposition of pNPG2 by a fibrinolytic enzyme, and Fig. 7b shows a process of searching for a microorganism having a fibrinolytic enzyme activity in a soil sample .
Figure 8 is a photograph showing fluorescence images of four colonies isolated from the soil from the metagenome sample.
FIG. 9 is a graph showing the fibrinolytic activity on various substrates of the seven candidate microorganisms selected.
10 shows the distribution of the ORF (open reading frame) function based on the new strain sequence through RAST site analysis.
Fig. 11 shows the results of sequence similarity analysis with other strains through comparison of the ORF sequences of whole new strains.
FIG. 12 is a graph comparing the function of Pseudomonas fluorescence Pf0-1 with the strain Pseudomonas fluorescence which was found to be the most similar strain through comparison with the new strain. (Left) function of the Pseudomonas fluorescens Pf0-1 strain only (right), and the top ten functions of the Pseudomonas fluorescens Pf0-1 strain only (right).
13 (A) and 13 (B) are photographs showing images of Pseudomonas sp. # 46-2 using a scanning electron microscope and a transmission electron microscope, respectively.
FIG. 14A shows the reaction of phenylphosphate to phenol and phosphate by phosphatase, FIG. 14B shows seven candidate microorganisms selected as the sensor cell, and FIG. Lt; RTI ID = 0.0 > dLB < / RTI > FIG. 14D shows the result of confirming the presence or absence of a sensor cell by PCR of the selected 10 colonies shown in FIGS. 14B and 14C.
FIG. 15A shows green fluorescence and bright field images of 36 colonies selected using a GFP filter-equipped microscope analysis after soil sample and sensor cells were cultured using the two-step protocol of Example 8, and 15b represents 36 And the specific enzyme activities of the candidate colonies were measured using their crude extracts.

이하, 본 발명을 실시예 및 실험예에 의해 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples and Experimental Examples.

단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.However, the following examples and experimental examples are provided only for illustrating the present invention, and the content of the present invention is not limited by the following examples and experimental examples.

미생물 프로토타이핑 기반 효소 유전자 스크리닝 시스템(MP-GESS)Microbial prototyping based enzyme gene screening system (MP-GESS)

항생제 비의존적 신규 바이오부품 탐색 기술을 개발하기 위하여, 슈도모나스 푸티다(Pseudomonas putida) 유래 페놀 분해 오페론의 전사조절인자인 dmpR 또는 dmpR 변이체를 이용한 GESS 유전자 컨스트럭트에 D-아미노산 아미노트랜스퍼라제(D-amino-acid aminotransferase, DAAT) 유전자를 추가로 채용한 듀얼 리포터 형태의 GESS 컨스트럭트를 구축하였다. 상기 DAAT 유전자는 페놀의 존재시 발현하게 된다. 또한, 상기 MP-GESS 컨스트럭트의 숙주세포로서 글루탐산 영양요구성 대장균(Escherichia coli, WM335)을 이용하였다. MP-GESS 구성의 모식도는 도 1에 나타나 있으며, 하기 표 1에 MP-GESS의 구성 요소 및 각 구성이 가지는 특성을 나타내었다.In order to develop an antibiotic-independent new bio-part search technique, a DESS-DMPR transcription regulator of Pseudomonas putida- derived phenol-degrading operon, or a DESS-DMPR variant, was added to the GESS gene construct with a D-amino acid aminotransferase (D- amino acid-aminotransferase (DAAT) gene. The DAAT gene is expressed in the presence of phenol. In addition, glutamate auxotrophic Escherichia coli (WM335) was used as a host cell of the MP-GESS construct. A schematic diagram of the MP-GESS is shown in FIG. 1, and the components and components of the MP-GESS are shown in Table 1 below.

구성요소Component 명칭designation 특성characteristic 전사조절인자Transcription regulator dmpR 또는 dmpR 변이체dmpR or dmpR variant Pseudomonas 유래 / 페놀류 화합물 감지Derived from Pseudomonas / phenol compounds detection 리포터 단백질Reporter protein DAAT, EGFPDAAT, EGFP MP-GESS를 포함하는 숙주세포 생존, 형광 발현Host cell survival including MP-GESS, fluorescence expression 조절부위Control region 전자조절인자 결합부위Electron-regulating factor binding site 전사조절인자 결합 / 리포터 발현 활성화Transcription factor binding / reporter expression activation 프로모터 1Promoter 1 전사조절인자 발현용 프로모터 (PX)Transcription factor for expression promoter (P X) 전사조절인자 발현Expression of transcription factors 프로모터 2Promoter 2 리포터단백질 발현 프로모터 (PR)The reporter protein expression promoter (P R ) 리포터단백질 발현Reporter protein expression 리보솜 결합 부위Ribosome binding site RBSRBS 리포터 단백질 발현 촉진Promoting reporter protein expression 전사종결인자Transcription termination factor rrnBT1T2, tL3 (t)rrnBT1T2, tL3 (t) 전사 종결End of warrior 분해 태그(tag)Decomposition tag ssrAssrA DAAT의 반감기 조절DAAT half-life adjustment

MP-GESS 컨스트럭트의 작동 양상은 도 2에 나타내었다. 구체적으로, 글루탐산 영양요구성 대장균에 상기 MP-GESS 컨스트럭트를 도입하여 센서 세포를 만들었다. 만들어진 센서 세포를 글루탐산이 없는 배지에서 배양시키면 사멸하게 되고, 만약 페놀을 만들 수 있는 균주와 배양하면서 페놀로 분해 가능한 기질을 첨가하면, 페놀 생산 균주에 의해 만들어진 페놀에 의해 센서 세포의 MP-GESS 컨스트럭트의 DAAT 유전자가 발현하여 센서 세포가 생존하고, 또 EGFP가 발현하여 형광을 나타내므로, 센서 세포의 생존 여부에 따라 페놀을 생산하는 균주의 탐색이 가능하게 된다. The operation of the MP-GESS construct is shown in FIG. Specifically, the MP-GESS construct was introduced into the glutamate auxotrophic Escherichia coli to prepare sensor cells. When the sensor cell is cultured in a glutamic acid-free medium, it is killed. If a phenol-decomposable substrate is added while culturing with a strain capable of producing phenol, the phenol produced by the phenol-producing strain causes MP- Since the DAAT gene of the tumor is expressed and the sensor cell is alive and the EGFP is expressed and the fluorescence is displayed, it becomes possible to search for a strain producing phenol according to the existence of the sensor cell.

<1-1> MP-GESS 컨스트럭트의 제작<1-1> Production of MP-GESS Construct

MP-GESS 컨스트럭트는 pGESSv4(ACS Synthetic Biology (2014) 3(3): 163-167) 또는 pGESS(E135K)(ACS Synthetic Biology (2014) 3(3): 163-167)의 N-말단의 상부에 DAAT 유전자를 삽입하여 제작할 수 있다. 본 발명에서는 pGESSv4를 주형으로 하고, 하기 서열번호 1 및 서열번호 2의 서열을 이용하여 PCR함으로써 6,185bp의 절편을 증폭하였다. The MP-GESS construct contains the N-terminal top of pGESSv4 (ACS Synthetic Biology (2014) 3 (3): 163-167) or pGESS (E135K) (ACS Synthetic Biology (2014) The DAAT gene can be inserted into the cell. In the present invention, a fragment of 6,185 bp was amplified by PCR using pGESSv4 as a template and the sequences of SEQ ID NO: 1 and SEQ ID NO: 2 shown below.

상기 DAAT 유전자는 하기의 과정으로 얻었다. 바실러스 서브틸리스168(Bacillus subtilis 168)(미생물 자원센터, Korean Collection for Type Cultures)의 DNA를 주형으로 하고, 하기 서열번호 3 및 서열번호 4의 서열을 이용하여 약 800bp의 PCR 산물을 증폭한 후, 이 800bp PCR 산물을 주형으로 하고 상기 벡터 pGESSv4와 상동 서열을 가지는 서열번호 5 및 서열번호 6의 서열을 이용하여 PCR을 한 번 더 수행함으로써 최종 852bp 길이의 PCR 산물을 확보하였다. 특히, 서열번호 6의 서열은 DAAT의 수명을 조절해주는 ssrA tag(밑줄로 표시된 부분)을 포함하고 있다. ssrA tag은 분해 태그(destruction tag)의 일종으로 단백질의 C-말단에 삽입시 단백질의 반감기를 조절할 수 있고, 대장균이나 슈도모나스에서 형광 단백질의 반감기를 조절할 수 있다. 본 발명에서는 AANDENYALAA 아미노산 서열(서열번호 7)(ssrA tag; 서열번호 6의 서열의 밑줄에 해당하는 아미노산 서열)을 사용함으로써 DAAT의 반감기를 조절하여 MP-GESS의 비특이적 반응을 줄였다. The DAAT gene was obtained by the following procedure. A PCR product of about 800 bp was amplified using the DNA of Bacillus subtilis 168 (microorganism resource center, Korean Collection for Type Cultures) as a template and the sequence of SEQ ID NO: 3 and SEQ ID NO: 4 PCR was carried out once more using the 800 bp PCR product as a template and the sequence of SEQ ID NO: 5 and SEQ ID NO: 6 having the homology with the vector pGESSv4 to obtain a final PCR product of 852 bp in length. In particular, the sequence of SEQ ID NO: 6 contains the ssrA tag (underlined) which controls the lifetime of the DAAT. The ssrA tag is a type of destruction tag that can control the half-life of the protein when inserted at the C-terminus of the protein, and can control the half-life of the fluorescent protein in E. coli or Pseudomonas. In the present invention, the non-specific response of MP-GESS was reduced by controlling the half-life of DAAT by using the AANDENYALAA amino acid sequence (SEQ ID NO: 7) (ssrA tag; amino acid sequence corresponding to the underlined sequence of SEQ ID NO: 6).

서열번호 1: 5'-atgtatatctccttctccaggttggcggat SEQ ID NO: 1: 5'-atgtatatctccttctccaggttggcggat

서열번호 2: 5'-aaggagatatacatatggtgagcaagggcg SEQ ID NO: 2: 5'-aaggagatatacatatggtgagcaagggcg

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

서열번호 4: 5'-tcttttaatcggttcttgcagtgagatacattSEQ ID NO: 4: 5'-tcttttaatcggttcttgcagtgagatacatt

서열번호 5: 5'-atccgccaacctggagaaggagatatacatatgttggaacaaccaataggag SEQ ID NO: 5: 5'-atccgccaacctggagaaggagatatacatatgttggaacaaccaataggag

서열번호 6: 5'-cgcccttgctcaccatatgtatatctccttctaagctgctaaagcgtagttttcg tcgtttgctgctcttttaatcggttSEQ ID NO: 6: 5'-cgcccttgctcaccatatgtatatctccttcta agctgctaaagcgtagttttcg tcgtttgctgctcttttaatcggtt

상기에서 증폭 및 확보한 pGESSv4 벡터와 DAAT 유전자를 Gibson assembly 방법(Gibson Assembly Master Mix, NEB, 영국)으로 클로닝하여 MP-GESS 컨스트럭트의 제작을 완성하였다.The pGESSv4 vector and the DAAT gene, amplified and secured in the above, were cloned into the Gibson assembly method (Gibson Assembly Master Mix, NEB, UK) to complete the MP-GESS construct.

<1-2> MP-GESS의 활성 검증<1-2> Validation of MP-GESS activity

상기 실시예 <1-1>에서 제작한 MP-GESS 컨스트럭트의 활성을 검증하기 위하여 MP-GESS 플라스미드를 대장균 WM335 균주에 형질전환시켰다. 대장균 WM335 균주는 글루탐산 영양요구성 균주로서, 성장 배지에 글루탐산을 추가로 첨가하지 않으면 자라지 않는다(Biosci Biotechnol Biochem. 1998 Jan;62(1):193-5). MP-GESS 컨스트럭트를 포함하는 대장균 WM335 균주의 단일 콜로니를 LB 액체배지에 0.1㎎/㎖의 D-글루탐산을 첨가하여 37℃에서 24시간 진탕 배양한 후 종균으로 사용하였다. 상기 종균을 M9 액체 배지로 한 번 세척한 후, 다시 M9 액체 배지((1ℓ 속에 Na2HPO4·7H2O 6.78g, KH2PO4 3g, NaCl 0.5g, NH4Cl 1g, 2mM MgSO4, 0.1mM CaCl2, 0.4% (w/v) Glucose, 0.01% (w/v) thiamine이 첨가됨)에 현탁하여 페놀에 반응하는지를 확인하였다.The MP-GESS plasmid was transformed into Escherichia coli WM335 to verify the activity of the MP-GESS construct constructed in Example <1-1> above. Escherichia coli WM335 strain is a glutamate auxotrophic strain and does not grow unless additional growth medium is added with glutamic acid (Biosci Biotechnol Biochem. 1998 Jan; 62 (1): 193-5). A single colony of Escherichia coli WM335 strain containing the MP-GESS construct was added to LB liquid medium at a concentration of 0.1 mg / ml of D-glutamic acid and incubated at 37 DEG C for 24 hours with shaking. The seeds were washed once with M9 liquid medium and then re-suspended in M9 liquid medium ((6.78 g of Na 2 HPO 4 .7H 2 O, 3 g of KH 2 PO 4 , 0.5 g of NaCl, 1 g of NH 4 Cl, 2 mM MgSO 4 , 0.1 mM CaCl 2 , 0.4% (w / v) Glucose, and 0.01% (w / v) thiamine were added).

그 결과, MP-GESS 컨스트럭트가 도입된 글루탐산 영양요구성 숙주세포는 글루탐산이 없을 때에는 자라지 않지만, 페놀에 의하여 DAAT 유전자가 발현된 경우에만 성장하면서 형광이 발현됨을 확인하였다(도 3). 상기와 같은 결과로부터 본 발명의 MP-GESS 컨스트럭트가 도입된 글루탐산 영양요구성 숙주세포, 즉 센서 세포가 페놀에 의해 생존가능함을 알 수 있었다.As a result, the glutamate auxotrophic host cell into which the MP-GESS construct was introduced did not grow in the absence of glutamic acid, but fluorescence was expressed while growing only when the DAAT gene was expressed by phenol (FIG. 3). From the above results, it can be seen that the glutamate auxotrophic host cell, that is, the sensor cell, in which the MP-GESS construct of the present invention is introduced is viable by phenol.

<1-3> pGESS-Cm/Tc/Km 컨스트럭트 제작 및 적합성 확인<1-3> Construction of pGESS-Cm / Tc / Km Construct and Confirmation

GESS의 실용성을 촉진하기 위하여, 추가적인 생물 성분의 적합성이 조사되었으며, 표현형 리포터로서 항생제 내성 유전자 및 영양요구성 유전자를 이용하였다. 항생제 내성 유전자에 대해서는 DmpR-기반 GESS 플라스미드(ACS Synthetic Biology (2014) 3(3): 163-167)의 리포터 영역을 클로람페니콜(pGESS-Cm)-, 테트라시클린(pGESS-Tc)-, 및 카나마이신(pGESS-Km)-내성 유전자로 교체하였다(도 4의 (A)). 영양요구성 유전자에 대해서는 실시예 1-2의 MP-GESS 컨스트럭트를 이용하였다(도 4의 (D)).In order to promote the practicality of GESS, additional biocompatibility was investigated and antibiotic resistance genes and auxotrophic genes were used as phenotypic reporters. For the antibiotic resistance gene, the reporter region of the DmpR-based GESS plasmid (ACS Synthetic Biology (2014) 3 (3): 163-167) was cloned as chloramphenicol (pGESS-Cm) -, tetracycline (pGESS- (pGESS-Km) -resistant gene (Fig. 4 (A)). For the auxotrophic genes, the MP-GESS construct of Example 1-2 was used (Fig. 4 (D)).

Cm-(chloramphenicol) 내성 유전자 및 Tc-(tetracycline) 내성 유전자를 pACYC184 (New England Biolabs, Ipswitch, MA, USA)로부터 PCR로 증폭하였고, Km-(kanamycin) 내성 유전자를 pET27b (EMD Millipore, Darmstadt, Germany)로부터 PCR로 증폭하였다. DmpR-기반 GESS 플라스미드(ACS Synthetic Biology (2014) 3(3): 163-167)인 pGESSv4를 주형으로 하고, 서열번호 10( Vector-F1: aaggagatatacatatggtgagcaagggcg) 및 서열번호 11(Vector-R1: atgtatatctccttctccaggttggcggat)의 프라이머를 이용하여 PCR하여 6,185bp의 절편을 증폭하였다. 상기 항생제 내성 유전자를 증폭한 pGESSv4 벡터 내의 EGFP의 N-말단에 상기 실시예 <1-1>의 pGESS-DAAT에서와 동일한 클로닝 방법을 이용하여 도입하여 pGESS-Cm, pGESS-Tc, 및 pGESS-Km 컨스트럭트를 제작하였다. 다음으로, 각 플라스미드를 포함하는 DH5α 대장균 세포를 37℃에서 하룻밤 동안 배양하였고, 상기 전배양(preculture)을 106배로 희석하였으며, 상이한 조합의 페놀(1-1000μM) 및 항생제(0, 10, 20, 및 30 μg/mL)를 포함하는 LB-플레이트 선택 배지에 확산 도말(spread)하였다. pGESS-Tc는 티로신 페놀 분해효소의 탐지를 위해 조사하였다. pHCEIIB-TPL로 형질전환된 pGESS-Tc를 포함하는 DH5α 대장균 세포를 1mM 티로신, 10μM PLP, 30 μg/mL 테트라시클린을 포함하는 LB 고체 배지 위에 두었고, 30℃에서 48시간 동안 배양하였다.Cm- (chloramphenicol) resistance gene and Tc- (tetracycline) resistance gene were amplified by PCR from pACYC184 (New England Biolabs, Ipswitch, MA, USA) and Km- (kanamycin) resistance gene was amplified by pET27b (EMD Millipore, Darmstadt, Germany ). (Vector-F1: aaggagatatacatatggtgagcaagggcg) and SEQ ID NO: 11 (Vector-R1: atgtatatctccttctccaggttggcggat), which is a DMPR-based GESS plasmid (ACS Synthetic Biology (2014) 3 Primers were used to amplify the 6,185 bp fragment. PGESS-Cm, pGESS-Tc, and pGESS-Km were introduced into the N-terminus of EGFP in the pGESSv4 vector in which the antibiotic resistance gene was amplified using the same cloning method as in pGESS- Construct was made. Next, DH5? E. coli cells containing each plasmid were cultured overnight at 37 占 폚, the preculture was diluted to 10 6 times, and different combinations of phenol (1-1000 μM) and antibiotics (0, 10, 20 , And 30 [mu] g / mL). pGESS-Tc was investigated for the detection of tyrosine phenolytic enzyme. DH5a E. coli cells containing pGESS-Tc transformed with pHCEIIB-TPL were placed on LB solid medium containing 1 mM Tyrosine, 10 [mu] M PLP, 30 [mu] g / ml tetracycline and cultured at 30 [deg.] C for 48 hours.

그 결과, pGESS-Cm 및 pGESS-Tc을 가지는 각 세포가 배지의 페놀 농도에 비례하여 생존도가 증가하였으며, 페놀이 없을 때 아주 적은 생존도를 나타냈다(도 5의 (A), (B)). pGESS-Cm을 가지는 세포는 pGESS-Tc를 가지는 세포와 유사한 프로파일을 나타낸 반면에 pGESS-Km이 형질전환된 세포는 3가지 시험된 균주 중에서 가장 낮은 생존도를 나타내었다(도 5). pGESS-Tc의 경우에는 증가된 페놀 농도에서 콜로니의 형광 강도가 더 높게 관찰되었다. pGESS-DAAT를 가지는 세포는 페놀 농도의 증가에 따라 콜로니 수가 증가하였다.As a result, the survival rate of each cell having pGESS-Cm and pGESS-Tc was increased in proportion to the concentration of phenol in the culture medium, and little survival was observed in the absence of phenol (Fig. 5 (A) . Cells with pGESS-Cm showed profiles similar to cells with pGESS-Tc, while cells transformed with pGESS-Km showed the lowest viability among the three tested strains (Figure 5). In the case of pGESS-Tc, the fluorescence intensity of the colonies was higher at an increased phenol concentration. Cells with pGESS-DAAT increased in number of colonies with increasing phenol concentration.

이와 같이, 항생제 내성 유전자를 특정 효소 활성이 있는 미생물을 선별하는데 이용할 수 있지만, 녹색 형광 단백질과 함께 추가적인 리포터로 항생제 내성 유전자를 부가함으로써, 항생제 내성 활성이 있는 임의의 메타게놈 유전자가 센서 세포 콜로니의 형성을 유도할 수 있고, 이는 위양성율을 초래할 수 있다. 또한 대장균 숙주 기반 메타게놈 스크리닝과는 달리 항생제를 포함하는 플레이트에서 자연의 미생물을 성장시키는 것은 가능하지 않다. 따라서, 메타게놈 미생물들에서 특정 효소 활성이 있는 미생물을 선별하기 위해서는 항생제 저항성 유전자의 사용보다는 상기 실시예 <1-2>에서와 같이 영양요구성 유전자를 도입하여 하는 것이 효율적이므로, 본 발명자들은 D-AAT를 암호화하는 유전자와 형광 리포터를 가지는 MP-GESS를 이용하여 추가적인 실험을 진행하였다.Thus, although an antibiotic resistance gene can be used to select a microorganism having a specific enzyme activity, by adding an antibiotic resistance gene as an additional reporter together with a green fluorescent protein, any metagenomic gene having an antibiotic resistance activity can be used as a sensor cell colony Formation, which can lead to a false positive rate. Unlike E. coli host-based metagenomic screening, it is not possible to grow natural microorganisms on plates containing antibiotics. Therefore, in order to select a microorganism having a specific enzyme activity in the metagenomic microorganisms, it is effective to introduce an auxotrophic gene as in the above Example <1-2> rather than the use of an antibiotic resistance gene. Therefore, Additional experiments were performed using MP-GESS with a gene encoding AAT and a fluorescent reporter.

MP-GESS의 이종 간 효소 활성 검증 Verification of heterologous enzyme activity of MP-GESS

<2-1> 1 단계(one-step) 프로토콜 기반으로 효소 활성 검증<2-1> Enzyme activity verification based on one-step protocol

실시예 <1-1>에서 제조된 MP-GESS 컨스트럭트를 이용하여 종이 다른 미생물 사이에서도 효소 활성을 감지할 수 있는지 여부를 검증하기 위하여 TPL(tyrosin-phenol lyase) 효소를 이용하였다. TPL은 티로신을 분해하여 피루베이트, 암모니아 및 페놀을 생산하는 효소로서, TPL에 의하여 생성된 페놀이 본 발명의 MP-GESS를 활성화하여 형광 단백질이 발현되는지를 확인하였다(도 6a). 구체적으로, 기질인 티로신을 포함하고 있는 LB 고체 배지에 TPL를 생산하는 시트로박터 프레운디 세포 또는 TPL 생산 대장균을 도말하여 배양한 후, 실시예 <1-2>에서와 같이 MP-GESS 벡터가 도입된 글루탐산 영양요구성 대장균 세포, 즉 센서 세포를 제작하고 배양한 배양액을 0.75%(w/v) 아가(agar) 용액과 섞어 TPL 생산 세포가 자라고 있는 고체 배지에 넣은 후 37℃에서 배양하였다. 12시간 배양한 후 형광현미경으로 MP-GESS 컨스트럭트가 도입된 센서 세포의 생존과 형광 발현을 관찰하였다(도 6b의 one-step protocol). A TPL (tyrosin-phenol lase) enzyme was used to verify whether the enzyme activity could be detected among other microorganisms using the MP-GESS construct prepared in Example <1-1>. TPL is an enzyme which produces pyruvate, ammonia and phenol by decomposing tyrosine, and it is confirmed that a phenol produced by TPL activates MP-GESS of the present invention to express a fluorescent protein (FIG. 6A). Specifically, a sheet-like bacterial cell or TPL-producing Escherichia coli producing TPL was plated on an LB solid medium containing tyrosine as a substrate and cultured. Then, as in Example 1-2, MP-GESS vector The glutamate auxotrophic Escherichia coli cells (ie, sensor cells) were cultured and cultured. The cells were mixed with 0.75% (w / v) agar solution and placed in a solid medium growing TPL producing cells. After 12 hours incubation, the survival and fluorescence expression of the sensor cells into which the MP-GESS construct was introduced by fluorescence microscopy was observed (one-step protocol of FIG. 6B).

그 결과, 음성 대조군인 TPL이 없는 대장균 세포(콜로니)의 주위에는 아무런 센서 세포가 존재하지 않았지만 시트로박터 프레운디 또는 TPL을 발현시킨 대장균의 주위에는 형광을 내는 센서 세포 콜로니들이 존재하는 것이 관찰되었다(도 6c). 상기 결과로부터 MP-GESS 컨스트럭트가 도입된 글루탐산 영양요구성 대장균이 동종인 대장균에서 발현하는 TPL에 의해서 뿐만 아니라 시트로박터 프레운디의 TPL 활성에 의해서도 생존가능하고 형광을 나타내는 것을 알 수 있었다.As a result, although no sensor cell was present around the E. coli cells without TPL as the negative control group, it was observed that there were sensor cell colonies that fluoresce around the Escherichia coli expressing the sheet- (Fig. 6C). From the above results, it was found that the glutamate auxotrophic E. coli introduced with the MP-GESS construct can survive not only by the TPL expressed in Escherichia coli, which is homologous to E. coli, but also by the TPL activity of the S. cerevisiae.

<2-2> 2 단계(two-step) 프로토콜 기반으로 효소 활성 검증<2-2> Enzyme activity verification based on two-step protocol

센서 세포 처리 시기를 TPL을 생산하는 시트로박터 프레운디 세포 또는 TPL 생산 대장균을 도말하여 12시간 배양한 후 콜로니가 형성된 이후로 한 것 이외에는 실시예 <2-1>의 방법과 동일하게 하였다(도 6b의 two-step protocol).The sensor cell treatment was performed in the same manner as in Example <2-1> except that the cells were cultured for 12 hours and then cultured for 12 hours, after culturing the TPL-producing Salmonella flexibilis or TPL-producing Escherichia coli 6b &lt; / RTI &gt; two-step protocol).

그 결과, TPL 활성이 있는 대장균은 TPL 세포의 가장자리 주변에서 형광으로 분명하게 나타났고, 시트로박터 프레운디는 세포의 빠른 생장과 강한 TPL 활성으로 인해 센서 세포가 플레이트에 넓게 분포하고 있었으나, 시트로박터 프레운디가 없는 플레이트의 가장자리에서는 센서 세포가 생장하지 않고 형광을 나타내지 않았다(도 6d). As a result, E. coli having TPL activity was clearly visible as fluorescence around the periphery of TPL cell, and the sensor cell was widely distributed on the plate due to the rapid growth of cell and strong TPL activity. However, Sensor cells did not grow and fluorescence did not appear at the edge of the plate without the Bacteria plastidis (Fig. 6D).

1 단계(one-step) 프로토콜 기반의 미생물 탐색: 토양 샘플에서 섬유소 분해효소 활성을 갖는 미생물 탐색(실시예 <1-2>의 센서 세포와 탐색하고자 하는 미생물을 공배양)One-step protocol-based microbial search: Microbial search with a fibrinolytic enzyme activity in a soil sample (co-culture of the sensor cell and the microorganism to be searched in Example <1-2>),

섬유소 분해효소는 파라-니트로페닐 셀로비오사이드(para-nitrophenyl cellobioside, pNPG2)를 니트로페놀과 셀로비오스로 분해한다(도 7a). 실시예 <1-2>에서 제작된 MP-GESS 컨스트럭트가 도입된 대장균은 페놀 존재시 생존하여 형광을 나타내므로, 상기 MP-GESS가 도입된 대장균과 토양에서 유래하는 미생물을 공배양하여, MP-GESS가 도입된 대장균의 형광 발현 정도에 따라 토양에 존재하는 미생물 중 섬유소 분해효소 활성이 있는 미생물을 탐색할 수 있는지 여부를 확인하였다. 구체적으로, 대전 연구단지 인근 야산의 토양 샘플 1g을 100㎖ 1X PBS 버퍼에 0.1% 카르복실 메틸 셀룰로오스(Carboxyl methyl cellulose, CMC)를 첨가한 용액에 넣은 후, 25℃에서 2시간 동안 진탕 배양하여 토양 내 미생물의 양을 늘렸다(이하, '강화된 토양 샘플'로 기재함). 기질인 pNPG2가 100μM 포함된 1/10 희석된 LB 고체 배지에 실시예 <1-2>에서 제조한 MP-GESS 함유 대장균 WM335 5×104 세포와 함께 상기 강화된 토양 샘플 1㎖을 도말하였다. 30℃에서 12시간 정도 배양 한 후 형광현미경(Nikon)으로 관찰하여 MP-GESS 컨스트럭트가 활성화되어 형광을 내는 대장균 주변의 콜로니를 섬유소 분해 효소를 생산하는 후보 미생물로 판단하였다. 이 섬유소 분해 효소를 생산하는 후보 미생물을 분리하기 위하여 화염 살균한 칼로 해당 콜로니를 잘라내어 1/10로 희석된 LB 액체 배지에 현탁하여 기질이 포함되지 않은 고체 배지에 도말하거나, 기질이 없는 고체 배지에 선별 콜로니를 스트리킹하였다. MP-GESS 컨스트럭트를 함유하는 대장균은 기질이 없는 배지에서는 페놀을 생산하지 못하여 DAAT 유전자를 발현할 수 없어 성장할 수 없기 때문에, 이 과정에서 섬유소 분해 효소를 생산하는 후보 미생물을 분리해 낼 수 있었다(도 7b). The fibrinolytic enzyme decomposes para-nitrophenyl cellobioside (pNPG2) into nitrophenol and cellobiose (Fig. 7A). Since Escherichia coli introduced with the MP-GESS construct produced in Example < 1-2 > shows fluorescence when it is present in the presence of phenol, the Escherichia coli with the MP-GESS introduced therein and the microorganisms derived from the soil are co-cultured, It was confirmed whether microbes present in the soil could be detected by the fluorescence expression level of Escherichia coli with MP-GESS. Specifically, 1 g of a soil sample of a nearby wild field in Daejeon Research Complex was placed in a solution of 0.1% carboxyl methyl cellulose (CMC) in 100 ml of 1X PBS buffer, followed by shaking culture at 25 ° C for 2 hours to remove soil (Hereinafter referred to as &quot; enhanced soil sample &quot;). In the 1/10 diluted LB solid medium containing 100 μM of the substrate pNPG2, 1 ml of the enriched soil sample was plated together with 5 × 10 4 cells of the E. coli WM335 containing MP-GESS prepared in Example <1-2>. After culturing at 30 ° C for about 12 hours, the cells were observed with a fluorescence microscope (Nikon), and the colonies around the E. coli bacteria producing the fluorescence activated by the MP-GESS construct were judged to be candidate microorganisms producing fibrinolytic enzymes. In order to isolate the candidate microorganisms producing the cellulolytic enzyme, the colonies are cut out with a flame sterilized knife, suspended in a LB liquid medium diluted 1/10, plated on a solid medium not containing the substrate, or in a solid medium The selective colonies were streaked. Escherichia coli containing the MP-GESS construct was unable to grow because it could not express the DAAT gene because it could not produce phenol in a substrate-free medium, so that it could isolate the candidate microorganism producing the cellulolytic enzyme (Fig. 7B).

상기와 같은 과정으로, 토양 샘플에서 분리한 약 2,500개의 콜로니 중에서, 콜로니 주변에 형광이 관찰되는 #25, #34, #43, #46의 4종의 콜로니를 얻었으며(도 8), 이 4종의 미생물을 추가 분리 과정 중 표현형이 다른 3종이 추가로 발견되어 #25-1, #25-2, #34-1, #34-2, #43, #46-1 및 #46-2의 총 7종의 섬유소 분해 효소를 생산하는 후보 미생물 균주를 확보하였다.Four colonies of # 25, # 34, # 43, and # 46, where fluorescence was observed around the colonies, were obtained from about 2,500 colonies isolated from soil samples (FIG. 8) Three additional species of phenotypes were found during the further isolation of the species microorganisms, and the strains of # 25-1, # 25-2, # 34-1, # 34-2, # 43, # 46-1 and # 46-2 A total of seven microbial strains were produced for the production of seven types of enzymes.

실시예 3에서 선별된 후보 미생물들의 섬유소 분해 활성 확인 Identification of the fibrinolytic activity of the candidate microorganisms selected in Example 3

실시예 3에서 선별된 7종의 후보 미생물들이 섬유소 분해 활성을 가지고 있는지 여부를 다양한 기질들을 이용하여 확인하였다. 선별한 후보 미생물들을 30℃에서 배양한 후, celLyticB와 lysozyme, DNase을 각각 처리하여 용해물을 조효소액으로 사용하였다. pNPG2와 pNPG3(para-nitrophenyl cellotrioside)를 기질로 하여 45℃에서 2시간 반응시킨 후, 분해된 pNP(para-nitrophenol)를 405nm에서 OD(optical density; Victor)를 측정하였다. 음성대조군으로는 조효소액 없이 버퍼에 기질을 넣은 것, 각 후보 미생물 샘플들에 기질을 넣지 않은 것(None), 및 아무것도 넣지 않은 것(N.C)을 사용하였고, 양성 대조군으로는 0.02% c-tech(창해에탄올, P.C)와 celEdx16(K.C Ko, et al. (20111) Appl. Microbiol. Biotechnol. 89, 1453-1462)을 사용하였다. 또한, 여과지(1×3㎝), 1%(w/v) 아비셀 및 2%(w/v) CMC도 기질로 이용하였다. 각 반응은 45℃에서 이루어지며, 효소 반응 후 샘플은 DNS 환원당 정량법으로 활성을 측정하였다. 상기 다양한 기질들 중에서 pNPG2, 아비셀, 여과지는 엑소(exo)형 섬유소 분해효소의 기질이고, pNPG3는 엔도(endo)형 섬유소 분해효소의 기질들이다.Whether the seven candidate microorganisms selected in Example 3 had a fibrinolytic activity was confirmed by using various substrates. The selected candidate microorganisms were cultured at 30 ° C, treated with celLyticB, lysozyme, and DNase, respectively, and lysates were used as crude enzyme solutions. pNPG2 and pNPG3 (para-nitrophenyl cellotrioside) as substrates for 2 hours at 45 ° C. Then, the optical density (Victor) of the degraded pNP (para-nitrophenol) was measured at 405 nm. As a negative control, buffers were added to the buffer without the enzyme solution, each of the candidate microorganism samples was used with no substrate, and none (NC) was used. As the positive control, 0.02% c-tech (Changhua Ethanol, PC) and celEdx16 (KC Ko, et al. (2011) Appl. Microbiol. Biotechnol. 89, 1453-1462) were used. In addition, filter paper (1 x 3 cm), 1% (w / v) Avicel and 2% (w / v) CMC were also used as substrates. Each reaction was carried out at 45 ° C. After the enzymatic reaction, the activity was measured by DNS reducing sugar assay. Among the various substrates, pNPG2, avicel, and filter paper are substrates of exo-type fibrinolytic enzyme, and pNPG3 is substrates of endo-type fibrinolytic enzyme.

반응 결과, 아비셀에 대하여는 #25-1과 #46-2 균주가 반응하였고, pNPG2와 pNPG3에 대한 활성은 #34-1, #46-1 균주를 제외한 시료에서 확인할 수 있었다. 특히, #46-2 균주는 여과지에 대한 활성이 높았으며, 이러한 특성이 있으므로 결정형 섬유소 분해에 유용하게 사용될 것 수 있다(도 9). 상기 결과로부터, 본 발명의 센서 세포인 MP-GESS 함유 대장균 WM335 균주로 섬유소 분해효소 활성이 있는 균주 탐색이 가능함을 확인하였다. As a result of the reaction, # 25-1 and # 46-2 strains reacted with Avicel, and the activity against pNPG2 and pNPG3 was confirmed in the samples except strains # 34-1 and # 46-1. In particular, strain # 46-2 has high activity against filter paper, and because of this property, it can be usefully used for decomposing crystalline fibrils (FIG. 9). From the above results, it was confirmed that the strains of E. coli WM335 containing the MP-GESS, which is the sensor cell of the present invention, can be used for the search for strains having a fibrinolytic enzyme activity.

실시예 3에서 선별된 후보 미생물의 종 확인Identification of candidate microorganisms selected in Example 3

실시예 4에서 선별된 콜로니들의 미생물 종을 확인하기 위해 16s rRNA 분석을 수행하였다. 변이 영역(variable region)을 9개 포함하고 있는 세균의 16s rRNA의 염기서열을 분석하기 위하여 대장균의 16s rRNA 서열을 PCR 증폭할 수 있는 9F(서열번호 8)와 1512R(서열번호 9) 프라이머를 사용하였다. 분리한 7종의 미생물 자원들 중에서, 배양되지 않는 #34-1을 제외한 6종의 미생물 자원들에 대하여 16s rRNA 염기서열 분석을 수행하였다. 16s rRNA analysis was performed to identify the microbial species of the selected colonies in Example 4. In order to analyze the nucleotide sequence of 16s rRNA of bacteria containing 9 variable regions, 9F (SEQ ID NO: 8) and 1512R (SEQ ID NO: 9) primers capable of PCR amplification of the 16s rRNA sequence of E. coli were used Respectively. Of the seven isolated microbial resources, 16s rRNA sequencing was performed on six microbial resources except # 34-1, which were not incubated.

서열 8: 5'-agagtttgatcatggctcagSEQ ID NO: 8: 5'-agagtttgatcatggctcag

서열 9: 5'-tacggttaccttgttacgacttSEQ ID NO 9: 5'-tacggttaccttgttacgactt

표 2에 각 후보 미생물과 기존에 밝혀진 미생물들의 유사성 결과를 나타내었다.Table 2 shows the similarity results between each candidate microorganism and the previously identified microorganisms.

후보 미생물Candidate microorganism 근접한 매치Close match 유사성 (%)Similarity (%) #25-1# 25-1 Bacillus cereus ATCC14579(T) Bacillus cereus ATCC 14579 (T) 97.3497.34 #25-2# 25-2 Pseudomonas koreensis Ps 9-14(T) Pseudomonas koreensis Ps 9-14 (T) 99.1399.13 #34-2# 34-2 Bacillus cereus ATCC14579(T) Bacillus cereus ATCC 14579 (T) 99.9299.92 #43# 43 Pseudomonas koreensis Ps 9-14(T) Pseudomonas koreensis Ps 9-14 (T) 98.8798.87 #46-1# 46-1 Bacillus cereus ATCC14579(T) Bacillus cereus ATCC 14579 (T) 99.9299.92 #46-2# 46-2 Pseudomonas koreensis Ps 9-14(T) Pseudomonas koreensis Ps 9-14 (T) 92.7792.77

그 결과, #25-1은 바실러스 세레우스(Bacillus cereus) ATCC14579(T)와 유사성이 97% 이상 나왔고, #34-2과 #46-1은 슈도모나스 트리지엔시스(Pseudomonas thringiensis) ATCC10792와 99% 이상 유사한 것으로 분석되었다. 여과지에 대한 활성이 비교적 높은 #46-2의 경우에는 슈도모나스 코리엔시스(Pseudomonas koreensis) Ps 9-14(T)과 93% 정도 유사한 것으로 분석되어, #46-2 균주가 신규 미생물인 것으로 확인되었으며, 기탁번호 KCTC32541로 미생물자원센터에 기탁하였다. #25-2와 #43 미생물들도 슈도모나스 코리엔시스(Pseudomonas koreensis) Ps 9-14과 98% 이상 유사한 것으로 분석되었다.As a result, # 25-1 showed 97% or more similarity with Bacillus cereus ATCC 14579 (T), and # 34-2 and # 46-1 showed 99% or more similarity with Pseudomonas thringiensis ATCC 10792 Respectively. In the case of # 46-2, which is relatively active on the filter paper, it was analyzed to be 93% similar to Pseudomonas koreensis Ps 9-14 (T). As a result, # 46-2 strain was confirmed to be a new microorganism, Deposited at the Microbial Resource Center with accession number KCTC32541. Microorganisms # 25-2 and # 43 were also found to be more than 98% similar to Pseudomonas koreensis Ps 9-14.

상기 결과로부터, 본 발명의 센서 세포인 MP-GESS 함유 대장균 WM335으로 섬유소 분해효소 활성이 있는 균주 탐색이 가능하고, 탐색된 균주는 바실러스 세레우스, 슈도모나스 트리지엔시스, 슈도모나스 코리엔시스와 유사성이 있으며, 섬유소 분해 활성이 있는 신규한 미생물도 탐색 가능함을 알 수 있었다.From the above results, it is possible to search for a strain having a protease activity with E. coli WM335 containing MP-GESS, which is a sensor cell of the present invention, and the strain found is similar to Bacillus cereus, Pseudomonas trigiensis, and Pseudomonas corynsis, It was found that novel microorganisms having decomposition activity could be searched.

실시예 3에서 선별된 신규 미생물의 NGS 분석, 전체 유전체 분석 및 기존 미생물과의 기능 차이 분석 NGS analysis of the new microorganism selected in Example 3, total genome analysis and functional difference analysis with existing microorganisms

<6-1> 신규 미생물의 NGS 분석, 전체 유전체 분석<6-1> NGS analysis of new microorganisms, whole genome analysis

슈도모나스의 서열 비교 분석을 통한 새로운 균주 검증을 위해 #46-2 균주의 DNA를 추출해 두 번의 차세대 유전체 분석기술(Next Generation DNA sequencer, NGS)(Roche454)을 수행하였다. 총 리드(Read)의 개수는 1,192,651개이고, GS FLX 어셈블러로 찾아진 컨티그(Contig)는 총 625개였다. 평균 컨티그 사이즈는 10,059bp로 전체 약 6M의 길이를 가진 미생물임을 알 수 있었다. 이와 같이 확인된 컨티그를 기반으로 #46-2 지놈의 어노테이션(annotation) 분석을 위해서 온라인 툴 중 하나인 RAST(http://rast.nmpdr.org/rast.cgi)를 사용하였다. RAST는 컨티그를 입력 값으로 받아 ORF를 추정하고 '서브시스템 기술(subsystem technique)'라는 방법으로 추정된 ORF의 기능을 분류/분석하는 툴이다. 2015년 5월에 확인된 바로는 1,151개의 검증된 서브시스템을 가지고 있으며, 이들은 27개의 카테고리를 포함한 3단계 수준으로 구분되어 있다. 추정된 ORF의 기능은 하나 이상의 서브시스템에 속할 수 있는데 #46-2 균주의 경우 총 5,692개의 ORF 중 52%인 2,941개의 ORF에 서브시스템 분류가 정의되어 있었고, 나머지 48%는 서브시스템 분류가 되지 않은 ORF였다. 이러한 비율과 2,941개의 서브시스템 분포를 도 10에 나타내었다. 가장 많은 비율을 차지하는 카테고리는 아미노산과 이의 유도체였고, 그 뒤로 탄수화물, 보조인자(Cofactor), 비타민, 보결 원자단(Prosthetic Group) 및 색소가 많았다. DNA of # 46-2 strain was extracted for Pseudomonas spp. Analysis, and two next generation DNA sequencers (NGS) (Roche454) were performed. The total number of readings was 1,192,651, and the total number of contigs found by the GS FLX assembler was 625. The average contig size was 10,059 bp, indicating that the microorganism had a total length of about 6M. Based on the identified congestion, one of the online tools, RAST (http://rast.nmpdr.org/rast.cgi), was used for the annotation analysis of the # 46-2 genome. RAST is a tool that estimates an ORF by taking a congig as an input value and classifies / analyzes the function of the ORF estimated by a method called 'subsystem technique'. As confirmed in May 2015, it has 1,151 proven subsystems, divided into three levels, including 27 categories. The function of the putative ORF can belong to more than one subsystem. In the case of strain # 46-2, the subsystem classification was defined in 2,941 ORFs, 52% of the total 5,692 ORFs, and the remaining 48% It was an ORF. This ratio and 2,941 subsystem distributions are shown in FIG. The most common category was amino acids and their derivatives, followed by carbohydrates, cofactors, vitamins, prosthetic groups and pigments.

상기 과정을 통해 #46-2 균주의 다른 균주들과의 비교 분석을 위해서 예측된 ORF 서열 정보를 이용하여 NCBI의 Blast 분석을 수행하였다. Blastn 소프트웨어를 이용하여 총 5,754개의 ORF를 NCBI nt 데이터베이스에 얼라인(align)하였으며 evalue 10 이하의 히트(hit)들을 고른 결과 각 orf마다 평균 약 45개의 히트들을 찾아내었다. 이와 같이 확인된 히트 서열들의 유래 균주를 분석한 결과 가장 많은 빈도로 찾아낸 균주는 슈도모나스 플루오르센스 Pf0-1로 총 ORF 개수 5,754 중 4,829개의 유전자가 P. fluorescence Pf0-1 에 존재하는 유전자와 유사함을 확인하였다. 도 11은 확인된 유전자들의 개수를 각 비교된 균주의 총 유전자 수로 나눈 Genomic Coverage 값을 보여주는 것으로 P. fluorescence Pf0-1의 경우 약 84%의 유전자가 #46균주와 유사함을 확인하였다. 따라서, 선별된 #46-2 균주의 경우 셀룰라제 효소의 활성이 있으면서도 기존 슈도모나스 종과는 다른 신규 미생물임을 알 수 있었다. Through the above process, Blast analysis of NCBI was performed using predicted ORF sequence information for comparison with other strains of # 46-2 strain. Using Blastn software, a total of 5,754 ORFs were aligned to the NCBI nt database and evalua- tions of less than 10 hits were found, resulting in an average of about 45 hits per orf. As a result of analyzing the strains derived from the identified heat sequences, the most frequently found strains were Pseudomonas fluorescens Pf0-1, and 4,829 genes out of total 5,754 ORF fragments were similar to those present in P. fluorescence Pf0-1 Respectively. FIG. 11 shows the genomic Coverage value obtained by dividing the number of identified genes by the total number of genes of each of the compared strains. It was confirmed that about 84% of the genes of P. fluorescence Pf0-1 were similar to the # 46 strains. Therefore, it was found that the selected strain # 46-2 was a novel microorganism different from the existing Pseudomonas species while having the activity of cellulase.

<6-2> 기존 미생물과의 기능 차이 분석<6-2> Functional difference analysis with existing microorganisms

#46-2 균주의 유전자 구성과 그 기능에 대한 분석을 위하여 앞서 가장 유사한 균주로 분석된 P. fluorescence Pf0-1 종과의 유전자 기능 및 서열 기반의 비교 분석을 수행하였다. RAST에서 제공하는 기능인 기능 기반 비교 툴을 이용하여 #46-2과 P. fluorescence Pf0-1의 구성 유전자들의 기능과 존재 유무를 서로 비교하고 그 결과를 파일 다운로드 받아 2차로 비교 분석을 수행하였다. For the analysis of the gene structure and function of strain # 46-2, gene function and sequence-based comparative analysis with P. fluorescence Pf0-1 species analyzed as the most similar strains were conducted. Using function-based comparison tool, a function provided by RAST, the function and existence of constitutive genes of # 46-2 and P. fluorescence Pf0-1 were compared with each other, and the results were downloaded and analyzed by a second comparison.

그 결과, 서브시스템 기반 분석된 전체 3480개의 유전자 중 두 균주가 기능을 공유하는 유전자는 3,142개이고 #46-2 균주에만 있는 유전자 기능은 168개, P. fluorescence Pf0-1에만 있는 유전자 기능은 170개로 확인되었다. 두 미생물 사이의 기능 차이는 도 12에 나타내었다. 상기 결과로부터 #46-2 균주와 서열상 가장 가까운 것으로 밝혀진 P. fluorescence Pf0-1 균주가 ORF 서열의 차이뿐만 아니라 그 기능에 있어서도 차이를 나타낼 수 있음을 확인하였다.As a result, 3,142 genes shared function of two strains among the total 3480 genes analyzed by subsystem, 168 genes functioning only in # 46-2 strain, 170 genes functioning only in P. fluorescence Pf0-1 . The functional difference between the two microorganisms is shown in Fig. From the above results, it was confirmed that the P. fluorescence Pf0-1 strain found to be the closest in sequence to the strain # 46-2 could show not only the difference in ORF sequence but also the function thereof.

실시예 3에서 선별된 신규 미생물의 전자 현미경 이미지 분석을 통한 형태 평가 Evaluation of morphology by electron microscopic image analysis of new microorganisms selected in Example 3

본 발명의 센서 세포인 MP-GESS 함유 대장균 WM335 균주로 선별된 신규한 #46-2 균주가 세포 형태면에서도 가장 유사한 속(genus)으로 밝혀진 P. koreensis sp.와 유사한지 여부를 확인하기 위해서 전자 현미경으로 관찰하였다.The novel strain # 46-2 selected as the sensor cell of the present invention, MP-GESS-containing Escherichia coli WM335, is the most similar genus of P. koreensis sp. Were observed with an electron microscope.

그 결과, #46-2 균주는 16srRNA 분석에서 가장 유사한 속(genus)으로 밝혀진 P. koreensis sp.에 비해서 더 많은 편모를 가진 표현형을 보였다(도 13). 이는 P. koreensis Ps9-14(T)가 다수의 편모를 갖는 특징과 유사하였다. 또한, 이 미생물 자원은 막대형이고 표면이 부푼듯한 모양이었는데 이러한 형태는 점액질의 콜로니 형태 때문으로 고분자 물질을 생산하는 것으로 생각된다. As a result, strain # 46-2 was identified as the most similar genus in the 16srRNA analysis by P. koreensis sp. (Fig. 13). &Lt; tb &gt;&lt; TABLE &gt; This was similar to P. monocytogenes Ps9-14 (T) with many flagella. In addition, this microbial resource was a rod-shaped and swollen surface, which is thought to produce macromolecular material because of the mucous colony shape.

2 단계(two-step) 프로토콜 기반의 미생물 탐색: 토양 샘플에서 인산가수분해효소(phosphatase) 활성을 갖는 미생물 탐색(효소 활성을 탐색하고자 하는 미생물을 배양하여 콜로니를 형성시킨 후, 실시예 1-2의 센서 세포를 분무하는 방식)Microbial search based on two-step protocol: search for microorganisms having phosphatase activity in soil samples (microorganisms to be searched for enzyme activity were cultured to form colonies, A method of spraying the sensor cell of the present invention)

인산가수분해효소는 페닐포스페이트를 페놀 및 포스페이트로 분해하는 활성이 있으므로(도 14a), 센서 세포를 이용하여 인산가수분해효소 활성이 있는 미생물을 탐색하였다.Phosphorylase has an activity of decomposing phenyl phosphate into phenol and phosphate (Fig. 14 (a)). Therefore, a microorganism having a phosphatase activity using a sensor cell was searched.

대전 신탄진동의 강에서 1g의 토양을 채집하였고, 채집된 토양에 1× PBS 50mL을 첨가하였다. 24시간 후에 1000rpm에서 5분 동안 원심분리하여 상층액 10mL을 수득하였다. 수득한 1 mL의 토양 시료를 100 μM 페닐포스페이트를 함유하는 1/10 희석된 LB 배지에 평판 도말(spreading)하여 20℃에서 12시간 동안 배양하였다. 실시예 1-2에서 제조된 pGESS-DAAT를 가지는 WM335 세포인 센서 세포는 10 μM 페놀이 함유된 10 mL dLB 브로스에서 37℃에서 24시간 동안 별도로 배양하였다. 배양된 센서 세포를 3000 rpm에서 15분 동안 원심분리한 후, dLB5 mL를 첨가하여 세척하였다. 상기 세척 단계를 1회 더 실시한 후, 분무하기 전에 상기 센서 세포의 OD600을 약 1로 하였다. 그 후 상기 센서 세포를 토양 미생물이 콜로니를 형성한 고체 플레이트 위에 분무기를 이용하여 분무하였고, 37℃에서 배양기에서 12시간 배양 후, 상기 시료를 GFP 필터가 구비된 AZ100M fluorescence multi-zoom microscope (Nikon)를 이용하여 관찰하였다. TPL 결과에서 예측되는 바와 같이, 인산가수분해효소 활성이 있는 후보 콜로니의 가장자리 주변에서 녹색 형광을 방출하는 환형의 콜로니를 형성하였다(도 14b). 인산가수분해효소를 생산하는 7개의 후보 미생물 콜로니(배양하여 콜로니를 생성한 토양 미생물에 센서 세포를 분무한 경우, 도 14b)과 3개의 임의의 형광 콜로니(센서 세포 없이 토양 미생물만 배양한 경우, 도 14c)를 선택하여, 서열번호 12(MP-F1: tgaaacctgcagcaacagcatgcgttgttc) 및 서열번호 13(MP-R1: ggtgaacagctcctcgcccttgctcaccat)의 프라이머를 이용하여 PCR을 수행하였다. 그 결과, C7을 제외한 모든 콜로니가 센서 세포(MP-GESS를 가지는 세포)가 혼합되어 있는 것으로 확인되었다(도 14d). PCR 결과를 보았을 때, 임의의 토양 미생물들인 C8, C9 및 C10은 센서 세포에 포함되는 벡터에 대한 유전자가 증폭되지 않았으므로, 센서 세포를 함유한다기 보다는 자가 형광을 방출하는 것으로 추정된다. 상기 실시예 3의 1 단계(one-step) 프로토콜과 비교하여, 상기 2 단계(two-step) 프로토콜은 센서 세포와 메타게놈 미생물이 형성하는 콜로니 크기 및 콜로니 형성에 있어서 센서 세포와 메타게놈 미생물 사이의 차이점을 분명하게 나타낼 수 있으므로, 표적 효소 활성이 있는 후보 미생물을 선택함에 있어서, 더 효과적인 가이드라인을 제시할 수 있다. 1g of soil was collected from rivers in Shindangjin-dong, Daejeon, and 50ml of 1x PBS was added to the collected soil. After 24 hours, centrifugation was performed at 1000 rpm for 5 minutes to obtain 10 mL of supernatant. 1 mL of the soil sample obtained was spread on a 1/10 diluted LB medium containing 100 μM phenylphosphate and cultured at 20 ° C for 12 hours. The sensor cells, WM335 cells with pGESS-DAAT prepared in Example 1-2, were separately cultured in 10 mL dLB broth containing 10 μM phenol for 24 hours at 37 ° C. The cultured sensor cells were centrifuged at 3000 rpm for 15 minutes and washed with 5 mL of dLB. After the washing step was performed once more, OD 600 of the sensor cell was set to about 1 before spraying. Then, the sensor cells were sprayed on a solid plate on which colonies of soil microorganisms were formed, using an atomizer. After incubation at 37 ° C for 12 hours in an incubator, the samples were subjected to an AZ100M fluorescence multi-zoom microscope (Nikon) equipped with a GFP filter, . As expected from the TPL results, circular colonies were formed that emitted green fluorescence around the edges of candidate colonies with phosphatase activity (Fig. 14B). 14b), and three arbitrary fluorescent colonies (when only soil microorganisms were cultured without sensor cells), 7 candidate microorganism colonies producing phosphatase were cultured 14C) was selected and PCR was performed using primers of SEQ ID NO: 12 (MP-F1: tgaaacctgcagcaacagcatgcgttgttc) and SEQ ID NO: 13 (MP-R1: ggtgaacagctcctcgcccttgctcaccat). As a result, it was confirmed that all the colonies except for C7 were mixed with sensor cells (cells having MP-GESS) (FIG. 14D). The results of PCR showed that any soil microorganisms, C8, C9 and C10, did not amplify the gene for the vector contained in the sensor cell, so it is presumed that it emits autofluorescence rather than containing the sensor cell. Compared with the one-step protocol of Example 3 above, the two-step protocol allows for the colony size formed by the sensor cell and the metagenomic microorganism, and between the sensor cell and the metagenomic microbe , It is possible to provide a more effective guideline in selecting a candidate microorganism having a target enzyme activity.

상기 7개의 선택된 콜로니를 확인하기 위해 16s rRNA 분석으로 추가적으로 조사하였다. 7개의 콜로니를 멸균한 이쑤시개로 떠서 기질, 페놀 또는 D-글루탐산이 없는 dLB 배지에 획선 도말(streaking)하였다. 이 단계에서, 센서 세포는 자연적으로 소멸되며, 단일 콜로니는 추가적인 16s rRNA 분석을 위해 분리하였다. 표 3에 각 콜로니의 16s rRNA 분석 결과를 나타낸다.The 7 selected colonies were further examined by 16s rRNA analysis to identify them. Seven colonies were plated on a sterile toothpick and streaked onto dLB medium without substrate, phenol or D-glutamic acid. At this stage, the sensor cells spontaneously disappeared, and single colonies were isolated for further 16s rRNA analysis. Table 3 shows the result of 16s rRNA analysis of each colony.

No.No. ReferenceReference StrainStrain LengthLength ScoreScore Identification (%)Identification (%) C1C1 NR_036911.2NR_036911.2 Aeromonas media strain RM 16S ribosomal RNA gene, partial sequenceAeromonas media strain RM 16S ribosomal RNA gene, partial sequence 15031503 28942894 1469/1472 (99%)1469/1472 (99%) C2C2 NR_024927.1NR_024927.1 Pseudomonas migulae strain CIP 105470 16S ribosomal RNA gene, partialPseudomonas migulae strain CIP 105470 16S ribosomal RNA gene, partial 15161516 28662866 1467/1474 (99%)1467/1474 (99%) C3C3 NR_113578.1NR_113578.1 Pseudomonas fragi strain NBRC 3458 16S ribosomal RNA gene, partialPseudomonas fragi strain NBRC 3458 16S ribosomal RNA gene, partial 14621462 28762876 1458/1461 (99%)1458/1461 (99%) C4C4 NR_044863.1NR_044863.1 Shewanella putrefaciens strain Hammer 95 16S ribosomal RNA geneShewanella putrefaciens strain Hammer 95 16S ribosomal RNA gene 15041504 28312831 1461/1472 (99%)1461/1472 (99%) C5C5 NR_044863.1NR_044863.1 Shewanella putrefaciens strain Hammer 95 16S ribosomal RNA gene,Shewanella putrefaciens strain Hammer 95 16S ribosomal RNA gene, 15041504 27342734 1406/1415 (99%)1406/1415 (99%) C6C6 NR_074891.1NR_074891.1 Escherichia coli O157:H7 str. Sakai strain Sakai 16S ribosomal RNA,Escherichia coli O157: H7 str. Sakai strain Sakai 16S ribosomal RNA, 15421542 22082208 1318/1386 (95%) 1318/1386 (95%) C7C7 NR_108852.1NR_108852.1 Shewanella seohaensis strain S7-3 16S ribosomal RNA gene, partialShewanella seohaensis strain S7-3 16S ribosomal RNA gene, partial 14651465 20362036 1307/1399 (93%)1307/1399 (93%)

그 결과, 7개의 선택된 미생물로부터 4가지 유형의 속, 즉 Aeromonas, Pseudomonas, Shewanella, 및 Escherichia가 확인되었다. 특히 Shewanella 및 Aeromonas속은 수생 환경에서 확인되었다.As a result, four types of genus, namely Aeromonas, Pseudomonas, Shewanella, and Escherichia, were identified from seven selected microorganisms. Especially, the genus Shewanella and Aeromonas were identified in the aquatic environment.

후보 미생물의 인산가수분해효소 활성 확인Identification of phosphorylase activity of candidate microorganisms

인산가수분해효소는 페닐포스페이트를 페놀 및 포스페이트로 분해하는 활성이 있으므로, 센서 세포에 의해 선별된 세포를 회수하여 선별된 세포가 인산가수분해효소 활성이 있는지 확인하였다. Since the phosphatase has an activity of decomposing phenylphosphate into phenol and phosphate, the cells selected by the sensor cell were recovered to confirm whether the selected cells had phosphatase activity.

선별된 세포를 회수한 후 50mM HEPES 버퍼(pH 7.5)에 현탁하였으며, 단백질 분해 효소저해제로서 0.1 mM 페닐메틸설포닐플루오라이드(phenylmethylsulfonyl fluoride, PMSF)를 첨가하였다. 현탁된 세포를 얼음에서 초음파 처리(Fisher Scientific, Pittsburgh, PA)로 붕괴하였다. 세포 잔해를 15,000 × g에서 20분 동안 4℃에서 원심분리하여 제거하였고, 상층액을 0.45-μm 필터로 여과하였다. 단백질 농도는 Bradford의 Analytical biochemistry 72, 248-254에 개시된 방법에 따라 정량하였다. 조추출물의 촉매 활성은 둥근 바닥 형태인 1.5-ml 튜브에서 1 mM pNP-포스페이트를 함유하는 0.2 mL HEPES 버퍼(pH 7.5)로부터 방출되는 pNP 의 양에 기초하여 확인하였다. 조추출물 효소 반응을 10분 동안 25℃에서 실시하였고, 1 M Na2CO3를 첨가하여 종료하였다. 반응 용액을 16,300 × g에서 15분 동안 원심분리하여 맑게 하였으며, Victor V Multilabel Plate Reader (PerkinElmer Life Sciences, Waltham, Massachusetts, USA)를 이용하여 420nm에서 흡광도 변화를 측정하였다. 효소의 한 단위는 특정한 분석 조건 하에서 분당 생산물로서 1 nmol의 pNP를 생산하는데 요구되는 활성으로 정하였다. The selected cells were collected and suspended in 50 mM HEPES buffer (pH 7.5), and 0.1 mM phenylmethylsulfonyl fluoride (PMSF) was added as a protease inhibitor. The suspended cells were disrupted by sonication in ice (Fisher Scientific, Pittsburgh, Pa.). Cell debris was removed by centrifugation at 15,000 x g for 20 min at 4 ° C, and the supernatant was filtered through a 0.45-μm filter. Protein concentrations were quantified according to the method described in Bradford, Analytical biochemistry 72, 248-254. The catalytic activity of the crude extract was confirmed on the basis of the amount of pNP released from a 0.2 mL HEPES buffer (pH 7.5) containing 1 mM pNP-phosphate in a 1.5-ml tube in round bottom form. The crude extract enzyme reaction was carried out for 10 min at 25 ° C and terminated by the addition of 1 M Na 2 CO 3 . The reaction solution was clarified by centrifugation at 16,300 x g for 15 minutes and the absorbance change was measured at 420 nm using a Victor V Multilabel Plate Reader (PerkinElmer Life Sciences, Waltham, Massachusetts, USA). One unit of enzyme was defined as the activity required to produce 1 nmol of pNP as the product per minute under the specific assay conditions.

인산가수분해효소 양성 콜로니가 실제로 인산가수분해효소 활성을 가지는지 확인하기 위하여 4000개의 콜로니 중에서 36개의 콜로니를 선별하였다(도 15a). 선별된 36개 콜로니의 조추출물의 인산가수분해효소 활성을 확인하였다. 도 15b에 선별된 콜로니의 16s rRNA 분석 결과와 함께 선별된 콜로니의 인산가수분해효소의 활성(U/mg)을 나타내었다. 주요 5개 균주(Shigella sonnei, Shigella flexneri, Rheinheimera tangshanensis, Rheinheimera soli, Escherichia fergusonii) 는 10 내지 30 U/mg 범위의 분명한 인산가수분해효소 활성을 나타내는 것으로 확인되었다. Shigella flexneri는 잘 알려진 박테리아의 비특이적 산성 인산가수분해효소 공급원 중의 하나이고, 이 효소는 다양한 인산화 생산물의 제조에 사용되고 있다. Rheinheimera soli는 산성 인산가수분해효소에 대한 약한 효소 활성을 가지는 것으로 알려져 있고, Escherichia fergusonii는 또한 산성 인산가수분해효소 활성을 가지는 것으로 보고되었다. 하지만, Shigella sonneiRheinheimera tangshanensis의 인산가수분해효소 활성에 대한 정보는 발표된 바 없으므로, 이와 같은 결과로부터 상기 Shigella sonneiRheinheimera tangshanensis들에 대해서 추가적으로 연구할 경우에 새로운 인산가수분해효소를 찾을 수 있는 것을 알 수 있었다.36 colonies were selected from 4000 colonies in order to confirm whether the phospholipase-positive colonies actually have phospholipase activity (Fig. 15A). Phosphorylase activities of crude extracts of 36 selected colonies were confirmed. The results of the 16s rRNA analysis of the colonies selected in FIG. 15 (b) show the activity (U / mg) of the phos- pholytic enzymes of the colonies selected. The major five strains ( Shigella sonnei, Shigella flexneri, Rheinheimera tangshanensis, Rheinheimera soli, Escherichia fergusonii ) were found to exhibit an apparent phosphatase activity ranging from 10 to 30 U / mg. Shigella flexneri is one of the well-known bacterial nonspecific acid phosphatase sources, which are used in the production of various phosphorylation products. Rheinheimera soli is known to have weak enzymatic activity against acidic phosphatase, and Escherichia fergusonii has also been reported to have acidic phosphatase activity. However, no information on the activity of the phosphatases of Shigella sonnei and Rheinheimera tangshanensis has been published, and thus further investigation of the above Shigella sonnei and Rheinheimera tangshanensis reveals that a new phosphatase can be found Could know.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 상기와 같은 특정 실시예에만 한정되지 아니하며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the scope of the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. It will be possible to change it appropriately.

<110> Korea Research Institute of Bioscience and Biotechnology <120> Microbe Prototyping Genetic Circuit based Novel Microbe Screening System <130> 2016-dpa-1453 <150> KR 10-2015-0099372 <151> 2015-07-13 <160> 13 <170> KopatentIn 2.0 <210> 1 <211> 30 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> forward primer for pGESSv4 <400> 1 atgtatatct ccttctccag gttggcggat 30 <210> 2 <211> 30 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> reverse primer for pGESSv4 <400> 2 aaggagatat acatatggtg agcaagggcg 30 <210> 3 <211> 32 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> forward primer for DAAT gene <400> 3 atgttggaac aaccaatagg agtcattgat tc 32 <210> 4 <211> 32 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> reverse primer for DAAT gene <400> 4 tcttttaatc ggttcttgca gtgagataca tt 32 <210> 5 <211> 52 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> forward primer for DAAT gene (2) <400> 5 atccgccaac ctggagaagg agatatacat atgttggaac aaccaatagg ag 52 <210> 6 <211> 80 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> reverse primer for DAAT gene (2) <400> 6 cgcccttgct caccatatgt atatctcctt ctaagctgct aaagcgtagt tttcgtcgtt 60 tgctgctctt ttaatcggtt 80 <210> 7 <211> 11 <212> PRT <213> Artificial Sequence <220> <223> peptide for ssrA tag <400> 7 Ala Ala Asn Asp Glu Asn Tyr Ala Leu Ala Ala 1 5 10 <210> 8 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> forward primer for 16s rRNA of E. coli <400> 8 agagtttgat catggctcag 20 <210> 9 <211> 22 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> reverse primer for 16s rRNA of E. coli <400> 9 tacggttacc ttgttacgac tt 22 <210> 10 <211> 30 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Vector-F1 <400> 10 aaggagatat acatatggtg agcaagggcg 30 <210> 11 <211> 30 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Vector-R1 <400> 11 atgtatatct ccttctccag gttggcggat 30 <210> 12 <211> 30 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> MP-F1 <400> 12 tgaaacctgc agcaacagca tgcgttgttc 30 <210> 13 <211> 30 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> MP-R1 <400> 13 ggtgaacagc tcctcgccct tgctcaccat 30 <110> Korea Research Institute of Bioscience and Biotechnology <120> Microbe Prototyping Genetic Circuit based Novel Microbe Screening System <130> 2016-dpa-1453 <150> KR 10-2015-0099372 <151> 2015-07-13 <160> 13 <170> Kopatentin 2.0 <210> 1 <211> 30 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> forward primer for pGESSv4 <400> 1 atgtatatct ccttctccag gttggcggat 30 <210> 2 <211> 30 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> reverse primer for pGESSv4 <400> 2 aaggagatat acatatggtg agcaagggcg 30 <210> 3 <211> 32 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> forward primer for DAAT gene <400> 3 atgttggaac aaccaatagg agtcattgat tc 32 <210> 4 <211> 32 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> reverse primer for DAAT gene <400> 4 tcttttaatc ggttcttgca gtgagataca tt 32 <210> 5 <211> 52 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> forward primer for DAAT gene (2) <400> 5 atccgccaac ctggagaagg agatatacat atgttggaac aaccaatagg ag 52 <210> 6 <211> 80 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> reverse primer for DAAT gene (2) <400> 6 cgcccttgct caccatatgt atatctcctt ctaagctgct aaagcgtagt tttcgtcgtt 60 tgctgctctt ttaatcggtt 80 <210> 7 <211> 11 <212> PRT <213> Artificial Sequence <220> <223> peptide for ssrA tag <400> 7 Ala Ala Asn Asp Glu Asn Tyr Ala Leu Ala Ala   1 5 10 <210> 8 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> forward primer for 16s rRNA of E. coli <400> 8 agagtttgat catggctcag 20 <210> 9 <211> 22 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Reverse primer for 16s rRNA of E. coli <400> 9 tacggttacc ttgttacgac tt 22 <210> 10 <211> 30 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Vector-F1 <400> 10 aaggagatat acatatggtg agcaagggcg 30 <210> 11 <211> 30 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Vector-R1 <400> 11 atgtatatct ccttctccag gttggcggat 30 <210> 12 <211> 30 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> MP-F1 <400> 12 tgaaacctgc agcaacagca tgcgttgttc 30 <210> 13 <211> 30 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> MP-R1 <400> 13 ggtgaacagc tcctcgccct tgctcaccat 30

Claims (18)

(1) 목적 효소의 활성에 의해 페놀계 화합물이 생성될 수 있는 페놀-태그 기질을 설계하는 단계;
(2) 목적 효소를 보유하고 있는 것으로 예상되는 자연계 미생물 균주 또는 이를 포함하는 자연계 유래 환경 시료에 상기 페놀-태그 기질을 처리하여 특정 영양물질이 결핍되고 항생제가 존재하지 않는 환경 하에서 센서 세포와 함께 배양하는 단계;
(3) 상기 배양 결과, 생존된 센서 세포들 중에서 형광 단백질이 발현되는 것들을 확인 및 선별하는 단계; 및
(4) 상기 선별된 센서 세포에 인접한 미생물 균주를 분리하는 단계;를 포함하는, 목적 효소를 보유하고 있는 자연계 유래의 신규한 미생물 균주를 감지 및 탐색하는 방법으로서,
상기 방법은 메타게놈 라이브러리를 구축하는 과정을 포함하지 않고,
상기 단계 (2)의 센서 세포는, 특정 영양물질을 필요로하는 영양요구성 숙주세포에, (ⅰ) 유전자 발현 조절 부위, 상기 유전자 발현 조절 부위에 의해 활성이 조절되는 제1 프로모터, 및 상기 제1 프로모터의 활성화에 의해 발현이 조절되고, 형광 단백질을 암호화하는 유전자 및 영양요구성에 관여하는 효소를 암호화하는 유전자를 포함하는 리포터 유전자;를 포함하는 제1 유전자 컨스트럭트; 및 (ⅱ) 제2 프로모터, 및 상기 제2 프로모터에 의해 발현이 조절되고, 페놀계 화합물이 존재하는 환경에서만 상기 유전자 발현 조절 부위에 결합하여 상기 제1 프로모터를 활성화시키는 전사조절인자의 유전자를 포함하는 제2 유전자 컨스트럭트;를 포함하는 유전자 회로가 형질전환되고, 메타게놈 유전자를 포함하지 않는 것이고,
상기 단계 (2)의 센서 세포는 센서 세포 외부에서 생성된 페놀계 화합물을 감지하는 것인, 목적 효소를 보유하고 있는 자연계 유래의 신규한 미생물 균주를 감지 및 탐색하는 방법.
(1) designing a phenol-tag substrate capable of generating a phenolic compound by the activity of an enzyme;
(2) Purpose To treat the natural microorganism strain expected to have an enzyme or a naturally-occurring environmental sample containing the enzyme, the phenol-tagged substrate is treated to culture with the sensor cell in an environment in which a specific nutrient is deficient and an antibiotic is not present ;
(3) identifying and selecting those in which the fluorescent protein is expressed among the surviving sensor cells as a result of the culture; And
(4) separating the microorganism strains adjacent to the selected sensor cells to detect and search for a new microorganism strain derived from a natural organism having a target enzyme,
The method does not include the process of constructing the meta genome library,
The sensor cell of the step (2) is characterized in that the sensor cell is cultured in an auxotrophic host cell which requires a specific nutrient, (i) a gene expression regulatory region, a first promoter whose activity is regulated by the gene expression regulatory region, 1 reporter gene whose expression is regulated by activation of a promoter and which encodes a gene encoding a fluorescent protein and an enzyme involved in nutritional requirement; And (ii) a gene encoding a transcription regulatory factor which is regulated by the second promoter and the second promoter and binds to the gene expression regulatory region only in the presence of a phenolic compound to activate the first promoter A gene construct comprising a second genetic construct is transformed and does not contain a metagenomic gene,
Wherein the sensor cell in step (2) detects a phenolic compound produced outside the sensor cell, and detecting and detecting a novel microorganism strain derived from a natural organism having a target enzyme.
청구항 1에 있어서,
상기 단계 (2)는, 상기 목적 효소를 보유하고 있는 것으로 예상되는 자연계 미생물 균주 또는 이를 포함하는 자연계 유래 환경 시료를 상기 페놀-태그 기질 및 상기 센서 세포와 혼합하여 함께 공배양하는 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step (2) is a step of co-culturing a natural microorganism strain suspected of having the target enzyme or a naturally-occurring environmental sample containing the same, with the phenol-tag substrate and the sensor cell.
청구항 1에 있어서,
상기 단계 (2)는, 상기 목적 효소를 보유하고 있는 것으로 예상되는 자연계 미생물 또는 이를 포함하는 자연계 유래 환경 시료에 상기 페놀-태그 기질이 처리된 환경에서 배양하여 콜로니를 형성하는 단계; 및
상기 형성된 콜로니와 상기 센서 세포를 함께 공배양하는 단계;를 포함하는 방법.
The method according to claim 1,
The step (2) comprises: culturing a natural microorganism having the target enzyme or a naturally-occurring environmental sample containing the same in an environment treated with the phenol-tag substrate to form a colony; And
And co-culturing the formed colonies and the sensor cells together.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 영양물질은 글루탐산인 방법.
The method according to any one of claims 1 to 3,
Wherein the nutrient is glutamic acid.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 페놀계 화합물은 페놀, 2-클로로페놀, 2-요오드페놀, 2-플로로페놀, o-크레졸, 2-에틸페놀, m-크레졸, 2-니트로페놀, 카테콜, 2-메톡시페놀, 2-아미노페놀, 2,3-디클로로페놀, 3-클로로페놀, 2,3-디메틸페놀, 3-니트로페놀, 4-클로로페놀, p-크레졸, 2,5-디클로로페놀 및 2,5-디메틸페놀로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
The method according to any one of claims 1 to 3,
Wherein the phenolic compound is selected from the group consisting of phenol, 2-chlorophenol, 2-iodophenol, 2-fluorophenol, o-cresol, 2-ethylphenol, m-cresol, 2-nitrophenol, catechol, 2-aminophenol, 2,3-dichlorophenol, 3-chlorophenol, 2,3-dimethylphenol, 3-nitrophenol, 4- chlorophenol, p-cresol, 2,5-dichlorophenol and 2,5- Phenol. &Lt; / RTI &gt;
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 페놀-태그 기질은 페놀 히드록실기(hydroxy, -OH)가 수식된 에스테르(ester, -OOC-), 에테르(ether, -OC-), 글리코사이드(glycoside, -O-Glc), 인산에스테르(phospho-ester, -O-PO3), 오르토-, 메타-, 파라- 위치에 알킬(-CH3), 히드록실(-OH), 카르복실(-COOH), 아미노(-NH2), 티올(-SH), 아마이드(amide, -NH-CO- 또는 -CO-NH-), 설파이드(sulfide, -S-SH), 할로겐기(-Cl, -Br, -F)가 도입된 페놀 유도체 및 벤젠고리 화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
The method according to any one of claims 1 to 3,
The phenol-tagged substrate may be an ester (-OOC-), an ether (-OC-), a glycoside (-O-Glc), a phosphoric acid ester (phospho-ester, -O-PO3 ), ortho-, meta-, para-position on the alkyl (-CH 3), hydroxyl (-OH), carboxyl (-COOH), amino (-NH 2), thiol (-SH), amide (amide, -NH-CO- or -CO-NH-), sulfide (-S-SH), halogen group (-Cl, -Br, -F) Benzene ring compounds.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전사조절인자는 DmpR, DmpR 변이체, XylR, MopR, PhhR, PhlR 및 TbuT로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
The method according to any one of claims 1 to 3,
Wherein said transcriptional regulatory factor is selected from the group consisting of DmpR, DmpR mutants, XylR, MopR, PhhR, PhlR and TbuT.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 영양요구성에 관여하는 효소는 DAAT(D-amino acid aminotransferase) 효소인 방법.
The method according to any one of claims 1 to 3,
Wherein the enzyme involved in the nutritional requirement is a DAAT (D-amino acid aminotransferase) enzyme.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 프로모터는 슈도모나스의 dmpR 또는 dmp 오페론의 프로모터, 일반 단백질 발현용 프로모터, trc 프로모터, T7 프로모터, lac 프로모터, ara 프로모터 및 σ54-의존성 프로모터(PECO)로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
The method according to any one of claims 1 to 3,
Is selected from the group consisting of dependent promoter (PECO) - the first and the second promoter is a promoter, the promoter for general protein expression, trc promoter, T7 promoter, lac promoter, ara promoter and σ 54 of dmpR or dmp operon of Pseudomonas .
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유전자 발현 조절 부위는 리포터 단백질의 발현을 용이하게 해주는 RBS(Ribosome Binding Site) 및 전사종결인자로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 인자를 추가로 포함하는 방법.
The method according to any one of claims 1 to 3,
Wherein the gene expression regulatory region further comprises one or more factors selected from the group consisting of RBS (Ribosome Binding Site) and transcription termination factors that facilitate the expression of the reporter protein.
청구항 10에 있어서,
상기 전사종결인자는 rrnBT1T2 또는 tL3인 방법.
The method of claim 10,
Wherein said transcription termination factor is rrnBT1T2 or tL3.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 숙주세포는 세균, 진균, 식물세포 및 동물세포로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
The method according to any one of claims 1 to 3,
Wherein said host cell is selected from the group consisting of bacteria, fungi, plant cells and animal cells.
청구항 12에 있어서,
상기 세균은 대장균인 방법.
The method of claim 12,
Wherein the bacterium is E. coli.
청구항 12에 있어서,
상기 진균은 효모인 방법.
The method of claim 12,
Wherein the fungus is yeast.
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