KR101999782B1 - A novel endo-β-1,4-glucanases from metagenomic resources and method for preparing the same - Google Patents

A novel endo-β-1,4-glucanases from metagenomic resources and method for preparing the same Download PDF

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Abstract

본 발명은 메타게놈 유래 신규 엔도-베타-1,4-글루카나제 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 흑염소 반추위(rumen)에서 추출한 메타게놈 라이브러리로부터 선별된 신규한 엔도-베타-1,4-글루카나제, 이를 코딩하는 폴리뉴클레오티드 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 서열번호 1의 펩타이드는 우수한 엔도-베타-1,4-글루카나제 활성을 나타내기 때문에 미생물 공업 폐기물 처리, 펄프 및 종이의 잉크제거, 및 섬유 바이오폴리싱(biopolishing)에 사용될 수 있으며, 실질적으로 더 좋은 동물 사료의 생산, 맥주 양조 개선, β-글루칸 용액의 점도 감소 및 섬유 산업에서 바이오 피니싱(biofinishing)을 향상시키기 위해 유용하게 사용될 수 있다.
The present invention relates to a new endo-beta-1,4-glucanase derived from a metagenome and a method for producing the same, and more particularly to a novel endo-beta-1-glucanase derived from a metagenome library extracted from a black goat rumen , 4-glucanase, a polynucleotide encoding the same, and a method for producing the same.
Since the peptide of SEQ ID NO: 1 of the present invention exhibits excellent endo-beta-1,4-glucanase activity, it can be used for microbial industrial waste treatment, ink removal of pulp and paper, and fiber biopolishing, Can be usefully used to improve substantially the production of better animal feed, improved beer brewing, reduced viscosity of the beta -glucan solution, and biofinishing in the textile industry.

Description

메타게놈 유래 신규 엔도-베타-1,4-글루카나제 및 이의 제조방법{A novel endo-β-1,4-glucanases from metagenomic resources and method for preparing the same}A novel endo-β-1,4-glucanases derived from a metagenome and a method for preparing the same.

본 발명은 메타게놈 유래 신규 엔도-베타-1,4-글루카나제 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 흑염소 반추위(rumen)에서 추출한 메타게놈 라이브러리로부터 선별된 신규한 엔도-베타-1,4-글루카나제, 이를 코딩하는 폴리뉴클레오티드 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a new endo-beta-1,4-glucanase derived from a metagenome and a method for producing the same, and more particularly to a novel endo-beta-1-glucanase derived from a metagenome library extracted from a black goat rumen , 4-glucanase, a polynucleotide encoding the same, and a method for producing the same.

셀룰로오스는 식물 세포벽의 주요 폴리사카라이드 화합물이며, β-1,4 글리코시드 결합을 통해 연결된 셀로비오스의 반복 단위로 구성된다. 셀룰로오스는 자연에서 가장 풍부한 재생 가능한 생물자원으로 간주된다(Bhat and Bhat 1997). 셀룰라아제는 촉매 작용에 기초한 다음의 세 가지 종류로 분류 될 수 있다: 엔도-베타-1,4-글루카나제 (endo-β-1,4-glucanases, EC 3.2.1.4), 셀로비오하이드로라제(cellobiohydrolases, EC 3.2.1.91) 및 베타-글루코시다제(β-glucosidases, EC 3.2.1.21). 이들 중 엔도-베타-1,4-글루카나제 는 임의로 셀룰로오스 중합체 내부 비정질 사이트를 공격하며, 따라서 새로운 사슬 말단을 생성한다. 셀로비오하이드로라제를 셀룰로오스 중합체의 말단을 감소시키거나 감소시키지 않으면서 셀로비오스를 제거한다. 베타-글루코시다제는 시클로 덱스트린 및 셀로비오스를 글루코오스로 가수분해한다. 셀룰라아제는 사료, 식품, 에너지, 펄프 및 섬유를 다루는 다양한 산업 분야에서 많은 상업적인 관심을 불러 일으켰다. 세 셀룰라아제 중에서 엔도-베타-1,4-글루카나제는 임의의 길이의 작은 조각 셀룰로오스를 방출 할 수 있다. 따라서, 엔도-베타-1,4-글루카나제는 다양한 산업 분야에서 생명 공학적 가능성을 가지고 있다. 이 효소는 미생물 공업 폐기물 처리, 펄프 및 종이의 잉크제거, 및 섬유 바이오폴리싱(biopolishing)에 사용될 수 있다. 또한, 효소는 실질적으로 더 좋은 동물 사료의 생산, 맥주 양조 개선, β 글루칸 용액의 점도 감소 및 섬유 산업에서 바이오 피니싱(biofinishing)을 향상시키기 위해 사용될 수 있다.
Cellulose is the main polysaccharide compound in plant cell walls and is composed of repeating units of cellobiose linked via β-1,4 glycosidic bonds. Cellulose is considered the most abundant renewable biomass in nature (Bhat and Bhat 1997). Cellulases can be classified into three types based on catalysis: endo-beta-1,4-glucanases (EC 3.2.1.4), cellobiose hydro- lase (cellobiohydrolases, EC 3.2.1.91) and beta-glucosidases (EC 3.2.1.21). Of these, endo-beta-l, 4-glucanase optionally attacks the amorphous sites inside the cellulosic polymer and thus generates new chain ends. Cellobiose hydrolyzate removes cellobiose without reducing or reducing the ends of the cellulose polymer. Beta-glucosidase hydrolyzes cyclodextrin and cellobiose to glucose. Cellulase has attracted many commercial interests in a variety of industries covering food, food, energy, pulp and textiles. Of the three cellulases, endo-beta-1,4-glucanase can release small pieces of cellulose of any length. Therefore, endo-beta-1,4-glucanase has biotechnological potential in various industrial fields. The enzyme can be used for microbial industrial waste treatment, pulp and paper ink removal, and fiber biopolishing. Enzymes can also be used to substantially improve the production of better animal feed, improved beer brewing, reduced viscosity of the beta -glucan solution, and biofinishing in the textile industry.

셀룰라아제는 다양한 미생물 식물 및 동물에 의하여 제조될 수 있다. 초식동물의 반추위에서 공생 미생물은 셀룰로오스 고분자는 가수분해하고 발효시킬 수 있으며, 이에 따라 숙주는 분해하기 어려운 고분자로부터 에너지를 획득할 수 있다. 따라서 반추동물의 반추위 생태계는 이 생태계가 리그노셀룰로오스 식물 바이오매스의 활용에 적응했기 때문에 셀룰라아제의 매력적인 소스로 여겨진다.
Cellulase can be prepared by various microbial plants and animals. In symbiotic microbes in herbivore rumen, cellulosic polymers can be hydrolyzed and fermented, thus allowing the host to obtain energy from polymers that are difficult to break down. Thus, the rumen ecosystem of ruminants is considered to be an attractive source of cellulase because this ecosystem has adapted to the utilization of lignocellulose plant biomass.

한국흑염소는 나뭇잎, 줄기 등과 같은 초본 또는 목본을 주로 섭취하는 초식동물로 분류된다. 흑염소의 작은 반추위는 많은 허브를 섭취하는 것을 통하여 다른 더 큰 초식동물에 비하며 먹이의 입자가 신속하게 소화관을 통하여 이동할 수 있다. 따라서 흑염소의 반추위에는 다양한 환경 시스템이 존재할 것으로 예상되지만, 반추위 미생물 환경시스템이 매우 다양하더라도 반추위 미생물 대부분은 배양할 수 없다. 따라서, 실제로 배양되어 동정된 적이 없는 대다수 미생물의 효소를 찾으려는 노력이 필요하며, 이는 분자생물학적인 유전자 재조합 발현을 통하여 가능하리라 여겨지고 있다.
Korean black goats are classified as herbivores such as leaves, stems, and so forth. The small rumen of a black goat is consumed by many herbs and is comparable to other larger herbivores, and the particles of food can quickly move through the digestive tract. Therefore, although various environmental systems are expected to exist in the rumen rumen, most of the rumen microorganisms can not be cultured even if the rumen microbial environment system is very diverse. Therefore, efforts are needed to find the enzymes of the majority of microorganisms that have never actually been cultured and identified, which is believed to be possible through the expression of molecular biologic genetic recombination.

이러한 접근방법의 하나로 메타게놈(metagenome)에 관한 연구가 시도되고 있는데, 메타게놈은 자연계에 존재하는 모든 미생물의 유전체를 통칭하는 것으로 정의된다. 일반적으로, 메타게놈 연구는 자연계 시료로부터 미생물을 배양하지 않고 메타게놈을 분리한 후, 이들을 라이브러리로 작성하여 배양가능한 대장균에 도입하는 단계로 구성된다. 이는 배양이 불가능했던 미생물로부터 유용 산물을 확보하기 위한 방법으로, 유전자의 유래가 되는 미생물에 대한 정보는 얻기가 어려우나 미생물의 산물과 유전자를 동시에 확보할 수 있는 장점이 있다.
Metagenomes are defined as collecting genomes of all microorganisms that exist in the natural world. Generally, the metagenomic research consists of separating the metagenome without culturing the microorganism from the natural sample, and then preparing them as a library and introducing them into culturable Escherichia coli. This is a method for securing useful products from microorganisms that could not be cultured. It is difficult to obtain information on the microorganisms originating from the gene, but it has an advantage of securing the products and genes of microorganisms at the same time.

이에, 본 발명자들은 한국흑염소 반추위로부터 메타게놈 라이브러리 유래의 셀룰로오즈 분해효소를 선별하기 위해 예의 노력을 기울인 결과, 한국흑염소 반추위에서 추출한 메타게놈 라이브러리로부터 신규한 엔도-베타-1,4-글루카나제(endo-β-1,4-glucanases)를 선별하였으며, 이의 우수한 효소적 활성을 확인하고 본 발명을 완성하게 되었다.
As a result, the present inventors made intensive efforts to select a cellulolytic enzyme derived from a meta genome library from Korean black goat rumen. As a result, the present inventors have found that a novel endo-beta-1,4-glucanase endo-beta-1,4-glucanases), and their excellent enzymatic activity was confirmed, thereby completing the present invention.

따라서, 본 발명의 목적은 서열번호 1의 아미노산 서열을 포함하는 엔도-베타-1,4-글루카나제(endo-β-1,4-glucanases)를 제공하는 것이다.
Accordingly, an object of the present invention is to provide endo-beta-1,4-glucanases comprising the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1.

본 발명의 다른 목적은 상기 엔도-베타-1,4-글루카나제를 암호화하는 폴리뉴클레오티드를 제공하는 것이다.
Another object of the present invention is to provide a polynucleotide encoding said endo-beta-1,4-glucanase.

본 발명의 다른 목적은 상기 폴리뉴클레오티드를 포함하는 벡터를 제공하는 것이다.
Another object of the present invention is to provide a vector comprising the polynucleotide.

본 발명의 다른 목적은 상기 벡터로 형질전환된 재조합 미생물을 제공하는 것이다.
Another object of the present invention is to provide a recombinant microorganism transformed with said vector.

본 발명의 다른 목적은 (a) 제5항의 재조합 미생물을 배양하여 엔도-베타-1,4-글루카나제(endo-β-1,4-glucanases)를 생성시키는 단계; 및Another object of the present invention is to provide a method for producing endo-beta-1,4-glucanases by (a) culturing the recombinant microorganism of claim 5 to produce endo-beta-1,4-glucanases; And

(b) 상기 생성된 엔도-베타-1,4-글루카나제(endo-β-1,4-glucanases)를 수득하는 단계를 포함하는 제1항의 엔도-베타-1,4-글루카나제(endo-β-1,4-glucanases)의 제조방법을 제공하는 것이다.
beta-1, 4-glucanase of claim 1, comprising the step of (b) obtaining the endo-beta-1,4- endo -? - 1,4-glucanases.

상기 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 서열번호 1의 아미노산 서열을 포함하는 엔도-베타-1,4-글루카나제(endo-β-1,4-glucanases)를 제공한다.In order to accomplish the object of the present invention, the present invention provides endo-β-1,4-glucanases comprising the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1.

본 발명의 다른 목적은 상기 엔도-베타-1,4-글루카나제를 암호화하는 폴리뉴클레오티드를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a polynucleotide encoding said endo-beta-1,4-glucanase.

본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 상기 폴리뉴클레오티드를 포함하는 벡터를 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a vector comprising the polynucleotide.

본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 상기 벡터로 형질전환된 재조합 미생물을 제공한다.In order to accomplish another object of the present invention, there is provided a recombinant microorganism transformed with said vector.

본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 (a) 제5항의 재조합 미생물을 배양하여 엔도-베타-1,4-글루카나제(endo-β-1,4-glucanases)를 생성시키는 단계; 및According to another aspect of the present invention, there is provided a method for producing endo-beta-1,4-glucanases, comprising: (a) culturing the recombinant microorganism of claim 5 to produce endo-beta-1,4-glucanases; And

(b) 상기 생성된 엔도-베타-1,4-글루카나제(endo-β-1,4-glucanases)를 수득하는 단계를 포함하는 제1항의 엔도-베타-1,4-글루카나제(endo-β-1,4-glucanases)의 제조방법을 제공한다.
beta-1, 4-glucanase of claim 1, comprising the step of (b) obtaining the endo-beta-1,4- endo -? - 1,4-glucanases.

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

다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술 분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.
Unless otherwise defined, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. In general, the nomenclature used herein is well known and commonly used in the art.

본 발명은 서열번호 1의 아미노산 서열을 포함하는 엔도-베타-1,4-글루카나제(endo-β-1,4-glucanases)를 제공한다.
The present invention provides endo-beta-1,4-glucanases comprising the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1.

본 발명에서는 신규한 셀룰라아제(exocellulase)를 선별하기 위하여, 분자생물학적 방법(Sambrook etal., Molecularcloning, 1989)으로 메타게놈 DNA 라이브러리(metagenomic library)를 제작하였으며, 한국흑염소의 반추위(rumen)에서 메타게놈 라이브러리 제작을 위한 DNA를 추출하여 포스미드 라이브러리(fosmid library)를 구축하기 위해, 포스미드 벡터에 연결한 후 포스미드 라이브러리 컨스트럭션 키트에 포장하여 대장균(E. coli)에 형질도입하였다.
In the present invention, a metagenomic library was constructed using a molecular biological method (Sambrook et al., Molecular Cloning, 1989) to select a novel cellulase (exocellulase) In order to extract the DNA for production and construct a fosmid library, it was ligated to a phosphide vector and packed in a phosphide library construction kit and transfected into E. coli.

본 발명의 '메타게놈'은 "특정 자연환경에 존재하는 모든 미생물의 유전체 집합"으로 정의되고 있으며, 환경시료로부터 추출한 유전체 또는 유전자를 포함하는 클론을 총칭한다(Handelsman, J. etal., Chem Biol., 5:R245, 1998). 메타게놈 라이브러리는 일반적으로, 토양, 해수, 갯벌, 하천, 동물 장내 등 다양한 환경에 혼재되어 있는 수백억 개의 미생물로부터 유전체를 직접 추출하여 벡터에 삽입하여 클로닝을 하게 된다. 벡터(vector)로는 일반적으로 많이 사용되어온 플라스미드도 사용되고 있지만 보다 큰 크기의 유전자 또는 유전자 클러스터(gene cluster)를 클로닝할 수 있는 BAC, YAC, 포스미드(Fosmid), 코스미드(Cosmid) 등이 사용되고 있으며, 본 발명에서 사용한 '포스미드(Fosmid)'는 대략 37~52kb 크기의 유전자 또는 유전체를 삽입할 수 있으며 높은 형질전환 효율을 나타내는 장점이 있는 것으로 알려져 있다 (Alduina, R. etal., FEMSMicrobiolLett., 218:181, 2003).
The 'metagenome' of the present invention is defined as "a genome set of all microorganisms existing in a specific natural environment", and collectively refers to a genome or a genome-containing clone extracted from environmental samples (Handelsman, J. et al., Chem Biol , 5: R245,1998). The metagenomic library is usually cloned by inserting the genome directly into the vector, extracting the genome from tens of billions of microorganisms that are mixed in various environments such as soil, seawater, tidal flats, rivers, and animals. Although commonly used plasmids are used as vectors, BAC, YAC, Fosmid, Cosmid, etc., which can clone genes or gene clusters of a larger size, have been used , 'Fosmid' used in the present invention is known to be able to insert a gene or a dielectric of approximately 37 to 52 kb in size and has an advantage of exhibiting high transformation efficiency (Alduina, R. et al., FEMS Microbiol Lett., 218: 181, 2003).

본 발명의 상기 서열번호 1은 하기 아미노산 서열로 이루어진 펩타이드이다. 또한, 본 발명의 상기 펩타이드는 상기 서열번호 1의 특정 서열을 포함하며, N 말단 및/또는 C 말단에 1 내지 50개의 아미노산이 추가로 포함된 펩타이드를 포함하는 개념이다. 가장 바람직하게는, 상기 엔도-베타-1,4-글루카나제(endo-β-1,4-glucanases)는 서열번호 1의 아미노산 서열로 이루어진다.
SEQ ID NO: 1 of the present invention is a peptide consisting of the following amino acid sequence. In addition, the peptide of the present invention includes a peptide comprising the specific sequence of SEQ ID NO: 1 and further comprising 1 to 50 amino acids at the N-terminus and / or the C-terminus. Most preferably, the endo-beta-1,4-glucanases comprise the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1.

서열번호 1: SEQ ID NO: 1:

MNKNDERKGEATMNTCFDRHGALRVSGTQLLDEAERRVQLRGVSTLGLAWYPEYVNEAAFMNKNDERKGEATMNTCFDRHGALRVSGTQLLDEAERRVQLRGVSTLGLAWYPEYVNEAAF

RTLRDGWGANTVRLAMYTCESGGYMTGGDRAALEALIDRGVKLCAALGLYVIIDWHILSD RTLRDGWGANTVRLAMYTCESGGYMTGGDRAALEALIDRGVKLCAALGLYVIIDWHILSD

GDPNTHADAAEDFFGRISARYAGQPHVLYEICNEPNGPAATWPAVKRYARRIIPVIRANA GDPNTHADAAEDFFGRISARYAGQPHVLYEICNEPNGPAATWPAVKRYARRIIPVIRANA

PDAVILCGTPNWSQDVDLAAADPLDDGNLMYALHFYAATHKEALREKAERALAAGAPLFI PDAVILCGTPNWSQDVDLAAADPLDDGNLMYALHFYAATHKEALREKAERALAAGAPLFI

TEFSICDASGDGAIDYDSAAAWRALIAKHGLSYVAWSLSNRDESAALIRADCPRTSDWTD TEFSICDASGDGAIDYDSAAAWRALIAKHGLSYVAWSLSNRDESAALIRADCPRTSDWTD

DDLTDTGRWLKAALNEDRLQ
DDLTDTGRWLKAALNEDRLQ

본 발명의 일실시예에 따르면, 본 발명의 상기 서열번호 1의 아미노산 서열을 포함하는 펩타이드는 우수한 엔도-베타-1,4-글루카나제(endo-β-1,4-glucanases) 활성을 나타내었다. 또한, 상기 엔도-베타-1,4-글루카나제는 pH 5.0~7.0 및 30~50℃의 온도 조건에서 가장 우수한 활성을 나타내는 것으로 확인이 되었다.
According to one embodiment of the present invention, the peptide comprising the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1 of the present invention exhibits excellent endo-beta-1,4-glucanases activity . It was also confirmed that the endo-beta-1,4-glucanase exhibits the best activity at pH 5.0 to 7.0 and 30 to 50 ° C.

본 발명의 상기 엔도-베타-1,4-글루카나제(endo-β-1,4-glucanases)는 서열번호 1의 아미노산 서열을 갖는 펩타이드의 기능적 동등물을 포함하는 개념으로 이해된다. “기능적 동등물”이란 상기 서열번호 1의 펩타이드와 실질적으로 동질의 생리활성을 나타내는 펩타이드를 의미한다. “동질의 생리활성”이란 이성화 능력이 있으며, 적어도 60% 이상의, 바람직하게는 70%, 더욱 바람직하게는 90%이상의 아미노산 서열 상동성을 갖는 것을 말한다. 또한 "기능적 동등물"에는 천연형 단백질 아미노산 중 일부 또는 전부가 치환되거나, 아미노산의 일부가 결실 또는 부가된 아미노산 서열 변형체가 포함된다. 아미노산의 치환은 바람직하게는 보존적 치환이다. 천연에 존재하는 아미노산의 보존적 치환의 예는 다음과 같다; 지방족 아미노산(Gly, Ala, Pro), 소수성 아미노산(Ile, Leu, Val), 방향족 아미노산(Phe,Tyr, Trp), 산성 아미노산(Asp,Glu), 염기성 아미노산(His, Lys, Arg, Gln, Asn) 및 황함유 아미노산(Cys, Met).
The endo-beta-1,4-glucanases of the present invention are understood to include functional equivalents of peptides having the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1. &Quot; Functional equivalent " means a peptide exhibiting substantially the same physiological activity as the peptide of SEQ ID NO: 1. &Quot; Homologous physiological activity " refers to an isomerism capable of having an amino acid sequence homology of at least 60%, preferably 70%, more preferably 90% or more. "Functional equivalents" include amino acid sequence variants in which some or all of the native protein amino acids are substituted, or in which some of the amino acids are deleted or added. Substitution of amino acids is preferably conservative substitution. Examples of conservative substitutions of amino acids present in nature are as follows: (Gly, Ala, Pro), hydrophobic amino acids (Ile, Leu, Val), aromatic amino acids (Phe, Tyr, Trp), acidic amino acids (Asp, Glu), basic amino acids (His, Lys, Arg, Gln, Asn ) And sulfur-containing amino acids (Cys, Met).

본 발명의 상기 펩타이드는 당해 분야의 숙련가가 공지된 방법에 의하여 제조할 수 있다. 이러한 펩타이드는, 흔히 보다 큰 폴리펩타이드의 일부로서 본 발명의 펩타이드 서열을 암호화하는 폴리뉴클레오타이드를 발현시켜 원핵 또는 진핵 세포에서 생성시킬 수 있다. 다른 방법으로는, 이러한 펩타이드는 화학적 방법에 의해 합성할 수 있다. 재조합 숙주내의 이종성 단백질의 발현, 폴리펩타이드의 화학적 합성 및 시험관내 전사를 위한 방법은 당해 분야에 익히 공지되어 있으며 문헌(참조 문헌: Maniatis et al., Molecular Cloning: A Laboratory Manual (1989), 2nd Ed., Cold Sprin Harbor, N.Y.; Berger and Kimmel, Methods in Enzymology, Volume 152,Guide to Molecular Cloning Techniques (1987), Academic Press, Inc., San Diego, Calif.; Merrifield, J.(1969) J. Am. Chem. Soc. 91:501; Chaiken I.M. (1981) CRC Crit. Rev. Biochem. 11: 255; Kaiser et al.(1989) Ann. Rev. Biochem. 57:957; and Offord, R.E. (1980) Semisynthetic Proteins, Wiley Publishing)에 추가로 기재되어 있다.
The peptides of the present invention can be prepared by methods known to those skilled in the art. Such peptides can be produced in prokaryotic or eukaryotic cells by expressing polynucleotides encoding the peptide sequences of the invention, often as part of larger polypeptides. Alternatively, such peptides can be synthesized by chemical methods. Methods for expression of heterologous proteins in recombinant hosts, chemical synthesis of polypeptides and in vitro transcription are well known in the art and are described in Maniatis et al., Molecular Cloning: A Laboratory Manual (1989), 2nd Ed Merrifield, J. (1969) J. Am., J. Am. Chem. Soc., Vol. Rev. Biochem. 57: 957; and Offord, RE (1980) Semisynthetic < RTI ID = 0.0 > Proteins, Wiley Publishing).

본 발명은 상기 펩타이드를 암호화하는 폴리뉴클레오티드를 제공한다.
The present invention provides a polynucleotide encoding said peptide.

상기 “폴리뉴클레오티드 (polynucleotide)”는 단일가닥 또는 이중가닥 형태로 존재하는 데옥시리보뉴클레오티드 또는 리보뉴클레오티드의 중합체이다. RNA 게놈 서열, DNA(gDNA 및 cDNA) 및 이로부터 전사되는 RNA 서열을 포괄하며, 특별하게 다른 언급이 없는 한 천연의 폴리뉴클레오티드의 유사체를 포함한다.
The " polynucleotide " is a polymer of deoxyribonucleotides or ribonucleotides present in single-stranded or double-stranded form. RNA genomic sequences, DNA (gDNA and cDNA) and RNA sequences transcribed therefrom, and include analogs of natural polynucleotides unless otherwise specified.

상기 폴리뉴클레오티드는 상기 펩타이드를 코딩하는 뉴클레오티드 서열뿐만 아니라, 그 서열에 상보적인(complementary) 서열도 포함한다. 상기 상보적인 서열은 완벽하게 상보적인 서열뿐만 아니라, 실질적으로 상보적인 서열도 포함한다. 이는 당업계에 공지된 가혹 조건 (stringent conditions) 하에서, 서열번호 1의 아미노산 서열을 포함하는 엔도-베타-1,4-글루카나제(endo-β-1,4-glucanases)을 코딩하는 뉴클레오티드 서열과 혼성화될 수 있는 서열을 의미한다.
The polynucleotide includes not only a nucleotide sequence encoding the peptide but also a sequence complementary to the sequence. The complementary sequence includes not only perfectly complementary sequences but also substantially complementary sequences. It is known that under stringent conditions known in the art, a nucleotide sequence encoding endo-beta-1,4-glucanases comprising the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1 ≪ RTI ID = 0.0 > and / or < / RTI >

또한 상기 폴리뉴클레오티드는 변형될 수 있다. 상기 변형은 뉴클레오티드의 추가, 결실 또는 비보존적 치환 또는 보존적 치환을 포함한다. 상기 아미노산 서열을 코딩하는 폴리뉴클레오티드는 상기 뉴클레오티드 서열에 대하여 실질적인 동일성을 나타내는 뉴클레오티드 서열도 포함하는 것으로 해석된다. 상기의 실질적인 동일성은,상기 뉴클레오티드 서열과 임의의 다른 서열을 최대한 대응되도록 얼라인하고, 당업계에서 통상적으로 이용되는 알고리즘을 이용하여 얼라인된 서열을 분석한 경우에, 최소 80%의 상동성, 최소 90%의 상동성 또는 최소 95%의 상동성을 나타내는 서열일 수 있다.
The polynucleotide may also be modified. Such modifications include addition, deletion or non-conservative substitution or conservative substitution of nucleotides. The polynucleotide encoding the amino acid sequence is also interpreted to include a nucleotide sequence that exhibits substantial identity to the nucleotide sequence. The above substantial identity is determined by aligning the nucleotide sequence with any other sequence as closely as possible, and analyzing the aligned sequence using algorithms commonly used in the art to obtain a sequence having at least 80% homology, At least 90% homology or at least 95% homology.

바람직하게, 본 발명의 상기 서열번호 1의 아미노산 서열을 포함하는 엔도-베타-1,4-글루카나제를 암호화하는 폴리뉴클레오티드는 서열번호 2의 염기서열로 표시되는 것을 특징으로 할 수 있다.
Preferably, the polynucleotide encoding endo-beta-1,4-glucanase comprising the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1 of the present invention is characterized by being represented by the nucleotide sequence of SEQ ID NO:

본 발명은 상기 폴리뉴클레오티드를 포함하는 벡터를 제공한다.
The present invention provides a vector comprising the polynucleotide.

용어 "벡터(vector)"는 숙주 세포에서 목적 유전자를 발현시키기 위한 수단을 의미한다. 예를 들어, 플라스미드벡터, 코즈미드 벡터 및 박테리오파아지 벡터, 아데노바이러스 벡터, 레트로바이러스 벡터 및 아데노-연관 바이러스 벡터와 같은 바이러스 벡터를 포함한다. 상기 재조합 벡터로 사용될 수 있는 벡터는 당업계에서 종종 사용되는 플라스미드 (예를 들면, pSC101, pGV1106, pACYC177, ColE1, pKT230, pME290, pBR322, pUC8/9, pUC6,pBD9, pHC79, pIJ61, pLAFR1, pHV14, pGEX 시리즈, pET 시리즈 및 pUC19 등), 파아지 (예를 들면, λgt4λB,λ-Charon, λΔz1 및 M13 등) 또는 바이러스 (예를 들면, CMV, SV40 등)를 조작하여 제작될 수 있다.
The term "vector" means means for expressing a gene of interest in a host cell. For example, viral vectors such as plasmid vectors, cosmid vectors and bacteriophage vectors, adenovirus vectors, retroviral vectors, and adeno-associated viral vectors. The vector that can be used as the recombinant vector may be a plasmid (for example, pSC101, pGV1106, pACYC177, ColE1, pKT230, pME290, pBR322, pUC8 / 9, pUC6, pBD9, pHC79, pIJ61, pLAFR1, pHV14 , pGEX series, pET series, and pUC19), phage (e.g.,? gt4? B,? -charon,?? z1 and M13) or viruses (e.g., CMV, SV40 and the like).

상기 재조합 벡터에서 서열번호 1의 아미노산 서열을 코딩하는 폴리뉴클레오티드는 프로모터에 작동적으로 연결될 수 있다. 용어 "작동적으로 연결된(operatively linked)"은 뉴클레오티드 발현 조절 서열(예를 들면, 프로모터 서열)과 다른 뉴클레오티드 서열 사이의 기능적인 결합을 의미한다. 따라서, 이에 의해 상기 조절 서열은 상기 다른 뉴클레오티드 서열의 전사 및/또는 해독을 조절할 수 있다.
The polynucleotide encoding the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1 in the recombinant vector may be operatively linked to a promoter. The term "operatively linked" refers to the functional linkage between a nucleotide expression control regulatory sequence (e.g., a promoter sequence) and another nucleotide sequence. Thus, the regulatory sequence may thereby regulate transcription and / or translation of the other nucleotide sequence.

상기 재조합 벡터는, 전형적으로 클로닝을 위한 벡터 또는 발현을 위한 벡터로서 구축될 수 있다. 상기 발현용 벡터는 당업계에서 식물, 동물 또는 미생물에서 외래의 단백질을 발현하는데 사용되는 통상의 것을 사용할 수 있다. 상기 재조합 벡터는 당업계에 공지된 다양한 방법을 통해 구축될 수 있다.
The recombinant vector can typically be constructed as a vector for cloning or as a vector for expression. The expression vector may be any conventional vector used in the art to express foreign proteins in plants, animals or microorganisms. The recombinant vector may be constructed by a variety of methods known in the art.

상기 재조합 벡터는 원핵 세포 또는 진핵 세포를 숙주로 하여 구축될 수 있다. 예를 들어, 사용되는 벡터가 발현 벡터이고, 원핵 세포를 숙주로 하는 경우에는, 전사를 진행시킬 수 있는 강력한 프로모터 (예를 들어, pLλ프로모터, trp 프로모터, lac 프로모터, tac 프로모터, T7 프로모터 등), 해독의 개시를 위한 라이보좀 결합 자리 및 전사/해독 종결 서열을 포함하는 것이 일반적이다. 진핵 세포를 숙주로 하는 경우에는, 벡터에 포함되는 진핵 세포에서 작동하는 복제원점은 f1 복제원점, SV40 복제원점, pMB1 복제원점, 아데노 복제원점, AAV 복제원점, CMV 복제원점 및 BBV 복제원점 등을 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 포유동물 세포의 게놈으로부터 유래된 프로모터 (예를 들어, 메탈로티오닌 프로모터) 또는 포유동물 바이러스로부터 유래된 프로모터(예를 들어, 아데노바이러스 후기 프로모터, 백시니아 바이러스 7.5K 프로모터, SV40 프로모터, 사이토메갈로바이러스 (CMV) 프로모터 및 HSV의 tk 프로모터)가 이용될 수 있으며, 전사 종결 서열로서 폴리아데닐화 서열을 일반적으로 갖는다.
The recombinant vector may be constructed with prokaryotic or eukaryotic cells as hosts. For example, when the vector used is an expression vector and a prokaryotic cell is used as a host, a strong promoter capable of promoting transcription (for example, pL? Promoter, trp promoter, lac promoter, tac promoter, T7 promoter, etc.) , A ribosome binding site for initiation of translation, and a transcription / translation termination sequence. When the eukaryotic cell is used as a host, the origin of replication that functions in the eukaryotic cells contained in the vector is f1 replication origin, SV40 replication origin, pMB1 replication origin, adeno replication origin, AAV replication origin, CMV replication origin, and BBV replication origin But is not limited thereto. Also, promoters derived from the genome of mammalian cells (e.g., metallothionein promoter) or mammalian viruses (e.g., adenovirus late promoter, vaccinia virus 7.5K promoter, SV40 promoter, The cytomegalovirus (CMV) promoter and the tk promoter of HSV) can be used, and generally have a polyadenylation sequence as a transcription termination sequence.

본 발명은 상기 벡터로 형질전환된 재조합 미생물을 제공한다.
The present invention provides a recombinant microorganism transformed with said vector.

본 발명의 상기 재조합 미생물은 당업계에 공지된 어떠한 숙주 세포도 이용할 수 있으며, 원핵 세포로는, 예를 들어, E. coli JM109, E. coli BL21, E. coli RR1, E. coli LE392, E. coli B, E. coli X 1776, E. coli W3110, 바실러스 서브틸리스, 바실러스 츄린겐시스와 같은 바실러스 속 균주, 그리고 살모넬라 티피무리움, 세라티아 마르세슨스및 다양한 슈도모나스 종과 같은 장내균과 균주 등이 있으며, 진핵 세포에 형질 전환시키는 경우에는 숙주 세포로서, 효모(Saccharomyce cerevisiae), 곤충 세포, 식물 세포 및 동물 세포, 예를 들어, SP2/0, CHO(Chinesehamster ovary) K1, CHO DG44, PER.C6, W138, BHK, COS-7, 293, HepG2, Huh7, 3T3, RIN 및 MDCK 세포주 등이 이용될 수 있다.
The recombinant microorganism of the present invention may be any host cell known in the art and includes, for example, E. coli JM109, E. coli BL21, E. coli RR1, E. coli LE392, E Bacillus strains such as E. coli B, E. coli X 1776, E. coli W3110, Bacillus subtilis and Bacillus tulifene, and enterobacteria and strains such as Salmonella typhimurium, Serratia marcesensis and various Pseudomonas species Saccharomyce cerevisiae, insect cells, plant cells and animal cells such as SP2 / 0, CHO (Chinese hamster ovary) K1, CHO DG44, PER, and the like are used as host cells when transforming eukaryotic cells. C6, W138, BHK, COS-7, 293, HepG2, Huh7, 3T3, RIN and MDCK cell lines.

상기 폴리뉴클레오티드 또는 이를 포함하는 재조합 벡터의 재조합 미생물 내로의 삽입은, 당업계에 널리 알려진 삽입 방법을 사용할 수 있다. 상기 운반 방법은 예를 들어, 재조합 미생물이 원핵 세포인 경우, CaCl2 방법 또는 전기천공 방법 등을 사용할 수 있고, 재조합 미생물이 진핵 세포인 경우에는, 미세 주입법, 칼슘 포스페이트 침전법, 전기 천공법, 리포좀-매개 형질감염법 및 유전자 밤바드먼트 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정하지는 않는다. E.coli 등의 미생물을 이용하는 경우 생산성은 동물세포 등에 비하여 높은 편이나 당화 (glycosylation) 문제로 인해 온전한 (intact) Ig 형태의 항체 생산에는 적당하지 않지만, Fab 및 Fv와 같은 항원 결합 단편의 생산에는 사용될 수 있다.
The insertion of the polynucleotide or a recombinant vector containing the polynucleotide into a recombinant microorganism can be carried out using an insertion method well known in the art. For example, when the recombinant microorganism is a prokaryotic cell, the CaCl2 method or the electroporation method may be used. When the recombinant microorganism is a eukaryotic cell, the microinjection method, the calcium phosphate precipitation method, the electroporation method, the liposome -Mediated transfection, and gene bombardment, but are not limited thereto. When E. coli and other microorganisms are used, the productivity is higher than that of animal cells, but it is not suitable for intact Ig-type antibody production due to glycosylation problems. However, production of antigen-binding fragments such as Fab and Fv Can be used.

상기 형질 전환된 숙주 세포를 선별하는 방법은 선택 표지에 의해 발현되는 표현형을 이용하여, 당업계에 널리 알려진 방법에 따라 용이하게 실시할 수 있다. 예를 들어, 상기 선택 표지가 특정 항생제 내성 유전자인 경우에는, 상기 항생제가 함유된 배지에서 형질전환체를 배양함으로써 형질전환체를 용이하게 선별할 수 있다.
The method of selecting the transformed host cells can be easily carried out according to a method widely known in the art by using a phenotype expressed by a selection marker. For example, when the selection mark is a specific antibiotic resistance gene, the transformant can be easily selected by culturing the transformant in a medium containing the antibiotic.

본 발명은 또한 (a) 상기 재조합 미생물을 배양하여 엔도-베타-1,4-글루카나제(endo-β-1,4-glucanases)를 생성시키는 단계; 및(b) 상기 생성된 엔도-베타-1,4-글루카나제(endo-β-1,4-glucanases)를 수득하는 단계를 포함하는 제1항의 엔도-베타-1,4-글루카나제(endo-β-1,4-glucanases)의 제조방법을 제공한다.
The present invention also provides a method for producing endo-beta-1,4-glucanases, comprising: (a) culturing the recombinant microorganism to produce endo-beta-1,4-glucanases; Beta-1, 4-glucanases of claim 1, comprising the steps of: (a) obtaining endo-beta-1,4-glucanases; (endo -? - 1,4-glucanases).

본 발명의 서열번호 1의 펩타이드는 우수한 엔도-베타-1,4-글루카나제 활성을 나타내기 때문에 미생물 공업 폐기물 처리, 펄프 및 종이의 잉크제거, 및 섬유 바이오폴리싱(biopolishing)에 사용될 수 있으며, 실질적으로 더 좋은 동물 사료의 생산, 맥주 양조 개선, β-글루칸 용액의 점도 감소 및 섬유 산업에서 바이오 피니싱(biofinishing)을 향상시키기 위해 유용하게 사용될 수 있다.
Since the peptide of SEQ ID NO: 1 of the present invention exhibits excellent endo-beta-1,4-glucanase activity, it can be used for microbial industrial waste treatment, ink removal of pulp and paper, and fiber biopolishing, Can be usefully used to improve substantially the production of better animal feed, improved beer brewing, reduced viscosity of the beta -glucan solution, and biofinishing in the textile industry.

도 1은 본 발명에 따른 KG35 엔도-베타-1,4-글루카나제 GH5 도메인의 다중정렬을 다른 동종 GH5 단백질 도메인들과 함께 나타낸 것이다. 보다 구체적으로, KG35 엔도-베타-1,4-글루카나제 내에서 GH5 계통 도메인의 아미노산 서열을 하기 미생물들로부터 유래한 동종 효소의 GH5 계통 도메인과 함께 정렬하였다(GH5 도메인의 시그니쳐 서열을 회색으로 음영처리 하였음, 별표 아래의 Glu 잔기는 catalytic site를 의미한다) : Eubacterium cellulosolvens (WP_051527028.1), Agathobacter rectalis (WP_055222932.1), Roseburia inulinivorans (WP_055169535.1), Agathobacter rectalis (WP_012741522.1), Ruminococcus torques (WP_055163516.1), Eubacterium rectale CAG:36 (CDC71888.1), Roseburia inulinivorans (WP_055040325.1), and Lachnospiraceae bacterium C6A11 (WP_051646390.1).
도 2는 대장균 Rosetta-gami에서 과발현한 재조합 KG35 엔도-베타-1,4-글루카나제의 PAGE 분석을 나타낸 도면이다(Lane M: 단백질 분자량 마커, Lane 1: 유도 전 cell-free 전추출물, Lane 2: 유도 후 가용성 분획, Lane 3: 정제된 KG35 엔도-베타-1,4-글루카나제, Lane 4: 0.1% CMC를 포함하는 폴리아크릴아마이드겔에서 KG35 엔도-베타-1,4-글루카나제의 자이모그램 분석).
도 3은 재조합 KG35 엔도-베타-1,4-글루카나제의 활성에 대한 pH(A) 또는 온도(B)의 영향을 분석한 결과이다. 보다 구체적으로,
도 3A는 효소활성을 50℃에서 15분간 표시된 pH 범위(4.0~10.0)에서 측정한 결과이며, 각각의 pH에서 사용된 버퍼는 다음과 같다: 0.1 M sodium acetate (pH 4.0~6.0, ●), 0.1 M sodium phosphate (pH 6.0~8.0, ○), 0.1 M Tris-HCl (pH 8.0~9.0, ▼), and 0.1 M glycine-NaOH (pH 9.0 ~ 10.0, △).
도 3B는 효소활성을 100 mM 소디움 포스페이트 버퍼(pH 7.0)에서 15분간 표시된 온도 범위(20-70℃)에서 측정한 결과이다.
도 4는 재조합 KG35 엔도-베타-1,4-글루카나제의 안정성에 대한 pH(A) 또는 온도(B)의 영향을 분석한 결과이다. 보다 구체적으로,
도 3A는 효소의 안정성을 50℃에서 15분간 표시된 pH 범위(4.0~10.0)에서 측정한 결과이며, 각각의 pH에서 사용된 버퍼는 다음과 같다: 0.1 M sodium acetate (pH 4.0 ~ 6.0, ●), 0.1 M sodium phosphate (pH 6.0 ~ 8.0, ○), 0.1 M Tris-HCl (pH 8.0 ~ 9.0, ▼), and 0.1 M glycine-NaOH (pH 9.0 ~ 10.0, △).
도 3B는 효소의 안정성을 100 mM 소디움 포스페이트 버퍼(pH 7.0)에서 15분간 표시된 온도 범위(20-70℃)에서 측정한 결과이다.
Figure 1 shows multiple alignments of the KG35 endo-beta-1,4-glucanase GH5 domain according to the invention, along with other homologous GH5 protein domains. More specifically, the amino acid sequence of the GH5 lineage domain in KG35 endo-beta-1,4-glucanase was aligned with the GH5 lineage domain of the homologous enzyme from the following microorganisms (the signature sequence of the GH5 domain is shown in gray The Glu residues under the asterisks indicate catalytic sites): Eubacterium cellulosolvens (WP_051527028.1), Agathobacter rectalis (WP_055222932.1), Roseburia inulinivorans (WP_055169535.1), Agathobacter rectalis (WP_012741522.1), Ruminococcus torques (WP_055163516.1), Eubacterium rectale CAG : 36 (CDC71888.1), Roseburia inulinivorans (WP_055040325.1), and Lachnospiraceae bacterium C6A11 (WP_051646390.1).
FIG. 2 shows PAGE analysis of recombinant KG35 endo-beta-1,4-glucanase overexpressed in E. coli Rosetta-gami (Lane M: protein molecular weight marker, Lane 1: cell-free pre- 2: soluble fractions after induction, Lane 3: KG35 endo-beta-1,4-glucanase in polyacrylamide gels containing purified KG35 endo-beta-1,4-glucanase, Lane 4: Analysis of the presenter anemogram).
Figure 3 shows the results of analysis of the effect of pH (A) or temperature (B) on the activity of recombinant KG35 endo-beta-1,4-glucanase. More specifically,
FIG. 3A shows the results of measurement of the enzyme activity at 50 ° C. for 15 minutes in the indicated pH range (4.0 to 10.0). The buffer used at each pH was as follows: 0.1 M sodium acetate (pH 4.0 to 6.0, 0.1 M sodium phosphate (pH 6.0 to 8.0,?), 0.1 M Tris-HCl (pH 8.0 to 9.0,?), And 0.1 M glycine-NaOH (pH 9.0 to 10.0,?).
Fig. 3B shows the results of measurement of the enzyme activity in the indicated temperature range (20-70 DEG C) for 15 minutes in 100 mM sodium phosphate buffer (pH 7.0).
Figure 4 shows the results of analysis of the effect of pH (A) or temperature (B) on the stability of recombinant KG35 endo-beta-1,4-glucanase. More specifically,
Figure 3A shows the stability of the enzyme measured at 50 ° C. for 15 minutes in the indicated pH range (4.0-10.0). The buffers used at each pH are as follows: 0.1 M sodium acetate (pH 4.0-6.0, , 0.1 M sodium phosphate (pH 6.0 to 8.0, ∘), 0.1 M Tris-HCl (pH 8.0 to 9.0, ▼), and 0.1 M glycine-NaOH (pH 9.0 to 10.0, Δ).
FIG. 3B shows the stability of the enzyme measured in 100 mM sodium phosphate buffer (pH 7.0) for 15 minutes in the indicated temperature range (20-70 DEG C).

이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.

(1) 실험동물의 처치 및 군 유전체학 (1) Treatment of experimental animals and group genomics 포스미드Fosmid 라이브러리의 구축 Building the Library

모든 동물 연구 및 운영절차는 한국, 수원, 농촌진흥청의 동물과학 연구소에서 검토되고 승인하였다(No. 2009-007, D-grade, surgery). 18개월 된 두 마리의 수컷과 한 마리의 암컷으로 구성된 3마리의 한국 흑염소는 국립 동물과학연구소에서 입수하였으며, 반추위의 미생물의 섬유소 적응을 극대화 하기 위하여 1개월간 볏짚과 미네랄 보충제가 공급되었다. 세마리의 흑염소의 반추위 내용물은 도축 이후 수집되었으며, 이후 섬유-부착 미생물과 액체분획 관련 미생물을 분리하였다. 군 유전체학 DNA는 헥사데실 트리메틸 암모늄 브로마이드(hexadecyl trimethyl ammonium bromide) 및 소듐 도데실 설파이트(sodium dodecyl sulfate)를 이용하여 각 분획이 추출되었다(CTAB-SDS) (Zhou et al. 1996). 하인드Ⅲ(HindⅢ)로 부분적으로 소화하여 얻어지는 약 40kb의 DNA단편은, 제조업체의 지시에 따라 pCC1FOS 벡터에 기초하여 카피콘트롤 포스미드(CopyControl Fosmid) 라이브러리 제작 키트를 이용하여 군 유전체학 포스미드(fosmid) 라이브러리를 구성하는데 사용되었다. 다른 재조합 포스미드(fosmids)를 운반하는 E. coli DH5TM (Life Technologies, Carlsbad, CA, USA)의 형질은 384-웰 플레이트에 옮겨졌으며, -70℃에서 보관되었다. 라이브러리의 일부분은 엔도-베타-1,4-글루카나아제의 활성을 선별하기 위한 클로람페미콜(chloramphenicol, 15ig/mL) 및 0.2% 카르목시메틸 셀룰로오스(carboxymethyl cellulose, CMC; Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA)가 공급된 루리아-버타니(Luria-Bertani, LB)한천 플레이트에 확산되었다. 37℃에서 18시간 동안 배양한 이후 모든 플레이트는 30분 동안 0.2%의 콩고 레드(Congo red)로 염색하고 1M NaCl용액으로 세척하였다. 섬유소 활동을 가지는 포스미드(fosmid) 클론은 붉은 배경에 CMC의 가수분해를 나타내는 콜로니의 맑은 영역을 형성하는 것으로 검출되었다. All animal research and operation procedures were reviewed and approved by the Animal Science Research Institute of Korea, Suwon, and Rural Development Administration (No. 2009-007, D-grade, surgery). Three Korean black goats consisting of two males and one female of 18 months old were obtained from the National Institute of Animal Science and were supplied with rice straw and mineral supplements for one month in order to maximize the fibrin adaptation of the rumen microorganisms. The rumen contents of the three goats were collected after slaughter, and then the fiber-adherent microorganisms and liquid fraction-related microorganisms were isolated. Each genomic DNA was extracted from each fraction using hexadecyl trimethyl ammonium bromide and sodium dodecyl sulfate (CTAB-SDS) (Zhou et al. 1996). A DNA fragment of about 40 kb obtained by partially digesting with HindIII was amplified using a copy control Fosmid library preparation kit based on pCC1FOS vector according to the manufacturer's instructions and a group genomic phosmid library . The traits of E. coli DH5TM (Life Technologies, Carlsbad, Calif., USA) carrying other recombinant fosmids were transferred to 384-well plates and stored at -70 ° C. A portion of the library contains chloramphenicol (15 g / mL) and 0.2% carboxymethyl cellulose (CMC; Sigma-Aldrich, Germany) to select the activity of endo-beta-1,4- (LB) agar plate fed with a buffer solution (LB, St. Louis, Mo., USA). After incubation at 37 ° C for 18 hours, all plates were stained with 0.2% Congo red for 30 min and washed with 1 M NaCl solution. A fosmid clone with fibrin activity was detected to form a clear region of the colonies representing the hydrolysis of CMC on a red background.

115,200 클론을 포함하는 군 유전체학 포스미드 라이브러리가 흑염소의 반추위 미생물로 구성되었다. NotI 제한 분석은 평균 삽입 크기가 일반적으로 31kb라고 나타났다(데이터 없음). 카르복시 메틸 셀룰라아제 (CMCase) 활동을 표현하는 총 155개의 독립적인 포스미드 클론이 두 개의 라이브러리에서 확인되었다. 그 중 하나의 포스미드 클론(Ad125D08)은 CMC를 포함하는 스크리닝 플레이트 상에서 가장 큰 명확한 영역을 형성하였으며, 다른 분석을 위하여 선택되었다.
A group genomic phosmid library containing 115,200 clones was constructed of a black goat rumen microorganism. The NotI restriction analysis showed that the average insertion size was typically 31kb (no data). A total of 155 independent phosmid clones expressing carboxymethylcellulase (CMCase) activity were identified in two libraries. One of the phosphide clones (Ad125D08) formed the largest specific region on the screening plate containing CMC and was selected for further analysis.

(2) 효소 양성 (2) Enzyme positive FosmidFosmid 클론의  Clone's 샷건shotgun 시퀀싱 Sequencing

샷건 시퀀싱 및 분자 분석은 효소 양성 포스미드 클론 내에서 셀룰라아제의 유전자를 지역화하고 효과적인 생화학 적 특성에 대한 유전자를 서브 클로닝하기 위해 수행되었다. 섬유소 포스미드 클론 Ad125D08 운반 박테리아는 25㎍/㎖의 클로람페니콜을 함유하는 LB배지 100㎖에서 37℃에서 20시간 동안 배양하였다. 세포를 4℃에서 15분 동안 6000Xg에서 원심 분리하여 수거하였다. DNA는 Qiagen Plasmid Midi Kit (Qiagen, Valencia, CA, USA)를 이용하여 추출하였으며, 두 가지 접근법(기존의 Sanger 시퀀싱 및 파이로시퀀싱)을 포함하는 샷건 시퀀싱을 수행하였다. 센거(Sanger) 방법에 의한 샷건 시퀀싱을 위하여 15㎍의 섬유소 포스미드 클론 DNA가 2~3kb의 임의의 조각을 얻기 위해 사용되었다. 조각화는 하기의 파라미터를 가지는 HydroShear DNA Shearing Device (Genomic Solution, Waltham, MA, USA)이용하여 수행되었다: 샘플 부피 200㎕, 스피드코드 11, 및 20쉐어링 사이클. 작은 DNA 조각은 CHROMA SPIN+TE1000 column (BD Biosciences Clontech, Heidelberg, Germany)을 이용하여 제거되었으며, 이어서 DNA 폴리머라제 및 폴리 뉴클레오티드 키나제를 이용한 방법으로 복구되었다. 제조된 DNA 단편은 pUC19의 Smal사이트에 탈인산화하여 결찰하였다. 결찰 생성물은 전기를 이용하여 대장균 DH10B에 도입되었다. 샷건 DNA 라이브러리에 약 192개의 재조합 플라스미드를 시퀀싱을 위하여 무작위 선택했다. 각 플라스미드 DNA는 양방향으로 ABI 3730 automatic sequencer의 BigDye Terminator v3.1 Cycle Sequencing Kit (Applied Biosystems, Foster, CA, USA) 을 이용하여 시퀀싱하였다. 시퀀스 데이터는 Phred 및 phrap 소프트웨어로 분석하였다. 다른 하나의 파이로 시퀀싱은 GS Junior sequencing system(Roche Diagnotics, Oakland, CA, USA)에서 수행하였다. 간략하게, 500ng의 포스미드 DNA 샘플은 분무에 의하여 단편화되었으며, 작은 단편은 Agencourt AMPure XP bid(Beckman-Coulter, Beverly, MA, USA)에 의하여 제거되었다. RL어뎁터는 조각난 DNA를 결찰하였으며 이후 Agilent 2100 Bioanalyzer(Agilent Technologies, Palo Alto, CA, USA)에 의하여 정량되었다. 이 라이브러리는 워터-인 오일(water-in-oil) 에멀전 마이크로 리엑터의 켑쳐 비드상에서 클론화하여 증폭되었다. 50만개의 농축된 비드는 피코틸터플레이트(PicoTiterPlate) 장치에 증착되었으며, GS Junior 장치로 파이로 시퀀싱되었다. 파이로 시퀀싱 데이터는 GS De Novo Assembler, version 2.7를 이용하여 분석되었다.
Shotgun sequencing and molecular analysis were performed to localize the gene for cellulase within the enzyme-positive phospho-clone and to subclone the gene for effective biochemical properties. The fibrin phosphide clone Ad125D08 carrying bacteria was cultured in 100 ml of LB medium containing 25 占 퐂 / ml of chloramphenicol at 37 占 폚 for 20 hours. Cells were harvested by centrifugation at 6000 xg for 15 min at 4 < 0 > C. DNA was extracted using Qiagen Plasmid Midi Kit (Qiagen, Valencia, Calif., USA) and shotgun sequencing was performed with two approaches (conventional Sanger sequencing and pyrosequencing). For shotgun sequencing by the Sanger method, 15 μg of fibrin phosmid clone DNA was used to obtain an arbitrary fragment of 2-3 kb. Fragmentation was performed using a HydroShear DNA Shearing Device (Genomic Solution, Waltham, Mass., USA) with the following parameters: sample volume 200 μl, speed code 11, and 20 shearing cycles. Small DNA fragments were removed using a CHROMA SPIN + TE1000 column (BD Biosciences Clontech, Heidelberg, Germany) followed by DNA polymerase and polynucleotide kinase. The prepared DNA fragment was dephosphorylated and ligated to the Smal site of pUC19. The ligation product was introduced into E. coli DH10B using electricity. Approximately 192 recombinant plasmids were randomly selected for sequencing in the shotgun DNA library. Each plasmid DNA was sequenced bi-directionally using the ABI 3730 automatic sequencer BigDye Terminator v3.1 Cycle Sequencing Kit (Applied Biosystems, Foster, CA, USA). Sequence data were analyzed using Phred and phrap software. The other pyrosequencing was performed on a GS Junior sequencing system (Roche Diagnostics, Oakland, CA, USA). Briefly, 500 ng of the phosphide DNA sample was fragmented by spraying and the small fragment was removed by Agencourt AMPure XP bid (Beckman-Coulter, Beverly, MA, USA). RL adapters were ligated with fragmented DNA and quantified by Agilent 2100 Bioanalyzer (Agilent Technologies, Palo Alto, Calif., USA). This library was amplified by cloning on capture beads of a water-in-oil emulsion microreactor. Five hundred thousand concentrated beads were deposited on a PicoTiterPlate device and pyrosequenced with a GS Junior device. Pyrosequencing data was analyzed using GS De Novo Assembler, version 2.7.

효소 양성 포스미드 클론의 염기서열은 센거(Sanger) 방법을 이용한 샷건 시퀀싱 및 파이로시퀀싱을 이용하여 결정되었다. 센거 방법을 이용한 기존 샷건 시퀀싱의 2.7배 범위로 수행되었으며, ~300kb의 파이로 시퀀싱이 생산되었다. 따라서, 42.453kb 중 하나의 콘티그는 pCC1FOS 벡터 시퀀스 없이 얻을 수 있었다. 서른 네 개의 ORFs가 포스미드 클론 Ad125D08의 인접 서열에서 예측되었으며, 셀룰라아제 도메인 (KG35 유전자)을 함유하는 ORF가 클론 내에서 식별 및 분리되었다.
The nucleotide sequence of the enzyme-positive phosmid clone was determined using shotgun sequencing and pyrosequencing using the Sanger method. It was performed in the range of 2.7 times of the conventional shotgun sequencing using the Senter method, and the ~ 300kb pyrosequencing was produced. Thus, one contig of 42.453 kb could be obtained without the pCC1FOS vector sequence. Thirty-four ORFs were predicted in the flanking sequence of the phosphide clone Ad125D08, and the ORF containing the cellulase domain (KG35 gene) was identified and isolated within the clone.

(3) 효소 양성 (3) Enzyme positive 포스미드Fosmid 클론의 분자분석 Molecular analysis of clones

센거(Sanger) 방법을 이용한 전통적인 샷건 시퀀싱 및 파이로 시퀀싱을 통한 모든 콘티그는 SeqMan software in Lasergene version 7을 이용하여 모든 군 유전체학-인서트 DNA 시퀀스를 구성하기 위해 조합하였다. 각 인접 유전자 예측은 MetaGeneMark의 기본 매개 변수를 사용하여 수행하였다. 기능 주석은 Pfam 웹 사이트(http://pfam.sanger.ac.uk)에 Pfam 도메인을 검색하여 수행하였다. 효소 양성 포스미드 클론 Ad125D08 의 뉴틀레오티드 시퀀스로부터 추론된 아미노산 시퀀스는 식별된 오픈리딩 프레임(ORFs)으로부터 유래한 아미노산 시퀀스와 가장 유사한 단백질을 찾기 위하여 BlastP on the NCBI웹사이트(http://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast/)를 이용하여 분석되었다. ORF와 다른 단백질의 서열로부터 추론된 아미노산 서열 중 다중 정렬은 ClustalW 소프트웨어(http://www.ebi.ac.uk/Tools/msa/clustalw2/)를 이용하여 수행되었다. PROSITE 데이터베이스 (http://prosite.expasy.org/)는 모듈 구조 및 효소의 특성 서열을 예측하기 위해 사용되었다. N-말단 영역은 신호 펩타이드 서열을 위한 Signal IP 소프트웨어(http://www.cbs.dtu.dk/services/SignalP/) 및 막 횡단 영역을 위한 HMMTOP 2.0 소프트웨어(http://www.enzim.hu/hmmtop/html/submit.html)로 분석 하였다.
All contiguous sequences from traditional shotgun sequencing and pyrosequencing using the Sanger method were combined to construct all the family genomic-insert DNA sequences using SeqMan software in Lasergene version 7. Each adjacent gene prediction was performed using the basic parameters of MetaGeneMark. Function annotations were performed by searching the Pfam domain on the Pfam website (http://pfam.sanger.ac.uk). The amino acid sequence deduced from the nucleotide sequence of the enzyme-positive phosphite clone Ad125D08 was cloned using the BlastP on the NCBI website (http: // blast.cn) to find the protein most similar to the amino acid sequence from the identified open reading frames (ORFs). ncbi.nlm.nih.gov/Blast/). Multiple alignments of amino acid sequences deduced from sequences of ORFs and other proteins were performed using ClustalW software (http://www.ebi.ac.uk/Tools/msa/clustalw2/). The PROSITE database (http://prosite.expasy.org/) was used to predict the module structure and the characterization sequence of the enzyme. The N-terminal region includes Signal IP software (http://www.cbs.dtu.dk/services/SignalP/) for signal peptide sequences and HMMTOP 2.0 software for the transmembrane domain (http://www.enzim.hu /hmmtop/html/submit.html).

KG35 유전자의 시퀀스 분석결과, 35.1kDa 및 5pI의 분자량으로 예측된 단일 ORF는 963 bp의 길이이며, 320 개 아미노산 잔기의 단일 폴리 펩타이드를 인코딩 것으로 나타났다. 시그널 IP(Signal IP) 및 HMMTOP 2.0은 알려진 신호 펩타이드 서열 또는 KG35 단백질에 횡단 영역을 감지 할 수 없었다. PROSITE 데이터베이스 모듈 구조 탐색은 KG35 단백질이 보존된 (아미노산) 서명 시퀀스 VLYEICNEPN과 GH5 셀룰라아제 촉매 도메인을 포함하고, 그 두 번째의 Glu 잔기가 촉매 역할을 하는 것으로 가정될 것을 예측하였다(도 1). GH5 군 셀룰라아제는 보존된 아미노산 서열 시퀀스 패턴[LIV]-[LIVMFYWGA](2)-[DNEQG]-[LIVMGST]-{SENR}-N-E-[PV]-[RHDNSTLIVFY]을 포함하는 것이 보고되어 있다.
Sequence analysis of the KG35 gene revealed that a single ORF predicted at molecular weights of 35.1 kDa and 5 pI is 963 bp long and encodes a single polypeptide of 320 amino acid residues. Signaling IP (Signal IP) and HMMTOP 2.0 were not able to detect a transient region in a known signal peptide sequence or KG35 protein. The PROSITE database module structure search predicted that the KG35 protein contains the conserved (amino acid) signature sequence VLYEICNEPN and the GH5 cellulase catalytic domain and that the second Glu residue is assumed to act as a catalyst (FIG. 1). The GH5 family cellulases have been reported to contain conserved amino acid sequence patterns [LIV] - [LIVMFYWGA] (2) - [DNEQG] - [LIVMGST] - {SENR} -NE- [PV] - [RHDNSTLIVFY].

KG35 단백질의 보존된 시그니쳐 시퀀스는 상술한 GH5 군의 시그니쳐 시퀀스 패턴에 위치 될 것이다. 이 결과는 KG35 단백질이 확실히 GH5 군 셀룰라아제에 강한 관계를 가지는 것으로 보여진다. GenBank 데이터베이스에 등록되어있는 다른 단백질들과 KG35 단백질의 아미노산 시퀀스와 대비되는 BlastP search는 이 단백질이 Eubacterium cellulosolvens (WP_051527028.1)에서 유래한 단백질과 최대 58%의 유사성을 가지는 것으로 나타났으며, 다양한 미생물 종에서 다른 GH5 가족 단백질 동족체와 다양한 미생물 종에서 유래한 다른 GH5 군 단백질 동족체와 더 적은 서열 동일성을 공유하는 것으로 나타났다(표 1). 이 상동 단백질의 아미노산 서열은 또한 GH5 군 효소 가운데 보존된 특징적인 기능을 갖는 것으로 밝혀졌다(도 1). 전체적으로 KG35 엔도-베타-1,4-글루카나아제 단백질은 동종 효소와 최대 58 %의 아미노산 서열 동일성이 있었으며, 이는 발견된 엔도-베타-1,4-글루카나아제가 신규한 아미노산 서열을 가지는 것을 의미한다.
The conserved signature sequence of the KG35 protein will be located in the signature sequence pattern of the GH5 group described above. This result clearly shows that KG35 protein is strongly related to GH5 cellulase. The BlastP search, compared to the amino acid sequence of the KG35 protein with other proteins registered in the GenBank database, showed that this protein has a similarity of up to 58% with proteins derived from Eubacterium cellulosolvens (WP_051527028.1) Species shares less sequence identity with other GH5 family protein homologs and other GH5 family protein homologs from various microbial species (Table 1). The amino acid sequence of this homologous protein was also found to have characteristic functions that were conserved among GH5 family enzymes (Fig. 1). Overall, the KG35 endo-beta-l, 4-glucanase protein was up to 58% homologous to the homologous enzyme, indicating that the endo-beta-l, 4-glucanase found has a novel amino acid sequence it means.

Figure 112017028793933-pat00001
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(4) 재조합 (4) Recombination KG35KG35 엔도-베타-1,4-  Endo-beta-1,4- 글루카나아제의Glucanase 이종 발현 및 정제 Heterologous expression and purification

KG35 유전자 (추정의 셀룰라아제 유전자의 완전한 ORF)은 PCR을 이용하여 효소-양성 포스미드 클론 Ad125D08로부터 증폭 하였다. 앰플 리콘은 발현 벡터 pET24 (Novagen, Darmstadt, Germany) 내로 결찰시키고, 생성된 재조합 벡터를 대장균 Rosetta-gamiTMNovagen)로 도입하였다. 형질전환된 대장균 세포에 의하여 생성된 효소의 섬유소 활성을 위한 추가적인 스크리닝을 위하여 동일한 CMC 한천 플레이트 법이 콩고 레드 염색 이후 콜로니 주위에 투명 영역을 조사하는데 사용되었다. 섬유소 대장균 세포는 암피실린(100㎍/mL)과 함께 10mL의 슈퍼 옵티말 브로스(Super Optimal Broth, SOB)에 37℃에서 성장시켰으며, 형질 전환 유전자 발현을 0.2mM의 이소프로필-베타-D-1-티오갈락토파이라노사이드(isopropyl β-D-1-thiogalactopyranoside, IPTG)로 600nm에서의 세포의 흡광도가 0.5에 도달할 때까지 유도하였다. 26℃에서 6시간 동안 배양 한 후, 세포를 수확하고, 50mM 트리스-염산 완충액(pH-7.0)에서 재현탁하였으며, 39%의 진폭의 초음파를 이용하여 5회 각 30초간 분산(750 Watt ultrasonic processor; SONICS, Newtown, CT, USA)하였다. 과잉 발현 된 단백질은 Chelating Excellose¢c Spin Kit(Bioprogen, Daejeon, South Korea)를 사용하여 생성된 무세포 추출물로부터 정제되었다. 정제 된 단백질중 2㎕는 효소 활성을 확인하기 위하여 CMC 아가 플레이트에 분주하였다. 단백질은 레밀리(Laemmli, 1970)의 방법을 이용하여 SDS 폴리 아크릴 아미드 겔 전기 영동 (SDS-PAGE)으로 분리하고, 단백질 농도를 Bradford Protein Assay Kit(Bio-Rad)을 이용하여 측정하였다.
The KG35 gene (the complete ORF of the putative cellulase gene) was amplified from the enzyme-positive phosphide clone Ad125D08 using PCR. The amplicon was ligated into the expression vector pET24 (Novagen, Darmstadt, Germany) and the resulting recombinant vector was introduced into E. coli Rosetta-gamiTMNovagen. For further screening for the fibrinolytic activity of the enzyme produced by the transformed E. coli cells, the same CMC agar plate method was used to illuminate the transparent region around the colony after Congo red staining. Fibroblast E. coli cells were grown in 10 mL of Super Optimal Broth (SOB) at 37 DEG C with ampicillin (100 mu g / mL) and transgene expression was measured with 0.2 mM isopropyl-beta-D- D-1-thiogalactopyranoside (IPTG) until the absorbance of the cells at 600 nm reached 0.5. Cells were harvested, resuspended in 50 mM Tris-HCl buffer (pH-7.0), dispersed 5 times for 30 seconds each with ultrasound of 39% amplitude (750 Watt ultrasonic processor ; SONICS, Newtown, CT, USA). Overexpressed proteins were purified from cell-free extracts generated using the Chelating Excellose Spin Kit (Bioprogen, Daejeon, South Korea). 2 [mu] l of the purified protein was dispensed into CMC agar plates to confirm enzyme activity. Proteins were separated by SDS polyacrylamide gel electrophoresis (SDS-PAGE) using the method of Lemmli (1970) and the protein concentration was measured using the Bradford Protein Assay Kit (Bio-Rad).

재조합 KG35 엔도-베타-1.4-글루코나제의 지모그람(Zymogram)분석은 변성조건 하에서 0.1% CMC를 함유하는 10 % 폴리아크릴아미드 겔을 사용하여 수행하였다. 효소의 SDS를 제거하기 위해, 겔을 변성 완충액 (50 mM의 인산 나트륨, pH 7.0)에 하루 밤 동안 침지시켰다. 세척 단계 후, 젤을 1 시간 동안 37℃의 50 mM의 인산 나트륨 완충액(pH 7.0)과 함께 배양시키고, 30 분 동안 1 % 콩고 레드용액으로 염색하였다. 탈색 명확한 영역이 관찰 될 때까지 1M NaCl 용액을 사용하여 수행하였다.
Zymogram analysis of recombinant KG35 endo-beta-1,4-gluconase was performed using 10% polyacrylamide gel containing 0.1% CMC under denaturing conditions. To remove the SDS of the enzyme, the gel was immersed in denaturing buffer (50 mM sodium phosphate, pH 7.0) overnight. After the washing step, the gel was incubated with 50 mM sodium phosphate buffer (pH 7.0) at 37 ° C for 1 hour and stained with 1% Congo red solution for 30 minutes. Decolorization was carried out using 1 M NaCl solution until a clear area was observed.

추정되는 엔도-베타-1,4-글루카나아제 유전자(KG35 유전자)를 포스미드 클론 Ad125D08으로부터 증폭시키고 발현 벡터 pET24a(+)에 클로닝시켰다. 생성 된 재조합 벡터를 효소 발현을 위해 E. coli Rosetta-gamiTM에도입 하였다. 효소는 C 말단 6xHis 태그를 가진 가용성 단백질로 과다 발현되고, His tag : Chelating Excellose¢cSpin kit (Bioprogen)에 대한 친화도 컬럼 키트를 사용하여 천연 조건 하에서 정제되었다. 정제된 재조합 KG35 엔도-베타-1,4-글루카나아제 단백질의 SDS-PAGE 분석은 겔상에서 겉보기 분자량 35kDa를 갖는 단일 밴드를 나타냈다(도 2). 지모그람(Zymogram)분석은 동일한 분자량에 해당하는 단일 밴드가 활성 엔도-베타-1,4-글루카나아제의 밴드임을 확인하였다 (도 2).
The putative endo-beta-1,4-glucanase gene (KG35 gene) was amplified from the fosmid clone Ad125D08 and cloned into the expression vector pET24a (+). The resulting recombinant vector was introduced into E. coli Rosetta-gamiTM for enzyme expression. The enzyme was overexpressed as a soluble protein with a C-terminal 6xHis tag and purified under natural conditions using an affinity column kit for the His tag: Chelating Excellose cSpin kit (Bioprogen). SDS-PAGE analysis of the purified recombinant KG35 endo-beta-1,4-glucanase protein revealed a single band with an apparent molecular weight of 35 kDa on the gel (FIG. 2). Zymogram analysis confirmed that a single band corresponding to the same molecular weight was a band of active endo-beta-1,4-glucanase (FIG. 2).

(5) 재조합 (5) Recombination KG35KG35 엔도-베타-1,4- Endo-beta-1,4- 글루카나제의Glucanase 효소 특성 Enzyme property

다양한 기재를 이용하여 정제된 재조합 KG35 엔도-베타-1,4-글루카나제의 구체적인 활동은 다음의 표준 조건하에서 평가하였다. 본 연구에 사용된 기판은 베타-만난(β-mannan), p-니트로-D-글루코피라노시드(p-nitrophenyl-D-glucopyranoside), 및 p-니트로페닐-D-셀로비오사이드(p-nitrophenyl-D-cellobioside)로 부터 유래한 CMC 베얼리 글루칸(barley glucan), 라미나린(laminarin), 아비셀(avicel), 버치우드(birchwood)에서 유래한 자일란(xylan)이었다. 모든 분석에서 적절하게 희석한 효소 용액 10㎕를 각 기판의 1 %(W/V)를 함유하는 인산 나트륨 완충액 200㎕ (PH 7.0)에 첨가하였다. 효소 반응은 50℃ (각기 다른 반응 시간)에서 진행시켰다 : 15분 CMC, 글루칸, 라미라닌, 아비셀; 10분 버치우드에서 유래한 자일란 및 베타-만난; 20분 P-니트로-D-글루코피라노시드 및 p-니트로 페닐-D-셀로비오사이드. 특정 활성은 단백질 밀리그램 당 활성 단위의 수로서 정의되었다. 효소 활성의 한 단위는 효소의 양이 분당 환원당 및 1μmol 방출로 정의 하였다. 또한, 기판 등의 발색 당 유도체(p-nitrophenyl-D-glucopyranoside and p-nitrophenyl-D-cellobioside)로 향하는 효소 활성 1 단위는 분당 P 니트로 페놀 1μmol을 해제하는 데 필요한 효소의 양으로 정의 하였다. 릴리스 환원당 및 p-니트로 페놀의 양은 각각 540 또는 400nm에서 흡광도를 측정하여 결정 하였다. 모든 분석은 삼중으로 수행하였다.
The specific activities of the purified recombinant KG35 endo-beta-1,4-glucanase using various substrates were evaluated under the following standard conditions. The substrates used in this study were beta-mannan, p-nitrophenyl-D-glucopyranoside, and p-nitrophenyl-D-cellrobioside (p (xylan) derived from CMC barley glucan, laminarin, avicel and birchwood, which are originated from -nitrophenyl-D-cellobioside. In all assays, 10 μl of the appropriately diluted enzyme solution was added to 200 μl of sodium phosphate buffer (pH 7.0) containing 1% (w / v) of each substrate. Enzyme reactions proceeded at 50 ° C (different reaction times): 15 minutes CMC, glucan, ramirainin, avicel; Xylen and beta-mannan from 10 minutes Birchwood; 20 min P-nitro-D-glucopyranoside and p-nitrophenyl-D-cellrobioside. The specific activity was defined as the number of active units per milligram of protein. One unit of enzyme activity was defined as the amount of enzyme reduced by reducing sugar per minute and 1 μmol release. In addition, one unit of the enzyme activity toward the substrate (p-nitrophenyl-D-glucopyranoside and p-nitrophenyl-D-cellobioside) was defined as the amount of enzyme required to release 1 μmol of P nitrophenol per minute. The amounts of release reducing sugar and p-nitrophenol were determined by measuring the absorbance at 540 or 400 nm, respectively. All analyzes were performed in triplicate.

최적 pH는 100mM 아세트산나트륨 완충액(pH 4.0~6.0), 100mM 인산나트륨 완충액(pH 6.0~8.0), 100mM Tris-HCl 완충액(pH 8.0~9.0), 또는 100mM의 글리신-수산화나트륨 완충액(pH 9.0~10.0)에서 15 분 동안 50℃에서 정제된 재조합 KG35 엔도-베타-1,4-글루카나제의 효소 활성을 분석하여 결정하였다. 최적의 온도를 결정하기 위해, 효소 활성은 20-70℃에 이르기까지의 온도에서 15 분 동안 100mM의 인산 나트륨 완충액 (pH 7.0)으로 분석 하였다. 모든 분석은 삼중으로 수행하였다. 효소는 pH4.0~10.0 범위에서 24 시간 동안 4℃에서 사전 배양 한 후, pH의 안정성을 평가 하였다. 효소를 상술 한 다양한 온도에서 100 mM의 인산 나트륨 완충액 (pH 7.0)에서 1 시간 동안 사전 인큐베이션 한 다음 열 안정성을 평가 하였다. 모든 분석은 삼중으로 수행하였다.
The optimum pH was determined by adding 100 mM sodium acetate buffer solution (pH 4.0 to 6.0), 100 mM sodium phosphate buffer solution (pH 6.0 to 8.0), 100 mM Tris-HCl buffer solution (pH 8.0 to 9.0), or 100 mM glycine- ) For 15 min at < RTI ID = 0.0 > 50 C < / RTI > by assaying the enzymatic activity of the recombinant KG35 endo-beta-l, 4-glucanase purified. To determine the optimal temperature, the enzyme activity was analyzed with 100 mM sodium phosphate buffer (pH 7.0) for 15 minutes at temperatures up to 20-70 ° C. All analyzes were performed in triplicate. The enzyme was preincubated at 4 ° C for 24 hours at pH 4.0 to 10.0, and the stability of pH was evaluated. The enzyme was preincubated for 1 hour in 100 mM sodium phosphate buffer (pH 7.0) at various temperatures as described above, and the thermal stability was evaluated. All analyzes were performed in triplicate.

정제 된 재조합 KG35 엔도-베타-1,4-글루카나제의 다양한 생화학 적 기능을 특성화 하였다. 첫째, 다양한 기질에 대한 기질 특이성이 결정되었다 (표 2).
The various biochemical functions of the purified recombinant KG35 endo-beta-1,4-glucanase were characterized. First, substrate specificity for various substrates was determined (Table 2).

Figure 112017028793933-pat00002
Figure 112017028793933-pat00002

엔도-베타-1,4-글루카나제는 CMC (8.40 U / mg) 및 보리 글루칸 (5.40 U / mg)에 대해 강한 특이적 활성을 보였다. 대조적으로, 이 효소는 라미라닌(laminarin, 0.48U/mg), p-니트로페닐-D-셀로비오사이드(p-nitrophenyl-D-cellobioside, 0.51U/mg) 및 아비셀(avicel, 0.12U/mg)에 대해서는 미량의 활성을 보였다. 또한, 엔도-베타-1,4-글루카나제는 p-니트로-D-글루코피라노시드, 버치우드(birchwood)에서 유래한 자일란(xylan) 또는 만난을 가수 분해 할 수 없었다.
Endo-beta-1,4-glucanase showed strong specific activity against CMC (8.40 U / mg) and barley glucan (5.40 U / mg). In contrast, the enzyme was found to contain laminarin (0.48 U / mg), p-nitrophenyl-D-cellobioside (0.51 U / mg) and avicel (0.12 U / mg). < / RTI > In addition, endo-beta-l, 4-glucanase was unable to hydrolyze p-nitro-D-glucopyranoside, xylan derived from birchwood or mannan.

CMC와 보리 글루칸은 주로 β-1,4-글리코시드 결합을 기반으로 하고 비정질 구조를 가지고 있어 재조합 KG35 엔도-베타-1,4-글루카나제의 기질로서 가장 유리한 것으로 나타났다. 베타-1,3/1,6-글루코사이드 본드(β-1,3/1,6-glycosidic bond)를 함유한 비정질 라미라닌과 버치우드(birchwood)에서 유래한 자일란(xylan) 또는 베타-만난을 포함한 헤미셀룰로오스(hemicelluloses)는 재조합 KG35 엔도-베타-1,4-글루카나제의 특이 기질이 아니었다. 아비셀은 주로 β-1,4- 글리코시드 결합을 포함하고 있지만,이 효소에 의해 효율적으로 가수 분해되지는 않았다. 아비셀은 다른 수용성 셀룰로오스 기질이하는 것처럼 β-1,4-글리코시드 결합을 포함하고 있지만, 셀룰라아제의 셀룰로오스 결합 도메인이 가수 분해 반응에 관여할 때 효율적으로 가수 분해 될 수 있는 결정 구조를 가지고 있다 (Bolam et al., 1998; Linder et al., 1996). 그럼에도 불구하고, 서열 분석은 KG35 엔도-베타-1,4-글루카나제의 어떠한 셀룰로오스 결합 도메인도 검출 할 수 없었다. 이 영역이 없다는 것은 아비셀에 대한 약한 활성을 설명할 수 있었다. 이 연구에서 사용된 두 개의 합성 기질에 대해 p-니트로페닐-D-셀로비오사이드와 p-니트로-D-글루코피라노시드 는 각각 엑소-글루카나제와 글루코시다제의 합성 기질이다 (Mukund et al., 1983; Wesley and Donal 1982). 따라서, 재조합 KG35 엔도-베타-1,4-글루카나제는 약간의 엑소-글루카나아제 활성을 나타내었고 β-글루코시다아제 활성을 나타내지 않았다. 기질 특이성에 대한 이러한 모든 결과는 KG35 셀룰라아제가 셀룰로오스의 비정질 영역의 β-1,4-글리코시드 결합을 가수 분해할 가능성이 높으며 결과적으로 엔도-베타-1,4-글루카나제로서 기능한다는 것을 나타낸다.
CMC and barleyglucan are mainly based on β-1,4-glycosidic bonds and have an amorphous structure, which is most favorable as a substrate for recombinant KG35 endo-beta-1,4-glucanase. (Xylan) or beta-mannan from amorphous laminarin containing beta-1,3 / 1,6-glycosidic bonds and birchwood Containing hemicelluloses was not a specific substrate of recombinant KG35 endo-beta-1,4-glucanase. Although Avicel mainly contains a? -1,4-glycoside bond, it was not efficiently hydrolyzed by this enzyme. Although Avicel contains β-1,4-glycosidic bonds as other water-soluble cellulose substrates do, it has a crystal structure that can be efficiently hydrolyzed when the cellulase binding domain of the cellulase participates in the hydrolysis reaction (Bolam et al., 1998; Linder et al., 1996). Nevertheless, sequencing was unable to detect any cellulosic binding domain of KG35 endo-beta-1,4-glucanase. The absence of this region could explain the weak activity against avicel. For the two synthetic substrates used in this study, p-nitrophenyl-D-cellrobioside and p-nitro-D-glucopyranoside are synthetic substrates of exo-glucanase and glucosidase, respectively (Mukund et al., 1983; Wesley and Donal 1982). Thus, the recombinant KG35 endo-beta-1,4-glucanase showed some exo-glucanase activity and did not exhibit the? -Glucosidase activity. All these results for substrate specificity indicate that KG35 cellulase is highly likely to hydrolyze the? -1,4-glycoside bond of the amorphous region of cellulose and consequently functions as endo-beta-1,4-glucanase .

재조합 효소의 최적 pH와 온도는 다양한 pH와 온도 조건에서 결정되었다 (도 3).Optimal pH and temperature of the recombinant enzyme were determined at various pH and temperature conditions (Fig. 3).

재조합 KG35 엔도-베타-1,4-글루카나제의 CMC에 대한 최적 pH 및 온도는 각각 약 6.0-7.0 및 30-50℃인 것으로 나타났다. 또한, 효소 안정성은 다양한 pH 및 온도 조건 하에서 시험되었다 (도 4).
The optimal pH and temperature for CMC of recombinant KG35 endo-beta-1,4-glucanase were found to be about 6.0-7.0 and 30-50 ° C, respectively. In addition, enzyme stability was tested under various pH and temperature conditions (Figure 4).

엔도-베타-1,4-글루카나제는 pH 5.0-7.0에서 24 시간 배양 한 후 70 % 이상의 활성을 유지했다. 동일한 효소는 30-50℃에서 1-H 배양 후 열 안정성을 보였으나 50℃ 이상에서 1 시간 배양 한 후 60 % 이상의 활성을 잃었다. 우리의 경험적 데이터는 집합 적으로 재조합 효소가 최적의 pH와 온도 범위 내에서 각각 pH와 온도 안정성을 유지함을 나타냈다. 재조합 효소의 최적 및 안정성 특성은 다른 반추 동물의 반추위 미생물로부터의 다른 셀룰라아제의 최적 및 안정성 특성과 거의 유사 하였다. 반추위 미생물의 다른 셀룰라아제는 5 ~ 7의 최적 pH 범위와 50℃에 가까운 최적 온도를 갖는 것으로 보고되었다 (Nguyen et al. 2012; Xia et al. 2012; Zhao et al. 2010). 또한, 반추위 상주 균주의 셀룰라아제는 5.0에서 7.0 사이의 pH 범위와 30에서 50℃의 온도 범위에서 70 %의 활성을 유지한다고 보고되었다 (Xia et al. 2012). 반추 동물의 반추위 pH는 식이 조건 하에서 5 ~ 7 미만이며, 반추위의 온도는 38~41℃이다 (Mackie et al., 1999). Ruminal-bacteria cellulase의 셀룰로오스 반응은 배양에서 pH 6.5-7.0에서 상대적으로 강하다는 것이 보고 되었지만, 배양 pH가 감소함에 따라 반응은 약화되었다 (Russell and Dombrowski 1980).
Endo-beta-1,4-glucanase maintained activity over 70% after incubation at pH 5.0-7.0 for 24 hours. The same enzymes showed thermal stability after 1-H incubation at 30-50 ° C, but lost more than 60% activity after 1 hour incubation at 50 ° C or higher. Our empirical data have shown that recombinant enzymes collectively maintain pH and temperature stability within the optimal pH and temperature ranges, respectively. The optimum and stability characteristics of recombinant enzyme were similar to those of other cellulases from other ruminant ruminal microorganisms. Other cellulases of rumen microbes have been reported to have an optimum pH range of 5 to 7 and an optimal temperature close to 50 ° C (Nguyen et al., 2010; Zhao et al. Cellulase of the ruminal strain was also reported to maintain 70% activity in the pH range of 5.0 to 7.0 and the temperature range of 30 to 50 ° C (Xia et al. 2012). The ruminal pH of ruminants is below 5 to 7 under dietary conditions and the temperature of the rumen is 38 to 41 ° C (Mackie et al., 1999). The cellulose reaction of ruminal-bacterial cellulase was reported to be relatively strong at pH 6.5-7.0 in culture, but the reaction weakened with decreasing culture pH (Russell and Dombrowski 1980).

KG35 엔도-베타-1,4-글루카나제는 재조합 KG35 엔도-베타-1,4-글루카나제가 염소를 포함한 반추 동물의 반추위 pH와 온도 조건에서 상대적으로 높은 활성과 안정성을 보였던 pH와 온도 조건이 일치하기 때문에 검은 염소의 반추위 환경에 잘 적응할 것으로 보인다. 위의 관찰은 왜 재조합 KG35 엔도-베타-1,4-글루카나제가 산성 / 알칼리성 pH 또는 강한 비 생리 학적 온도보다 온화한 산성 / 중성 pH 및 적당한 온도에서 기능을 하는지 설명할 수 있다.
KG35 endo-beta-1,4-glucanase was found to have a relatively high activity and stability at pH and temperature conditions of rumen rats including recombinant KG35 endo-beta-1,4-glucanase This match seems to fit well into the rumen environment of black goats. The above observation can explain why recombinant KG35 endo-beta-l, 4-glucanase functions at a mild acid / neutral pH and moderate temperature than acid / alkaline pH or strong non-physiological temperature.

이상으로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하였다. 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above. It will be understood by those of ordinary skill in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the present invention as defined by the appended claims.

따라서 본 발명의 범위는 상술한 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미, 범위, 및 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
Therefore, the scope of the present invention is defined by the appended claims rather than the foregoing detailed description, and all changes or modifications derived from the meaning, range, and equivalence of the claims are included in the scope of the present invention. .

<110> Kyonggi University Industry & Academia Cooperation Foundation <120> A novel endo-beta-1,4-glucanases from metagenomic resources and method for preparing the same <130> NP16-08127 <160> 2 <170> KoPatentIn 3.0 <210> 1 <211> 320 <212> PRT <213> Artificial Sequence <220> <223> Endo-beta-1,4-glucanase <400> 1 Met Asn Lys Asn Asp Glu Arg Lys Gly Glu Ala Thr Met Asn Thr Cys 1 5 10 15 Phe Asp Arg His Gly Ala Leu Arg Val Ser Gly Thr Gln Leu Leu Asp 20 25 30 Glu Ala Glu Arg Arg Val Gln Leu Arg Gly Val Ser Thr Leu Gly Leu 35 40 45 Ala Trp Tyr Pro Glu Tyr Val Asn Glu Ala Ala Phe Arg Thr Leu Arg 50 55 60 Asp Gly Trp Gly Ala Asn Thr Val Arg Leu Ala Met Tyr Thr Cys Glu 65 70 75 80 Ser Gly Gly Tyr Met Thr Gly Gly Asp Arg Ala Ala Leu Glu Ala Leu 85 90 95 Ile Asp Arg Gly Val Lys Leu Cys Ala Ala Leu Gly Leu Tyr Val Ile 100 105 110 Ile Asp Trp His Ile Leu Ser Asp Gly Asp Pro Asn Thr His Ala Asp 115 120 125 Ala Ala Glu Asp Phe Phe Gly Arg Ile Ser Ala Arg Tyr Ala Gly Gln 130 135 140 Pro His Val Leu Tyr Glu Ile Cys Asn Glu Pro Asn Gly Pro Ala Ala 145 150 155 160 Thr Trp Pro Ala Val Lys Arg Tyr Ala Arg Arg Ile Ile Pro Val Ile 165 170 175 Arg Ala Asn Ala Pro Asp Ala Val Ile Leu Cys Gly Thr Pro Asn Trp 180 185 190 Ser Gln Asp Val Asp Leu Ala Ala Ala Asp Pro Leu Asp Asp Gly Asn 195 200 205 Leu Met Tyr Ala Leu His Phe Tyr Ala Ala Thr His Lys Glu Ala Leu 210 215 220 Arg Glu Lys Ala Glu Arg Ala Leu Ala Ala Gly Ala Pro Leu Phe Ile 225 230 235 240 Thr Glu Phe Ser Ile Cys Asp Ala Ser Gly Asp Gly Ala Ile Asp Tyr 245 250 255 Asp Ser Ala Ala Ala Trp Arg Ala Leu Ile Ala Lys His Gly Leu Ser 260 265 270 Tyr Val Ala Trp Ser Leu Ser Asn Arg Asp Glu Ser Ala Ala Leu Ile 275 280 285 Arg Ala Asp Cys Pro Arg Thr Ser Asp Trp Thr Asp Asp Asp Leu Thr 290 295 300 Asp Thr Gly Arg Trp Leu Lys Ala Ala Leu Asn Glu Asp Arg Leu Gln 305 310 315 320 <210> 2 <211> 963 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Nucleotide sequence encoding endo-beta-1,4-glucanase <400> 2 atgaacaaga acgacgagcg aaagggagaa gcgacgatga atacctgttt tgaccgacac 60 ggcgcgctgc gcgtgtccgg cacccagctg ttggacgagg cggagaggag ggtccagctg 120 aggggagtga gcaccctggg cctggcctgg tatcccgaat atgtgaacga ggccgccttt 180 cggacccttc gcgacggctg gggcgcgaac accgtgcgcc tggcgatgta cacctgcgag 240 tcgggcggct acatgaccgg cggcgacagg gcggcgctcg aggcgctgat cgaccggggc 300 gtgaagctct gcgcggcgct gggcctgtac gtcatcatcg actggcacat tttaagcgac 360 ggcgacccga acacccacgc cgatgccgcc gaggatttct ttggccggat cagcgcgcgc 420 tatgccggcc agccccacgt gctctacgag atctgcaacg agccgaacgg ccccgcggcg 480 acctggccgg cggtgaagcg ctacgccagg cggatcatcc ccgtgatccg cgccaacgcg 540 cccgacgcgg tgatcctgtg cgggacgccg aactggtccc aggacgtgga cctcgcggcg 600 gccgatcccc tggacgacgg gaacctcatg tacgcgctgc acttctacgc cgcgacccat 660 aaggaggcgc tgcgggagaa ggcggagcgc gcgctcgcgg ccggcgcgcc gctgtttatc 720 accgaattca gcatctgcga tgcctcgggc gacggcgcga tcgactatga ctccgccgcg 780 gcgtggcgcg ctctgatcgc gaagcacggg ctctcctatg tggcgtggag cctgtccaac 840 cgggatgaga gcgccgcgct gatccgcgcc gattgcccga ggacgtccga ctggaccgac 900 gacgacctca ccgacaccgg cagatggctc aaggcggcgc tgaacgagga cagattgcag 960 taa 963 <110> Kyonggi University Industry & Academia Cooperation Foundation <120> A novel endo-beta-1,4-glucanases from metagenomic resources and          method for preparing the same <130> NP16-08127 <160> 2 <170> KoPatentin 3.0 <210> 1 <211> 320 <212> PRT <213> Artificial Sequence <220> <223> Endo-beta-1,4-glucanase <400> 1 Met Asn Lys Asn Asp Glu Arg Lys Gly Glu Ala Thr Met Asn Thr Cys   1 5 10 15 Phe Asp Arg His Gly Ala Leu Arg Val Ser Gly Thr Gln Leu Leu Asp              20 25 30 Glu Ala Glu Arg Arg Val Gln Leu Arg Gly Val Ser Thr Leu Gly Leu          35 40 45 Ala Trp Tyr Pro Glu Tyr Val Asn Glu Ala Ala Phe Arg Thr Leu Arg      50 55 60 Asp Gly Trp Gly Ala Asn Thr Val Arg Leu Ala Met Tyr Thr Cys Glu  65 70 75 80 Ser Gly Gly Tyr Met Thr Gly Gly Asp Arg Ala Leu Glu Ala Leu                  85 90 95 Ile Asp Arg Gly Val Lys Leu Cys Ala Ala Leu Gly Leu Tyr Val Ile             100 105 110 Ile Asp Trp 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gcatctgcga tgcctcgggc gacggcgcga tcgactatga ctccgccgcg 780 gcgtggcgcg ctctgatcgc gaagcacggg ctctcctatg tggcgtggag cctgtccaac 840 cgggatgaga gcgccgcgct gatccgcgcc gattgcccga ggacgtccga ctggaccgac 900 gacgacctca ccgacaccgg cagatggctc aaggcggcgc tgaacgagga cagattgcag 960 taa 963

Claims (8)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 흑염소의 반추위로부터 유래된 서열번호 2의 서열을 포함하는 DNA 단편을 포스미드 클론으로부터 증폭 및 발현 벡터 pET24a(+)에 클로닝시켜 재조합 벡터를 생성하고, 상기 생성된 재조합 벡터를 대장균 Rosetta-gami에 도입 및 효소 발현하되, 상기 효소는 C 말단 6xHis 태그를 가진 가용성 단백질로 과다 발현시키고, His tag : Chelating Excellose¢cSpin kit (Bioprogen)에 대한 친화도 컬럼 키트를 사용하여 천연 조건 하에서 정제시켜, 베타-만난(β-mannan), p-니트로-D-글루코피라노시드(p-nitrophenyl-D-glucopyranoside), p-니트로페닐-D-셀로비오사이드(p-nitrophenyl-D-cellobioside), CMC(carboxymethyl cellulose), 베얼리 글루칸(barley glucan), 라미나린(laminarin), 아비셀(avicel) 및 버치우드(birchwood)에서 유래한 자일란(xylan) 중 CMC(carboxymethyl cellulose) 및 베얼리 글루칸(barley glucan)에만 특이적 효소활성을 나타내고, pH 5.0-7.0에서 24 시간 배양 한 후 70 % 이상의 활성을 유지하는 엔도-베타-1,4-글루카나제(endo-β-1,4-glucanases)를 제조하는 방법.A DNA fragment containing the sequence of SEQ ID NO: 2 derived from the rumen of the black goat was cloned from the phosphide clone into the amplification and expression vector pET24a (+) to generate a recombinant vector, and the resulting recombinant vector was introduced into Escherichia coli Rosetta-gami And the enzyme was overexpressed with a soluble protein having a C-terminal 6xHis tag and purified under natural conditions using an affinity column kit for His tag: Chelating Excellose cSpin kit (Bioprogen) to produce beta-mannan (p-nitrophenyl-D-cellobioside), CMC (carboxymethyl) -methionine, p-nitrophenyl-D-glucopyranoside, only carboxymethyl cellulose (CMC) and barley glucan in xylan derived from cellulose, barley glucan, laminarin, avicel and birchwood, Enzyme activity Out, Endo for holding a 24-hour incubation of 70% or more activity after at pH 5.0-7.0 - process for producing a beta-1,4-glucanase of claim (endo-β-1,4-glucanases).
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