KR102454448B1 - Novel microorganism having polycaprolactone decomposition activity and use thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고분자 플라스틱인 폴리카프로락톤 분해 활성을 갖는 미생물을 제공하는 것으로, 폴리카프로락톤 분해 활성이 우수한 균주를 선별하는 방법을 제공하고 본 방법을 통해 동정된 미생물인 슈도모나스 푸티다(Pseudomonas putida sp.)의 폴리카프로락톤 분해 활성을 향상시키기 위해 최적 배양조건 방법을 제공하는 데에 있다. The present invention provides a microorganism having polycaprolactone decomposition activity, which is a polymer plastic, and provides a method for selecting a strain having excellent polycaprolactone decomposition activity, and Pseudomonas putida sp. ) to provide an optimal culture condition method to improve the polycaprolactone decomposition activity of the.
Description
본 발명은 폴리카프로락톤 분해 활성을 갖는 신규 미생물 및 이의 용도에 관한 것이다. The present invention relates to a novel microorganism having polycaprolactone degrading activity and uses thereof.
석유화학 원료에서 합성된 지방족 폴리에스테르 중에서도 비교적 저렴하게 제조될 수 있는 폴리카프로락톤(PCL; Polycaprolactone)은 저융점이지만, 200℃이상의 고온에서도 안정하여 가공성이 우수하고, 다른 분해성 플라스틱과의 혼화성이 좋은 장점이 있으며, 또한 생분해성이 뛰어나기 때문에 생분해성 플라스틱의 표준물질로서의 위치를 차지하고 있다. 폴리카프로락톤은 다른 폴리머와 혼화성이 좋기 때문에 폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리우레탄 등과의 혼합체나 그들 모노머와의 공중합체에 대해서도 생분해성을 갖는 새로운 재료로서 최근 폴리카프로락톤은 필름 이외에도 섬유나 부직포, 낚싯줄 등으로 가공되고 있다. Polycaprolactone (PCL), which can be produced relatively inexpensively among aliphatic polyesters synthesized from petrochemical raw materials, has a low melting point, but is stable even at a high temperature of 200°C or higher, so it has excellent processability and compatibility with other degradable plastics. It has a good advantage and also occupies a position as a standard material for biodegradable plastics because of its excellent biodegradability. Because polycaprolactone has good compatibility with other polymers, it is a new material that has biodegradability even in mixtures with polyester, polyamide, polyurethane, etc. or copolymers with those monomers. It is processed into fishing line, etc.
고분자량 폴리카프로락톤의 물성 장점뿐 아니라 이는 미생물에 의해 완전 분해된다는 것이 밝혀짐에 따라, 분해성이라는 기능을 부가하여 플라스틱의 편리성과 환경오염 문제 해결을 할 수 있는 연구가 진행되고 있다. 폴리카프로락톤 분해 효소에 대해 많이 알려져 있지는 않지만 폴리카프로락톤 분해 미생물은 호기 및 혐기 조건, 토양 및 수서 등 다양한 환경에 널리 분포 되어 있으며, 폴리카프로락톤을 분해하는 미생물로는 진균인 Fusarium sp., Aspergillus fumigutus 등과 세균으로는 Bacillus pumilis, Paenibacillus sp. Pseudomonas sp. 등이 보고되어 있다. 폴리카프로락톤의 분해는 두 단계로 나뉘어 진행되며 첫 단계에서는 랜덤 가수분해에 따른 주쇄 절단에 의해 분자량 감소현상이 나타나고, 두번째 단계에서는 저분자량 조각 및 작은 조각의 덩어리 분해에 의해 무게감소현상이 나타나게 된다. As it has been revealed that not only the physical properties of high molecular weight polycaprolactone but it is completely decomposed by microorganisms, research is being conducted to add the function of degradability to solve the problem of convenience and environmental pollution of plastics. Although not much is known about polycaprolactone degrading enzymes, polycaprolactone-degrading microorganisms are widely distributed in various environments such as aerobic and anaerobic conditions, soil and aquatic conditions, and polycaprolactone-decomposing microorganisms include fungi Fusarium sp., Aspergillus fumigutus and other bacteria include Bacillus pumilis , Paenibacillus sp. Pseudomonas sp. etc have been reported. The decomposition of polycaprolactone proceeds in two stages. In the first stage, molecular weight reduction occurs due to main chain cleavage due to random hydrolysis, and in the second stage, weight decrease occurs due to the decomposition of low molecular weight fragments and small fragments. .
본 미생물의 폴리카프로락톤 분해 효소에 의한 분해성은 미생물의 분해 활성 및 배양 조건에 영향을 받는 것으로, 폴리카프로락톤 분해 효능을 향상시키기 위해 분해 미생물의 최적 배양 조건 및 배양 기술의 연구가 필요하다. 폴리카프로락톤 분해효소의 실질적인 이용을 위해서는, 분해효소의 대량생산을 위해 분해 미생물의 최적 배양 조건 및 배양 기술 연구와 효소 대량생산 기술 개발이 필요하다. The degradability of this microorganism by polycaprolactone degrading enzyme is affected by the decomposition activity and culture conditions of the microorganism, and in order to improve the polycaprolactone decomposition efficacy, it is necessary to study the optimal culture conditions and culture technology of the decomposing microorganism. For practical use of polycaprolactone degrading enzyme, it is necessary to study optimal culture conditions and culture technology for degrading microorganisms for mass production of degrading enzyme and to develop enzyme mass production technology.
본 명세서 전체에 걸쳐 다수의 문헌이 참조되고 그 인용이 표시되어 있다. 인용된 문헌의 개시 내용은 그 전체로서 본 명세서에 참조로 삽입되어 본 발명이 속하는 기술 분야의 수준 및 본 발명의 내용이 보다 명확하게 설명된다. Numerous references are referenced throughout this specification and citations thereof are indicated. The disclosures of the cited documents are hereby incorporated by reference in their entirety to more clearly set forth the content of the present invention and the level of the art to which the present invention pertains.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 폴리카프로락톤(poly (ε-caprolactone)) 분해 활성이 우수한 균주를 선별하고 제공하고 본 미생물의 분해 활성을 향상시키기 위해 최적 배양조건 방법을 제공하는 데에 있다. The present invention has been devised to solve the above problems, and provides an optimal culture condition method to select and provide a strain with excellent decomposition activity of poly (ε-caprolactone) and improve the decomposition activity of the present microorganism is to do
보다 구체적으로 본 발명은 에스테라제 발현을 통해 습윤 환경에서도 우수한 폴리카프로락톤 분해능을 갖는 미생물을 제공하고, 본 미생물의 분해 활성을 향상시키기 위한 배양조건을 제공하는 것으로, 더욱 자세하게는 슈도모나스 푸티다(Pseduomonas putida sp.)의 폴리카프로락톤 분해 효소의 에스테라제 활성을 확인하고 이의 활성을 향상시키기 위해 온도 및 pH 등의 배양조건에 따른 활성을 비교 확인함으로써, 특히 습윤 환경 중의 폴리카프로락톤 분해 활성을 향상시키는 방법에 관한 것이다.More specifically, the present invention provides a microorganism having excellent polycaprolactone decomposition ability even in a wet environment through esterase expression, and provides culture conditions for improving the decomposition activity of the microorganism, more specifically Pseudomonas putida ( Pseduomonas putida sp.) by confirming the esterase activity of the polycaprolactone degrading enzyme and comparing and confirming the activity according to culture conditions such as temperature and pH to improve its activity, especially polycaprolactone decomposition activity in a wet environment It's about how to improve.
본 발명의 하나의 관점은 에스테라제(esterase)를 발현하는 슈도모나스(Pseudomonas) 속 균주를 이용하여 폴리카프로락톤을 분해하는 방법을 제공하는 것이다. One aspect of the present invention is to provide a method for decomposing polycaprolactone using a Pseudomonas sp. strain expressing an esterase.
에스테라제와 리파아제는 모두 에스테르 결합을 가수 분해하는 효소인데, 리파아제는 기질의 응집 상태에 대해 높은 활성을 나타내는 반면, 에스테라제는 일반적으로 기질의 가용성 상태에 대해 가장 높은 활성을 나타낸다. Both esterases and lipases are enzymes that hydrolyze ester bonds, and lipases exhibit high activity on the aggregated state of substrates, whereas esterases generally exhibit the highest activity on the soluble state of substrates.
종전에 알려진 폴리카프로락톤 분해 균주들은 주로 리파아제 활성을 통하여 폴리카프로락톤을 분해하기 때문에 퇴비 등 응집된 상태의 기질의 분해에는 적합하지만 습윤 환경 중에 가용화된 상태의 폴리카프로락톤의 분해에는 적합하지 아니한 반면에, 본 발명의 균주는 에스테라제 발현을 통하여 습윤 환경에 포함된 폴리카프로락톤을 분해하는데 적합하다. Previously known polycaprolactone decomposing strains mainly degrade polycaprolactone through lipase activity, so they are suitable for decomposition of agglomerated substrates such as compost, but are not suitable for decomposing polycaprolactone in a solubilized state in a wet environment. Thus, the strain of the present invention is suitable for decomposing polycaprolactone contained in a wet environment through esterase expression.
바람직한 구현예에서, 상기 에스테라제를 발현하는 슈도모나스 속 균주는 슈도모나스 푸티다(Pseudomonas putida)이고, 더 바람직하게는 본 발명자들이 새롭게 분리한 슈도모나스 푸티다 KRICT-1이다.In a preferred embodiment, the Pseudomonas sp. strain expressing the esterase is Pseudomonas putida , and more preferably, Pseudomonas putida KRICT-1 newly isolated by the present inventors.
본 발명자들은 상기 새롭게 분리된 미생물의 DNA를 추출하고 증폭한 후 16S rRNA의 유전자 염기서열을 확인하여 계통학적 분석을 한 결과 슈도모나스 푸티다(Pseudomonas putida sp.)와 가장 가까운 신규 미생물로 동정되었다. 본 발명자들은 이를 슈도모나스 푸티다 KRICT-1(Pseudomonas putida KRICT-1)로 한국생명공학연구원 생물자원센터(KCTC)에 2020년 10월 23일자로 기탁하였고, 기탁번호 KCTC18857P를 부여받았다.The present inventors extracted and amplified the DNA of the newly isolated microorganism, confirmed the gene sequencing of 16S rRNA, and performed phylogenetic analysis. As a result, it was identified as a novel microorganism closest to Pseudomonas putida sp. The present inventors deposited this as Pseudomonas putida KRICT-1 (Pseudomonas putida KRICT-1) at the Korea Institute of Biotechnology and Biotechnology Biological Resources Center (KCTC) on October 23, 2020, and was given an accession number KCTC18857P.
본 발명에 따르면, 상기 슈도모나스 푸티다 KRICT-1 균주는 토양, 슬러지, 음폐수, 생활하수, 산업 폐수, 농축산 폐수 및 분뇨 등, 습윤 환경으로부터 분리된 균주로서, 에스테라제(esterase) 발현을 통한 폴리카프로락톤 분해 활성이 매우 높은 균주로 확인되었다. According to the present invention, the Pseudomonas putida KRICT-1 strain is a strain isolated from a wet environment, such as soil, sludge, food wastewater, domestic sewage, industrial wastewater, livestock wastewater and manure, etc., through esterase expression It was confirmed as a strain having a very high polycaprolactone decomposition activity.
본 발명의 슈도모나스 푸티다 KRICT-1 균주는 상온에서 토양, 슬러지, 음폐수, 생활하수, 산업 폐수, 농축산 폐수 및 분뇨로부터 선택되는 1 이상의 습윤 환경에 있는 폴리카프로락톤을 3일 이내에, 4일 이내에, 5일 이내에, 6일 이내에, 7일 이내에, 10일 이내, 15일 이내에, 20일 이내에, 25일 이내에, 또는 30일 이내에 100% 분해하는 활성을 나타낸다. The Pseudomonas putida KRICT-1 strain of the present invention can produce polycaprolactone in at least one moist environment selected from soil, sludge, food wastewater, domestic sewage, industrial wastewater, livestock wastewater and manure at room temperature within 3 days and within 4 days. , within 5 days, within 6 days, within 7 days, within 10 days, within 15 days, within 20 days, within 25 days, or within 30 days.
따라서, 상기 신규한 균주는 폴리카프로락톤으로 오염된 습윤 환경의 생물학적 정화에 유용하게 이용될 수 있다.Therefore, the novel strain can be usefully used for biological purification of a wet environment contaminated with polycaprolactone.
본 발명의 다른 관점은 에스테라제(esterase)를 발현하는 슈도모나스(Pseudomonas) 속 균주를 유효성분으로 포함하는 폴리카프로락톤 분해용 조성물을 제공하는 것이다.Another aspect of the present invention is to provide a composition for decomposing polycaprolactone comprising a Pseudomonas sp. strain expressing an esterase as an active ingredient.
상기 조성물은 질소와 인, 과산화수소와 같은 산소유발물질, 오염물질과 미생물간의 표면접촉을 촉진하기 위한 계면활성제 및 오염물질의 생화학적 분해의 여러 단계를 적절하게 활성화하는 효소를 추가로 포함할 수 있다. 또한 상기 조성물은 오염물질의 효과적 분해를 위해서 미생물의 성장에 필요한 영양분, 탄소원, 산소와 같은 전자 수용체 등 추가의 첨가제를 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 조성물은 상기 나열한 성분에 한정되지 않고 미생물 활성 및 오염물질 분해를 촉진하는 성분으로서 당업계에 공지된 다양한 성분을 포함할 수 있다.The composition may further contain nitrogen and oxygen-causing substances such as phosphorus and hydrogen peroxide, a surfactant to promote surface contact between the contaminants and microorganisms, and an enzyme that appropriately activates various stages of biochemical degradation of the contaminants. . In addition, the composition may include additional additives such as nutrients necessary for the growth of microorganisms, carbon sources, and electron acceptors such as oxygen for effective decomposition of contaminants. In addition, the composition of the present invention is not limited to the components listed above, and may include various components known in the art as components that promote microbial activity and decomposition of contaminants.
본 발명의 또 다른 관점은 (a) 습윤환경에서 채취한 시료를 희석하는 단계; (b) 상기 희석한 시료를 에멀젼화 폴리카프로락톤(emulsified-PCL) 및 증류수를 포함하는 평판배지에 도말 및 배양하는 단계; (c) 상기 평판배지 상에서 활성대(clear zone) 영역을 형성하는 단일 콜로니 균주를 획득하는 단계; 및 (d) 상기 균주를 폴리카프로락톤 포함 액상 배지 상에서 폴리카프로락톤 분해 능력을 모니터링하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 에스테라제(esterase) 발현을 통하여 폴리카프로락톤을 분해하는 활성을 가지는 균주를 동정하는 방법을 제공하는 것이다.Another aspect of the present invention comprises the steps of: (a) diluting a sample collected in a wet environment; (b) smearing and culturing the diluted sample on a plate medium containing emulsified polycaprolactone (emulsified-PCL) and distilled water; (c) obtaining a single colony strain forming an active zone (clear zone) on the plate medium; and (d) monitoring the polycaprolactone decomposition ability of the strain on a polycaprolactone-containing liquid medium. A strain having an activity of decomposing polycaprolactone through esterase expression It provides a way to sympathize with
상기 평판배지는 LB배지(Luria-Bertani broth) 및 한천(Agar)을 더 포함하고, 에멀젼화 폴리카프로락톤이 포화되어 있어 폴리카프로락톤 분해 시 콜로니 주위에 형성되는 활성대를 확인함으로써 분해능 보유 균주를 선별가능하게 할 수 있다.The plate medium further includes LB medium (Luria-Bertani broth) and agar (Agar), and is saturated with emulsified polycaprolactone. can be made selectable.
또한, 본 발명에서 제공하는 폴리카프로락톤 분해능을 갖는 미생물을 동정하는 방법은, 미생물의 적어도 하나의 콜로니가 배치되는 폴리카프로락톤 포함 평판배지 상의 영역을 나타내는 샘플 취득 단계; 상기 미생물의 적어도 하나의 콜로니가 폴리카프로락톤 포함 평판배지 상의 영역에서 활성대(Clear zone) 영역을 나타내어 동정하는 단계 및 상기 미생물이 폴리카프로락톤 필름 포함 액상 배지 상에서 폴리카프로락톤 분해 능력을 모니터링하는 단계를 포함하는 것일 수 있다.In addition, the method for identifying a microorganism having a polycaprolactone degrading ability provided in the present invention comprises: acquiring a sample indicating a region on a plate medium containing polycaprolactone in which at least one colony of the microorganism is disposed; Identifying at least one colony of the microorganism by indicating an active zone (clear zone) in the region on the plate medium containing polycaprolactone, and monitoring the ability of the microorganism to decompose polycaprolactone on the liquid medium containing the polycaprolactone film may include.
상기 평판배지는 LB배지(Luria-Bertani broth), 한천 (Agar), 폴리카프로락톤 및 증류수로 이루어지는 것일 수 있고, 여기에 에멀전 폴리카프로락톤이 포화되어 있어 폴리카프로락톤 분해시 미생물 주위에 형성되는 활성대를 확인함으로써 분해능 보유 균주를 선별가능하게 할 수 있다.The plate medium may consist of LB medium (Luria-Bertani broth), agar, polycaprolactone and distilled water, and the emulsion polycaprolactone is saturated therein, so the activity formed around the microorganisms when decomposing polycaprolactone. By identifying the strain, it is possible to select a strain having a degradability.
상기 평판배지는 폴리카프로락톤 분해능을 갖는 미생물을 고속으로 분리 배양 가능하게 하는 것으로서, 증류수 100 mL를 기준으로, 영양배지로써 LB배지(Luria-Bertani broth) 2g 및 아가 (agar) 파우더 1.5g 비율로 첨가하여 용해시키는 단계, 1ml에 폴리카프로락톤 파우더 1g을 혼합하는 단계, 상기 두 용액을 autoclave 에서 121℃로 15분간 가압 멸균시키는 단계, 상기 멸균 단계의 배지를 100ml 기준으로 폴리카프로락톤 파우더 1g을 첨가하여 초음파분사기로 혼탁시키는 단계, 상기 혼탁된 배지를 페트리디쉬에 20ml분량으로 담아 응고시키는 단계를 포함하는 방법에 의해 제조될 수 있다.The plate medium enables high-speed separation and culture of microorganisms having polycaprolactone decomposition ability. Based on 100 mL of distilled water, 2 g of LB medium (Luria-Bertani broth) and 1.5 g of agar powder are used as a nutrient medium. adding and dissolving, mixing 1 g of polycaprolactone powder in 1 ml, autoclaving the two solutions at 121° C. for 15 minutes, adding 1 g of polycaprolactone powder based on 100 ml of the medium of the sterilization step It can be prepared by a method comprising the step of turbiding with an ultrasonic sprayer, and coagulating the turbid medium in an amount of 20 ml in a Petri dish.
일 구현예에서, 상기 플레이트 상의 영역에서 폴리카프로락톤 분해능이 없는 대장균을 음성 대조군(negative control)으로, 폴리카프로락톤 분해능을 갖는 균주로써 알칼리제니스 페칼리스 (Alcaligenes faecalis sp.) 균주를 양성 대조군(positive control)으로 사용하여 폴리카프로락톤 분해능에 따른 폴리카프로락톤 평판배지 내에 생성되는 활성대를 확인함으로써, 폴리카프로락톤 분해능을 갖는 미생물을 분리할 수도 있다.In one embodiment, E. coli without polycaprolactone degrading ability in the region on the plate as a negative control, and Alcaligenes faecalis sp. as a strain having polycaprolactone degrading ability as a positive control. control), by checking the active zone generated in the polycaprolactone plate medium according to the polycaprolactone decomposition ability, it is also possible to separate microorganisms having the polycaprolactone decomposition ability.
본 발명에 있어서, 상기 미생물 샘플링이라 함은 산업적으로 유용한 효소인 폴리카프로락톤 분해(폴리카프로락톤 depolymerase) 활성을 가지는 미생물을 스크리닝 하기 위해 준비된 토양, 슬러지, 음폐수, 생활하수, 산업 폐수, 농축산 폐수 및 분뇨 등에서 유래한 시료로부터 미생물을 추출하는 것일 수 있다. In the present invention, the microbial sampling means soil, sludge, food wastewater, domestic sewage, industrial wastewater, livestock wastewater prepared to screen microorganisms having an industrially useful enzyme, polycaprolactone depolymerase activity. and extracting microorganisms from samples derived from manure, etc.
본 발명의 일 구현예에 있어서 폴리카프로락톤 분해능을 갖는 균주를 배양하는 단계에서는 1내지 2 부피 % 농도의 LB배지를 포함하고, 무게가 측정되고 에탄올 및 UV로 멸균된 폴리카프로락톤 필름을 포함할 수 있다. 상기 배양하는 단계는 LB 배지 50 ml 내지 2.0L, 20 ℃내지 37 ℃에서 48 내지 120시간 동안 배양시키는 것일 수 있다. In one embodiment of the present invention, in the step of culturing the strain having polycaprolactone decomposition ability, it contains LB medium at a concentration of 1 to 2 volume %, weighs and contains polycaprolactone film sterilized with ethanol and UV. can The culturing step may be culturing for 48 to 120 hours at 50 ml to 2.0L of LB medium, 20 °C to 37 °C.
바람직한 구현예에서, 상기 배양은 회분식 배양(batch culture) 방법에 의하여 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. In a preferred embodiment, the culture may be performed by a batch culture method, but is not limited thereto.
본 발명을 통해 폴리카프로락톤 분해 활성을 갖는 우수 미생물인 슈도모나스 푸티다(Pseudomonas putida)를 분리하고, 상기 미생물의 배양조건을 최적화함으로써 폴리카프로락톤분해 효소 활성을 향상시킴으로써 고분자 플라스틱 분해 산업분야에 효율적으로 이용될 수 있다. Through the present invention, Pseudomonas putida , an excellent microorganism having polycaprolactone decomposition activity, is isolated, and polycaprolactone degrading enzyme activity is improved by optimizing the culture conditions of the microorganism. can be used.
도 1은 한천 배지에 폴리카프로락톤을 혼탁하여 만든 평판배지에 폴리카프로락톤 분해 활성능을 갖는 균주를 활성대 형성 여부를 통해 선별하는 방법에 대한 모식도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에서 동정된 폴리카프로락톤 분해능을 갖는 슈도모나스 푸티다(Pseudomonas putida KRICT-1)의 계통수를 나타낸 결과이다.
도 3은 슈도모나스 푸티다 KRICT-1 균주의 호기배양조건에서 폴리카프로락톤 필름 분해능과 성장을 나타낸 그래프이다.
도 4는 슈도모나스 푸티다 KRICT-1 균주에 의해 분해된 폴리카프로락톤 필름을 주사형전자현미경(scanning electron microscope, SEM)으로 확인한 결과이다.
도 5는 슈도모나스 푸티다 KRICT-1 균주에 의해 분해된 폴리카프로락톤 필름을 퓨리에 변환 적외선 분광계(Fourier Transform Infrared spectroscopy, FT-IR)로 확인한 결과이다.
도 6은 슈도모나스 푸티다 KRICT-1 균주의 폴리카프로락톤 분해효소를 정제하여 SDS-PAGE 전기영동 결과를 나타낸 그림이다.
도 7은 슈도모나스 푸티다 KRICT-1 균주의 폴리카프로락톤 분해효소를 혼탁 폴리카프로락톤-한천 평판배지에서 활성대를 확인한 결과이다.
도 8은 슈도모나스 푸티다 KRICT-1 균주의 폴리카프로락톤 분해효소 활성을 온도 및 pH에 따른 활성도 및 안정성을 확인한 그래프이다. 1 shows a schematic diagram of a method for selecting strains having polycaprolactone-decomposing activity on a plate medium made by turbiding polycaprolactone in an agar medium through the formation of an active zone.
2 is a result showing the phylogenetic tree of Pseudomonas putida KRICT-1 having a polycaprolactone decomposition ability identified in the present invention.
3 is a graph showing the polycaprolactone film resolution and growth in aerobic culture conditions of Pseudomonas putida KRICT-1 strain.
4 is a result of confirming the polycaprolactone film degraded by Pseudomonas putida KRICT-1 strain with a scanning electron microscope (SEM).
5 is a result of confirming the polycaprolactone film degraded by Pseudomonas putida KRICT-1 strain with Fourier Transform Infrared spectroscopy (FT-IR).
6 is a diagram showing the results of SDS-PAGE electrophoresis by purifying polycaprolactone degrading enzyme of Pseudomonas putida KRICT-1 strain.
7 is a result of confirming the active zone of polycaprolactone-degrading enzyme of Pseudomonas putida KRICT-1 strain in turbid polycaprolactone-agar plate medium.
8 is a graph confirming the activity and stability of polycaprolactone degrading enzyme activity according to temperature and pH of Pseudomonas putida KRICT-1 strain.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명 하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. These examples are only for illustrating the present invention in more detail, and it will be apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention is not limited by these examples.
실시예Example
실시예 1. 폴리카프로락톤 분해 미생물 분리, 선별 및 동정Example 1. Isolation, selection and identification of polycaprolactone-degrading microorganisms
(1)(One) 폴리카프로락톤 분해 미생물 분리 Isolation of polycaprolactone-degrading microorganisms
폴리카프로락톤 분해 미생물을 동정하기 위해 토양, 슬러지, 음폐수 등에서 채취한 샘플을 생리식염수를 사용하여 다양한 배율(10-1, 10-2, 10-3 및 10-4 )로 희석하여 혼합 균주 희석샘플을 수득하였다. 이후, 증류수 100 mL를 기준으로, 영양배지로써 LB배지(Luria-Bertani broth) 2g 및 아가(agar) 파우더 1.5g 비율로 첨가하여 용해시키는 단계 및 1ml에 폴리카프로락톤 파우더 1g을 혼합하는 단계를 포함하여, 상기 두 용액을 autoclave 에서 121℃로 15분간 가압 멸균시키고, 상기 멸균 단계의 배지를 100ml 기준으로 폴리카프로락톤 파우더 1g을 첨가하여 초음파분사기로 혼탁시켜 이를 상기 혼탁 된 배지를 페트리디쉬(Petri dish) 에 20ml분량으로 담아 응고시켜 폴리카프로락톤-한천 평판배지를 제작하고 상기 희석 샘플을 평판배지에 도말(streaking)한 후 다양한 온도 (25℃, 30℃, 37℃)에서 2일간 배양하여 활성대(clear zone)를 형성하는 단일 콜로니 균주들을 획득하였다. 도 1의 A는 폴리카프로락톤 분해능이 없는 대장균을 음성 대조군(negative control)으로, 도 1의 B는 폴리카프로락톤 분해능을 갖는 균주로써 알칼리제니스 페칼리스(Alcaligenes faecalis sp.) 균주를 양성 대조군(positive control)으로 사용하여 폴리카프로락톤 분해능에 따른 폴리카프로락톤 평판배지 내에 생성되는 활성대를 확인함으로써, 폴리카프로락톤 분해능을 갖는 미생물을 분리하는 방법의 기준을 잡았다. To identify polycaprolactone-degrading microorganisms, samples collected from soil, sludge, and food wastewater were diluted with physiological saline at various magnifications (10 -1 , 10 -2 , 10 -3 and 10 -4 ) to dilute mixed strains A sample was obtained. Then, based on 100 mL of distilled water, adding and dissolving 2 g of LB medium (Luria-Bertani broth) and 1.5 g of agar powder as a nutrient medium, and mixing 1 g of polycaprolactone powder in 1 ml Then, the two solutions were autoclaved at 121° C. for 15 minutes in an autoclave, 1 g of polycaprolactone powder was added based on 100 ml of the medium in the sterilization step, and the turbidity was turbid using an ultrasonic sprayer, and the turbid medium was prepared in a Petri dish (Petri dish). ) in an amount of 20 ml and solidified to produce a polycaprolactone-agar plate medium, streaking the diluted sample on the plate medium, and culturing at various temperatures (25° C., 30° C., 37° C.) for 2 days. Single colony strains forming (clear zone) were obtained. 1A is E. coli without polycaprolactone decomposition ability as a negative control, and FIG. 1B is a polycaprolactone decomposable strain with Alcaligenes faecalis sp. strain as a positive control. control) and by checking the active zone generated in the polycaprolactone plate medium according to the polycaprolactone decomposition ability, the standard of the method for isolating microorganisms having the polycaprolactone decomposition ability was established.
(2) 폴리카프로락톤 분해 미생물 선별 및 동정(2) Selection and identification of polycaprolactone-degrading microorganisms
상기 폴리카프로락톤-한천 평판배지에서 활성대를 나타나는 콜로니를 증류수 1L기준으로 LB배지(Luria-Bertani broth) 20g 포함되어있는 액체배지를 멸균 후 50ml 부피의 코니컬튜브(conical tube)에 5 ml의 LB배지 및 폴리카프로락톤 필름(약 300g)을 넣고 30℃에서 일주일간 배양하여 폴리카프로락톤 필름 중량 감소를 비교하여 폴리카프로락톤 분해능력을 비교하여 우수 분해 균주를 선별하였다. The polycaprolactone-agar plate medium is sterilized with a liquid medium containing 20 g of LB medium (Luria-Bertani broth) based on 1 L of distilled water for colonies showing the active zone, and then 5 ml of a conical tube with a volume of 50 ml. LB medium and polycaprolactone film (about 300g) were put in, cultured at 30° C. for a week, and the polycaprolactone film weight loss was compared to compare the polycaprolactone decomposition ability, and excellent decomposing strains were selected.
이중 가장 분해능이 높았던 미생물의 DNA를 추출하고 증폭한 후 16s rRNA 서열을 분석하여 미생물의 종을 확정하였다. 도 2는 본 미생물의 염기서열과 비슷한 계통수를 나타내는데, 본 특허에서 동정 된 Strain KRICT-1 균주는 슈도모나스 푸티다(Pseudomonas putida sp.) 와 가장 가까운 매칭을 나타냈다. Among them, the DNA of the microorganism with the highest resolution was extracted and amplified, and the 16s rRNA sequence was analyzed to determine the species of the microorganism. 2 shows a phylogenetic tree similar to the nucleotide sequence of the present microorganism, the strain KRICT-1 strain identified in this patent showed the closest match to Pseudomonas putida sp.
실시예 2. 슈도모나스 푸티다의 폴리카프로락톤 분해능 확인Example 2. Confirmation of polycaprolactone resolution of Pseudomonas putida
상기 동정된 슈도모나스 푸티다 KRICT-1 (기탁번호 KCTC18857P) 균주 1L기준으로 LB배지(Luria-Bertani broth) 20g 포함되어있는 액체배지를 멸균 후 300ml 부피의 삼각플라스크에 50ml 넣고, 무게가 측정된 폴리카프로락톤 필름을 넣어 균주를 초기 OD (600nm)가 0.2가 되도록 접종하고, 진탕배양기를 이용하여 30℃에서 약 5일간 배양하였다. 또한, 삼각플라스크에 LB 배지 및 폴리카프로락톤 필름만 넣고 진탕배양기를 이용하여 30℃에서 배양 후, 이를 대조군 (control)로 사용하였다. 도 3과 같이 배양액을 샘플링하여 세포 성장을 측정하고, 폴리카프로락톤 필름의 중량 감소를 측정하였다. 약 3일 까지 폴리카프로락톤 필름의 중량 감소가 미비하다가 3일 이후부터 급격하게 분해가 일어나서 5일차 폴리카프로락톤 필름 분해가 모두 일어난 것을 확인할 수 있었다. 또한 초기 폴리카프로락톤 필름과 4일차의 폴리카프로락톤 필름을 회수하여 도 4와 같이 주사전자현미경(SEM; scanning Electron Microscope)을 촬영하여 폴리카프로락톤 필름 표면을 확인함으로써 슈도모나스 푸티다의 폴리카프로락톤 분해 여부를 확인하였다. 도 5는 상기 샘플을 퓨리에 변환 적외선 분광기(FTIR; fourier-Transform Infrared spectrometer)를 이용하여 분해 여부를 확인한 결과 초기 폴리카프로락톤필름의 C-H, C=O 및 C-O 결합이 많이 줄었으며, 미생물 생장에 의한 N-H 단백질/펩타이드 결합이 증가됨을 확인 할 수 있었다. After sterilizing the liquid medium containing 20 g of LB medium (Luria-Bertani broth) based on 1 L of the identified Pseudomonas putida KRICT-1 (Accession No. KCTC18857P) strain, 50 ml of the identified Pseudomonas putida KRICT-1 (Accession No. The strain was inoculated with a lactone film so that the initial OD (600 nm) was 0.2, and cultured at 30° C. for about 5 days using a shaking incubator. In addition, only LB medium and polycaprolactone film were put in an Erlenmeyer flask and cultured at 30° C. using a shaker incubator, and this was used as a control. Cell growth was measured by sampling the culture medium as shown in FIG. 3, and the weight loss of the polycaprolactone film was measured. The weight reduction of the polycaprolactone film was insufficient until about 3 days, and then rapidly decomposed after the 3rd day, and it was confirmed that all the decomposition of the polycaprolactone film on the 5th day occurred. In addition, the polycaprolactone decomposition of Pseudomonas putida by recovering the initial polycaprolactone film and the polycaprolactone film on the 4th day and checking the surface of the polycaprolactone film by taking a scanning electron microscope (SEM) as shown in FIG. 4 . It was checked whether 5 is a result of confirming whether the sample is decomposed by using a Fourier-Transform Infrared spectrometer (FTIR) It was confirmed that the N-H protein/peptide bond was increased.
실시예 3. 슈도모나스 푸티다 균주의 폴리카프로락톤 분해효소 정제 Example 3. Purification of polycaprolactone degrading enzyme of Pseudomonas putida strain
상기 폴리카프로락톤 분해능을 갖는 슈도모나스 푸티다 KRICT-1 (기탁번호 KCTC18857P) 균주의 폴리카프로락톤 분해효소(depolymerase)를 정제하기 위해서 본 미생물을 LB배지에서 진탕배양기로 교반속도 200 rpm, 30℃에서 2일간 배양하였다. 본 배양액 100mL를 13000rpm, 4℃에서 10분간 원심분리하여 배양액의 상등액만 취하고, 상등액 부피비로 50% 되는 유안((NH4)2SO4)을 4℃에서 가하고 4 시간 동안 잘 교반하여 주었다. 상기 효소액을 원심분리하여 침전물만을 모은 후, 이 침전물을 20 mM 인산화칼륨 완충용액 pH 7.5에 녹이고 같은 완충용액에서 하루 밤 동안 투석하였다. 이 효소액을 다시 원심분리하여 불용성 물질을 제거한 다음 0.22 μm필터로 정제하여 효소액으로 사용하였다.In order to purify the polycaprolactone depolymerase of Pseudomonas putida KRICT-1 (Accession No. KCTC18857P) strain having the polycaprolactone decomposition ability, this microorganism was incubated with a shaking incubator in LB medium at a stirring speed of 200 rpm, 2 at 30 ° C. Incubated for one day. 100 mL of this culture solution was centrifuged at 13000 rpm, 4° C. for 10 minutes to take only the supernatant of the culture solution, and 50% of the supernatant volume ratio ((NH 4 ) 2 SO 4 ) was added at 4° C. and stirred well for 4 hours. After centrifuging the enzyme solution to collect only the precipitate, the precipitate was dissolved in 20 mM potassium phosphate buffer pH 7.5 and dialyzed overnight in the same buffer solution. This enzyme solution was centrifuged again to remove insoluble substances, and then purified with a 0.22 μm filter and used as an enzyme solution.
본 발명에서 정제된 효소의 순도 및 분자량을 측정하기 위해서 10% SDS-polyacrylamide gel 상에서 전기영동을 한 후, 단백질 marker와의 이동속도를 비교하여 분자량을 계산하였다. SDS-PAGE는 Laemmli의 방법에 따라 조제 하였으며, Bio-rad사의 protein marker (10-250 kDa)를 이용하였다. 도 6에서 보여진 것과 같이 단일 밴드를 나타내었으며, 표준 단백질들로 구성된 분자량 marker들과 비교하여 분자량을 측정한 결과, 슈도모나스 푸티다가 생산하는 폴리카프로락톤 분해효소의 분자량은 약 62.5 kDa으로 확인되었다. 본 효소 정제액을 폴리카프로락톤 - 한천 평판배지에 3 ㎕를 묻혀 고정 후 30℃에서 2일간 반응시켰을 때 도 7의 B와 같이 활성대를 나타내는 것을 확인함으로써 폴리카프로락톤 분해효소의 활성을 확인할 수 있었으며, 상기 폴리카프로락톤 분해효소는 에스테라제(esterase) 활성을 갖는 것으로 확인되었다.In order to measure the purity and molecular weight of the enzyme purified in the present invention, electrophoresis was performed on 10% SDS-polyacrylamide gel, and the molecular weight was calculated by comparing the movement speed with the protein marker. SDS-PAGE was prepared according to Laemmli's method, and Bio-rad's protein marker (10-250 kDa) was used. As shown in FIG. 6 , a single band was exhibited, and as a result of measuring the molecular weight compared to molecular weight markers composed of standard proteins, the molecular weight of the polycaprolactone degrading enzyme produced by Pseudomonas putida was confirmed to be about 62.5 kDa. The activity of polycaprolactone degrading enzyme can be confirmed by confirming that the enzyme purified solution shows an activity zone as shown in B of FIG. It was confirmed that the polycaprolactone degrading enzyme has an esterase activity.
실시예 4. 슈도모나스 푸티다 균주의 폴리카프로락톤 분해효소 활성 최적화Example 4. Optimization of polycaprolactone degrading enzyme activity of Pseudomonas putida strain
본 정제된 에스테라제(esterase) 활성을 갖는 폴리카프로락톤 분해효소의 반응 최적 온도를 결정하기 위해서 15~65℃ 범위에서 5℃ 간격으로 10분 반응시켜 효소의 상대 활성으로 표시하였다. 열 안정성은 효소액을 15~65℃범위에서 5℃간격으로 하여 효소액을 1시간 단위로 열처리를 해서 효소의 잔존 활성도를 측정하였다. 본 효소의 최적 pH 측정은 0.1 M acetate buffer (pH 3.5-5.5), 0.1 M phosphate buffer (pH 5.5-8.0), 0.1 M Tris-HCl buffer (pH 8.0-9.0), 0.1 M glycine-NaOH buffer (pH 9.0-12.0)을 사용하였다. pH에 대한 안정성은 효소액에 각각의 pH의 buffer를 첨가하여 실온에서 1시간 방치 후 잔존하는 효소의 활성을 측정하였고, pH에 대한 활성도는 활성 측정 시 사용되는 버퍼를 위 조성으로 하여 측정하여 분석되었다. 활성도 확인을 위해 기질용액으로 p-nitrophenyl butyrate (p-NPB)를 10mM이 되도록 프로판올(isopropanol) 에 녹인 샘플 100㎕와 효소액 100㎕를 800㎕의 50mM tris-HCl버퍼 (pH 8.0)에 혼합하여 37℃에서 5분간 반응시킨 후 405nm에서 흡광도를 측정하여 확인하였다. 본 발명에서 정제된 효소의 온도 및 pH에 대한 활성도 변화에 대한 결과는 도 8에 나타내었다. 온도에 대한 활성도는 50 ℃까지 최대활성도의 80 % 이상 유지되었으며, 열에 대한 안정성은 40 ℃ 이상의 온도에서 급격히 감소하였다. pH에 대한 활성도는 pH 8.0 에서 가장 높았으며, pH 5.0 ~pH 9.0 에서 상대적 활성도가 최대 활성도의 70 % 유지되는 성질을 확인할 수 있었다. In order to determine the optimum reaction temperature for the purified polycaprolactone degrading enzyme having the present purified esterase activity, the reaction was performed at 5°C intervals in the range of 15 to 65°C for 10 minutes, and the relative activity of the enzyme was expressed. For thermal stability, the enzyme solution was heat-treated at intervals of 5° C. in the range of 15 to 65° C., and the enzyme solution was heat-treated in units of 1 hour, and the residual activity of the enzyme was measured. The optimal pH measurement of this enzyme is 0.1 M acetate buffer (pH 3.5-5.5), 0.1 M phosphate buffer (pH 5.5-8.0), 0.1 M Tris-HCl buffer (pH 8.0-9.0), 0.1 M glycine-NaOH buffer (pH 9.0-12.0) was used. The stability of the pH was measured by adding a buffer of each pH to the enzyme solution and leaving it at room temperature for 1 hour, and then the activity of the remaining enzyme was measured. . To check the activity, 100 μl of a sample in which p -nitrophenyl butyrate ( p -NPB) was dissolved in isopropanol to 10 mM as a substrate solution and 100 μl of the enzyme solution were mixed with 800 μl of 50 mM tris-HCl buffer (pH 8.0) to 37 After reacting at ℃ for 5 minutes, it was confirmed by measuring the absorbance at 405 nm. The results of the activity change with respect to the temperature and pH of the enzyme purified in the present invention are shown in FIG. 8 . The activity against temperature was maintained at more than 80% of the maximum activity up to 50 °C, and the stability to heat decreased sharply at a temperature of 40 °C or higher. The activity to pH was the highest at pH 8.0, and it was confirmed that the relative activity was maintained at 70% of the maximum activity at pH 5.0 ~ pH 9.0.
실시예 5. 다른 슈도모나스 속 균주와의 폴리카프로락톤 분해능 비교Example 5. Comparison of polycaprolactone degradation with other Pseudomonas sp. strains
본 발명의 슈도모나스 푸티다 KRICT-1 균주와 폴리카프로락톤 분해능을 비교하기 위하여 다른 슈도모나스 속 균주로서 슈도모나스 푸티다 NRRL B-14875 (Agriculture Research Service Culture Collection (USDA)) 및 그람 음성 토양 박테리아인 슈도모나스 슈도알카리제니즈(Pseudomonas pseudoalcaligenes)를 사용하였다.Pseudomonas putida NRRL B-14875 (Agriculture Research Service Culture Collection (USDA)) as another Pseudomonas genus strain in order to compare the Pseudomonas putida KRICT-1 strain of the present invention and polycaprolactone decomposition ability and Pseudomonas pseudoalkali, a gram-negative soil bacterium Genius (Pseudomonas pseudoalcaligenes) was used.
이들 균주를 각각 1L기준으로 LB배지(Luria-Bertani broth) 20g 포함되어있는 액체배지를 멸균 후 300ml 부피의 삼각플라스크에 50ml 넣고, 무게가 측정된 폴리카프로락톤 필름을 넣어 균주를 초기 OD (600nm)가 0.2가 되도록 접종하고, 진탕배양기를 이용하여 30℃에서 약 5일간 배양하였다. 또한, 삼각플라스크에 LB 배지 및 폴리카프로락톤 필름만 넣고 진탕배양기를 이용하여 30℃에서 배양 후, 이를 대조군 (control)로 사용하였다. 배양액을 샘플링하여 세포 성장을 측정하고, 폴리카프로락톤 필름의 중량 감소를 측정하였다.After sterilizing the liquid medium containing 20g of LB medium (Luria-Bertani broth) based on 1L of each of these strains, put 50ml into an Erlenmeyer flask with a volume of 300ml, put the weighed polycaprolactone film, and set the strain to the initial OD (600nm) It was inoculated so that it became 0.2, and incubated for about 5 days at 30°C using a shaking incubator. In addition, only LB medium and polycaprolactone film were put in an Erlenmeyer flask and cultured at 30° C. using a shaker incubator, and this was used as a control. Cell growth was measured by sampling the culture medium, and the weight loss of the polycaprolactone film was measured.
실험결과 슈도모나스 푸티다 KRICT-1 균주의 경우 30℃에서 3일 이후부터 급격하게 분해가 일어나서 5일 내에 폴리카프로락톤 필름의 중량 감소가 100%에 이르러, 상온에서 활발하게 폴리카프로락톤을 분해하는 것으로 확인되었다. 반면에, 슈도모나스 푸티다 NRRL B-14875는 30℃에서 폴리카프로락톤 필름의 중량 감소가 5일이 경과하도록 거의 관찰되지 않았으며, 7일이 경과하자 필름의 변형이 조금 관찰되기 시작하였다. 슈도모나스 슈도알카리제니즈는 30℃에서 폴리카프로락톤 필름의 중량 감소가 5일이 경과하도록 거의 관찰되지 않았으며, 7일 후부터 폴리카프로락톤 필름 중량 감소가 시작되는 것으로 확인되었다.As a result of the experiment, in the case of Pseudomonas putida KRICT-1 strain, the decomposition occurred rapidly after 3 days at 30°C, and the weight reduction of the polycaprolactone film reached 100% within 5 days, indicating that it actively decomposes polycaprolactone at room temperature. Confirmed. On the other hand, in Pseudomonas putida NRRL B-14875, the weight reduction of the polycaprolactone film at 30° C. was hardly observed after 5 days, and slight deformation of the film began to be observed after 7 days. In Pseudomonas Pseudo Alkali Genies, the weight reduction of the polycaprolactone film at 30° C. was hardly observed until 5 days had elapsed, and it was confirmed that the weight reduction of the polycaprolactone film started after 7 days.
Claims (11)
상기 균주는 슈도모나스 푸티다 KRICT-1 (기탁번호 KCTC18857P)인 것을 특징으로 하는 방법.As a method of decomposing polycaprolactone using a Pseudomonas sp. strain expressing an esterase,
The method, characterized in that the strain Pseudomonas putida KRICT-1 (Accession No. KCTC18857P).
상기 균주는 슈도모나스 푸티다 KRICT-1 (기탁번호 KCTC18857P)인 것을 특징으로 하는 조성물.A composition for decomposing polycaprolactone comprising a Pseudomonas sp. strain expressing an esterase as an active ingredient,
The strain is a composition, characterized in that Pseudomonas putida KRICT-1 (Accession No. KCTC18857P).
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Non-Patent Citations (2)
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