KR102541634B1 - Methods of producing lactobionic acid by whole-cell bioconversion of microorganism - Google Patents

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Abstract

본 발명은 미생물의 전세포를 이용한 락토비온산 생산방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 락토비온산 생산에 관여하는 효소를 과발현시킬 수 있는 슈도모나스 테트로렌스(Pseudomonas taetrolens) 재조합 균주의 전세포(whole cell)를 촉매로 이용하여 기존의 발효를 이용한 락토비온산 생산방법보다 생산 시간을 단축시키고, 안정적으로 반복 생산이 가능하며, 분리 및 정제 공정을 단순화시킬 수 있다.The present invention relates to a method for producing lactobionic acid using whole cells of microorganisms, and more particularly, to Pseudomonas tetrorens capable of overexpressing enzymes involved in lactobionic acid production ( Pseudomonas taetrolens ) Recombinant whole cells are used as a catalyst to shorten the production time compared to the conventional fermentation-based lactobionic acid production method, stably repeat production, and simplify the separation and purification process. .

Description

미생물의 전세포를 이용한 락토비온산의 생산 방법{Methods of producing lactobionic acid by whole-cell bioconversion of microorganism}Methods of producing lactobionic acid by whole-cell bioconversion of microorganisms

본 발명은 미생물의 전세포를 이용한 락토비온산 생산 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing lactobionic acid using whole cells of microorganisms.

차세대 피부미백 소재로서의 폴리하이드록시 비온산(Polyhydroxy bionic acid)의 한 종류인 락토비온산(Lactobionic acid)은 α-하이드록시산이 가지고 있는 각질제거, 주름개선, 피부미백 효과 외에 생분해성, 생체친화성, 항노화성, 항산화성, 보습성, 킬레이트성 등의 다양한 특성을 가지고 있으며, 피부에 대한 자극이 적어 글리콜릭산, 젖산을 대체할 수 있는 차세대 화장품 소재로서 매우 주목 받고 있으며, 락토비온산이 함유된화장품이 상용화되어 현재 판매되고 있다.Lactobionic acid, a type of polyhydroxy bionic acid as a next-generation skin whitening material, has biodegradability and biocompatibility in addition to the dead skin removal, wrinkle improvement, and skin whitening effects of α-hydroxy acid. , anti-aging, anti-oxidation, moisturizing, chelating, etc., and has low skin irritation, attracting attention as a next-generation cosmetic material that can replace glycolic acid and lactic acid. Cosmetics containing lactobionic acid It has been commercialized and is currently being sold.

락토비온산은 갈락토오스 (Galactose)와 글루콘산 (Gluconic acid)이 β-1,4 결합으로 형성된 물질로서, 분자량은 358.3이고, 수용성 백색 결정질 화합물이다. Lactobionic acid is a substance formed by a β-1,4 bond between galactose and gluconic acid, and has a molecular weight of 358.3 and is a water-soluble white crystalline compound.

본 발명자들의 선행 출원인, 대한민국 등록특허 제10-2030776호는 비병원성 슈도모나스 테트로렌스(Pseudomonas taetrolens) 균주의 배양 방법 최적화 연구를 통해 젖당으로부터 락토비온산 산화반응을 촉진시킴으로써 락토비온산 생산성을 증가시키는 방법을 개시한 바 있다. Republic of Korea Patent Registration No. 10-2030776, a prior application of the present inventors, provides a method for increasing lactobionic acid productivity by accelerating the lactobionic acid oxidation reaction from lactose through a study on optimization of the cultivation method of a non-pathogenic Pseudomonas taetrolens strain. have been initiated

하지만 락토비온산 발효 배양 시 복합배지를 사용할 경우 미생물의 생장이나 효소 분비 등에 유리할 수 있으나 배양 종료 후 목표하는 물질의 분리 정제에 방해가 되는 상당히 많은 불순물을 함유하게 되고 이는 분리 정제 비용의 상승을 가져와 경제성을 떨어뜨리게 된다. However, when using a complex medium for lactobionic acid fermentation culture, it can be advantageous for the growth of microorganisms or secretion of enzymes, but it contains a large number of impurities that interfere with the separation and purification of the target substance after the completion of the culture, which increases the cost of separation and purification. it lowers the economy.

락토비온산 생산에 있어 문제점은 발효 공정 개발의 한계에 있기 때문에, 슈도모나스 테트로렌스(Pseudomonas taetrolens)의 기존 발효를 이용한 락토비온산 생산방법 보다 실제 대량 생산 시 생산 시간을 단축시키며, 안정적으로 생산이 가능하고 분리 및 정제 공정을 단순화시킬 수 있는 락토비온산 생산방법의 개발이 요구된다. Since the problem in the production of lactobionic acid lies in the limitation of fermentation process development, production time can be shortened and stable production is possible during actual mass production compared to the lactobionic acid production method using the existing fermentation of Pseudomonas taetrolens. It is required to develop a method for producing lactobionic acid that can simplify the separation and purification process.

이에 미생물의 산업적 활용을 통한 전세포 생물전환 공정은 대량생산 및 정제 화학물질 생산공정에서 전통적인 화학적 합성공정보다 효율적이고 환경 친화적이기 때문에(Lorenz et al. 2013; Wachtmeister and Rother. 2016) 전세포 반응 공정을 통한 락토비온산 생산 기술 연구가 매우 중요하다. Therefore, the whole-cell bioconversion process through the industrial use of microorganisms is more efficient and environmentally friendly than the traditional chemical synthesis process in mass production and production of refined chemicals (Lorenz et al. 2013; Wachtmeister and Rother. 2016). Research on lactobionic acid production technology is very important.

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. A number of documents are referenced throughout this specification and citations are indicated. The disclosure contents of the cited documents are incorporated herein by reference in their entirety to more clearly describe the content of the present invention and the level of the technical field to which the present invention belongs.

대한민국 등록특허공보 제10-2030776호Republic of Korea Patent Registration No. 10-2030776

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 야생형 균주 슈도모나스 테트로렌스(Pseudomonas taetrolens) 배양을 통한 락토비온산 대량 생산의 경제성의 한계를 해결하고자 락토비온산 생산에 관여하는 효소를 과발현시킬 수 있는 재조합 슈도모나스 테트로렌스 균주의 전세포(whole cell)를 이용하여 젖당으로부터 락토비온산 생산 가능성을 확인하고, 상기 반응 공정을 최적화 시킴으로써 생산 효율 향상 및 정제 단계를 단순화할 수 있음을 증명함으로써 본 발명을 완성하였다.Therefore, the present invention has been made to solve the above problems, an object of the present invention is the wild-type strain Pseudomonas tetrorens ( Pseudomonas taetrolens ) Lactobionic acid from lactose using whole cells of a recombinant Pseudomonas tetrorens strain capable of overexpressing enzymes involved in lactobionic acid production in order to solve the economic limitations of mass production of lactobionic acid through culture The present invention was completed by confirming the possibility of production and proving that it is possible to improve the production efficiency and simplify the purification step by optimizing the reaction process.

본 발명의 목적 및 장점은 하기의 발명의 상세한 설명, 청구의 범위 및 도면에 의해 보다 명확하게 된다. Objects and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description of the invention, claims and drawings.

본 발명의 하나의 관점은 락토비온산 생산에 관여하는 효소를 과발현 시킬수 있는 재조합 균주의 전세포를 이용하여 젖당으로부터 락토비온산을 제조하는 방법을 제공하는 것이다. One aspect of the present invention is to provide a method for producing lactobionic acid from lactose using whole cells of a recombinant strain capable of overexpressing an enzyme involved in the production of lactobionic acid.

본 발명의 전세포를 이용하여 젖당으로부터 락토비온산을 생산하는 방법은 다음의 단계를 포함한다:The method for producing lactobionic acid from lactose using whole cells of the present invention includes the following steps:

(i) 락토비온산 생산에 관여하는 효소 gdh(Quinoprotein glucose dehydrogenase)를 코딩하는 핵산 서열을 포함하는 재조합 벡터로 형질 전환된 재조합 미생물을 젖당이 포함된 영양배지(NB)에서 정지기(stationary phase)까지 배양하여 휴면 세포 (resting cell)상태로 유도하는 단계; 및(i) A recombinant microorganism transformed with a recombinant vector containing a nucleic acid sequence encoding gdh (Quinoprotein glucose dehydrogenase), an enzyme involved in the production of lactobionic acid, is placed in a stationary phase in a nutrient medium (NB) containing lactose. Inducing to a dormant cell state by culturing until; and

(ii) 상기 단계 (i)로부터 전세포(whole-cell)를 회수하고 상기 전세포(whole-cell)를 젖당을 포함한 반응용액에서 배양하여 락토비온산을 생성하는 단계.(ii) recovering whole-cells from step (i) and culturing the whole-cells in a reaction solution containing lactose to produce lactobionic acid.

본 발명자들은 앞선 선행 연구에서 대한민국 특허출원번호 제10-2020-0067897호에서 락토비온산 생산에 관여하는 효소를 과발현 시킬 수 있는 재조합 균주 개발을 통해 락토비온산 전환 반응의 속도를 촉진하여 락토비온산 생산성을 증가시킬 수 있는 방법을 제공한 바 있다. In a previous study, the present inventors developed a recombinant strain capable of overexpressing an enzyme involved in lactobionic acid production in Korean Patent Application No. 10-2020-0067897 to accelerate the rate of lactobionic acid conversion reaction to obtain lactobionic acid It has provided a way to increase productivity.

락토비온산 생산에 있어 문제점은 공정 개발의 어려움도 있지만 우수한 균주 확보의 어려움도 크게 작용한다. 현재 밝혀진 락토비온산 생산하는 미생물의 종류에 따라 생산된 효소의 작용과 기질에 대한 산화 능력이 매우 다르므로, 이중 락토비온산 생산능력이 우수한 새로운 효소를 밝혀내고, 이에 따른 재조합 균주의 개발 및 이를 이용한 생산 기술 연구가 매우 중요하다.The problem in the production of lactobionic acid is not only the difficulty of process development, but also the difficulty of securing excellent strains. Depending on the type of microorganisms that produce lactobionic acid, the action of the produced enzyme and the ability to oxidize the substrate are very different, so a new enzyme with excellent double lactobionic acid production ability is identified, and a recombinant strain is developed accordingly. Research on the production technology used is very important.

종전 아세트산 박테리아는 락토비온산을 생산하는 미생물로 널리 알려져 있으나, 코마가테이박터(Komagataeibacter medellinensis)로부터 분리한 m-GDH 효소(membrane-bound quinoprotein glucose dehydrogenase)는 포도당 산화 활성을 100%로 했을 때 이에 대비한 젖당(lactose) 산화 능력이 5% 전후에 불과하여 젖당 산화 능력이 미미하고, 배지에 포도당이 존재하는 경우 젖당 산화를 통한 락토비온산 생산능력이 현저하게 억제되는 문제가 있다. 글루코노박터(Gluconobacter suboxydans)는 아세트산 박테리아로서 다양한 알도오스(Aldose) 산화 능력을 가짐에도 불구하고, 이로부터 유래한 Quinoprotein glucose dehydrogenase 효소는 젖당은 산화시키지 못하는 것으로 확인되었다. 또 다른 락토비온산 생산 균주인 아시네토박터(Acinetobacter calcoaceticus)의 경우, 이로부터 유래한 GDH 효소는 포도당을 산화시키는 활성 대비 젖당 산화 활성이 65% 정도에 불과한 것으로 확인되었다.Conventionally, acetic acid bacteria are widely known as microorganisms that produce lactobionic acid, but Komagataeibacter m-GDH enzyme (membrane - bound quinoprotein glucose dehydrogenase) isolated from . When glucose is present in the medium, there is a problem in that the ability to produce lactobionic acid through lactose oxidation is significantly inhibited. Although Gluconobacter suboxydans is an acetic acid bacterium and has various aldose oxidizing abilities, it has been confirmed that the Quinoprotein glucose dehydrogenase enzyme derived therefrom cannot oxidize lactose. In the case of Acinetobacter calcoaceticus , another lactobionic acid-producing strain, it was confirmed that the GDH enzyme derived therefrom had only about 65% of the lactose-oxidizing activity compared to the glucose-oxidizing activity.

이러한 상황 하에서 본원발명자들은, 여러 알려진 락토비온산 생산 박테리아 중에서 특히 슈도모나스 속 박테리아로부터 분리한 gdh(Quinoprotein glucose dehydrogenase) 효소의 경우, 다른 박테리아들로부터 분리한 Quinoprotein glucose dehydrogenase 효소와는 달리, 다양한 기질 중에서 선택적으로 젖당을 산화하는 능력이 있는 효소임을 밝혀내었다. Under these circumstances, the inventors of the present invention, among several known lactobionic acid-producing bacteria, especially in the case of the gdh (Quinoprotein glucose dehydrogenase) enzyme isolated from bacteria of the genus Pseudomonas, unlike the Quinoprotein glucose dehydrogenase enzyme isolated from other bacteria, selectively among various substrates was found to be an enzyme capable of oxidizing lactose.

일 구현예에서 본 발명의 슈도모나스 테트로렌스로부터 유래한 gdh 효소의 경우, 포도당 산화 활성을 100%로 했을 때 이에 대비한 젖당(lactose) 산화 능력이 100% 초과, 바람직하게는 110% 초과, 120% 초과, 130% 초과, 140% 초과, 150% 초과, 160% 초과, 170% 초과, 180% 초과, 또는 190% 초과, 더욱 바람직하게는 200% 초과이다.In one embodiment, in the case of the gdh enzyme derived from Pseudomonas tetrorens of the present invention, when the glucose oxidation activity is 100%, the lactose oxidation ability is more than 100%, preferably more than 110%, 120% greater than 130%, greater than 140%, greater than 150%, greater than 160%, greater than 170%, greater than 180%, or greater than 190%, more preferably greater than 200%.

이와 같이, 본 발명의 슈도모나스 속 미생물로부터 분리한 gdh 효소는 다양한 기질 중에서 선택적으로 젖당을 산화하는 능력이 있으므로, 포도당 존재 하에서도 젖당 산화 능력이 억제되지 아니하고, 젖당 산화를 통해 현저한 락토비온산 생산성을 나타내는 장점이 있다.As described above, since the gdh enzyme isolated from the microorganism of the genus Pseudomonas of the present invention has the ability to selectively oxidize lactose among various substrates, the lactose oxidizing ability is not suppressed even in the presence of glucose, and the productivity of lactobionic acid is remarkable through lactose oxidation. There are advantages to showing.

상기 슈도모나스 속 미생물은 슈도모나스 플로로스캔스(Pseudomonas fluorescens), 슈도모나스 모라비언시스(Pseudomonas moraviensis), 슈도모나스 그라나덴시스(Pseudomonas granadensis), 슈도모나스 코레언시스 (Pseudomonas Koreensis) 등을 포함하며, 슈도모나스 테트로렌스(Pseudomonas taetrolens)에 제한되는 것은 아니다.The microorganisms of the genus Pseudomonas are Pseudomonas fluorescens ( Pseudomonas fluorescens ), Pseudomonas morabiensis ( Pseudomonas moraviensis ), Pseudomonas Granadensis ( Pseudomonas granadensis ) , Pseudomonas Coreensis ( Pseudomonas Koreensis ), etc. taetrolens ).

또한 본 발명의 실시 예에 있어서, 알돈산(aldonic acid)의 종류로 셀로비온산 (cellobionic acid) 및 말토비온산 (maltobionic acid)으로 이루어진 군에서 하나 이상 선택 가능하며 락토비온산(lactobionic acid)에 제한된 것은 아니다. In addition, in an embodiment of the present invention, one or more can be selected from the group consisting of cellobionic acid and maltobionic acid as the type of aldonic acid, and lactobionic acid Not limited.

본 발명의 슈도모나스(Pseudomonas) 속 미생물로부터 유래한 gdh(Quinoprotein glucose dehydrogenase) 효소를 코딩하는 핵산 서열은 테트로렌스 유래 gdh 유전자를 합성하여 실행할 수도 있다.The nucleic acid sequence encoding the gdh (Quinoprotein glucose dehydrogenase) enzyme derived from a microorganism of the genus Pseudomonas of the present invention may be implemented by synthesizing the gdh gene derived from Tetrolence.

상기 gdh 효소를 코딩하는 핵산 서열을 포함하는 발현 벡터는 플라스미드 벡터일 수 있고, 바람직하게는 pDSK519일 수 있다.The expression vector containing the nucleic acid sequence encoding the gdh enzyme may be a plasmid vector, preferably pDSK519.

상기 재조합 벡터가 도입된 gdh 유전자를 과발현하는 재조합 미생물은 그람음성균일 수 있는데, 예컨대테라박테리아, 프로테오박테리아, 나선상균, 스핑고박테리아, 부유군류를 포함하나 이에 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 상기 미생물은 야생형 슈도모나스 속 미생물, 더욱 바람직하게는 야생형 슈도모나스 테트로렌스(Pseudomonas taetrolens)에 상기 재조합 벡터가 도입된 것이다. 상기 재조합 미생물은 야생형 슈도모나스 테트로렌스에 비해 gdh 유전자의 발현량 및 젖당 산화 활성이 증가한 것일 수 있다.The recombinant microorganism overexpressing the gdh gene into which the recombinant vector is introduced may be a gram-negative bacterium, such as terrabacteria, proteobacteria, helical bacteria, sphingobacteria, and floating bacteria, but is not limited thereto. Preferably, the microorganism is one in which the recombinant vector is introduced into a wild-type Pseudomonas genus microorganism, more preferably a wild-type Pseudomonas tetrorens . The recombinant microorganism may have increased gdh gene expression and lactose oxidation activity compared to wild-type Pseudomonas tetrorens.

본 발명의 바람직한 구현예에서, 배양액은 균주 성장을 돕기 위한 minimum salts등을 합성하여 실행할 수 있으나, 정제에 용이성을 고려하여 오직 pH를 보정을 위한 CaCO3 및 무기염 NaCl만을 포함한 젖당 반응용액을 이용하는 것을 특징으로 한다. In a preferred embodiment of the present invention, the culture solution can be synthesized by synthesizing minimum salts to help the growth of the strain, but considering the ease of purification, a lactose reaction solution containing only CaCO 3 and inorganic salt NaCl for pH correction is used. characterized by

본 발명에서, 전세포의 이용은 세포 배양 후 배양액을 제외한 전세포를 효소로 사용함으로써, 완충용액 첨가, 농축 등의 후처리 공정이 없어지는 장점을 가진다. 일부 전세포를 이용하는 생산방법에는 반응기질의 세포 내 투과성을 높이기 위하여, 톨루엔 또는 알코올 등의 투과유도물질(Permeable agent)을 세포에 처리하기도 하나, 이는 대다수가 유기용매로 독성 물질의 잔존 위험성이 있다. 이에 본 발명은 추가적인 유기용매 사용없이 전세포를 사용하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the use of whole cells has the advantage of eliminating post-treatment processes such as addition of a buffer solution and concentration by using whole cells except for the culture medium after cell culture as an enzyme. In some production methods using whole cells, cells are treated with a permeable agent such as toluene or alcohol to increase the intracellular permeability of the reactive substance, but most of them are organic solvents and there is a risk of remaining toxic substances . Accordingly, the present invention is characterized in that whole cells are used without the use of additional organic solvents.

본 발명은, 상기 전세포를 회수하기 위해 (a) 젖당을 대사하여 락토비온산 생산에 관여하는 효소를 과발현 가능한 재조합 미생물을 젖당이 포함된 영양배지 (NB)에서 정지기(stationary phase)까지 배양하여 휴면 세포(resting cell)상태로 유도하는 단계; (b) 상기 회수된 전세포 (whole-cell)를 이용하여 락토비온산 생산에 최적화된 반응조건 및 최적 세포 회수 시기를 도출하는 단계 및 (c) 상기 전세포를 젖당 반응용액에서 반응하여 락토비온산을 생성시키고, 이를 반복적으로 생성하는 단계를 포함할 수 있다.In order to recover the whole cells, the present invention (a) cultures a recombinant microorganism capable of overexpressing an enzyme involved in lactobionic acid production by metabolizing lactose in a nutrient medium (NB) containing lactose until stationary phase to induce a resting cell state; (b) deriving reaction conditions and optimal cell recovery time optimized for lactobionic acid production using the recovered whole-cells; and (c) reacting the whole-cells in a lactose reaction solution to obtain lactobion generating an acid and repeatedly generating it.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 단계 (a)는 회분식배양(batch culture) 방법에 의해 수행될 수 있다. 상기 휴면 세포는 5~25 g/L의 농도가 되도록 현탁할 수 있으며, 상기 전세포 회수 시간은 단계 (a)에서 배양 시작 후 9시간~48시간 내이고, 상기 단계 (c)에서 상기 회수된 전세포를 이용하여 락토비온산을 생산하는 반응 온도는 25~40℃이고 접종 OD 값은 0.5~25일 수 있다. 상기 반응용액은 무기염으로서 NaCl, pH보정을 위해 CaCO3 및 젖당(lactose)을 함유하는 것일 수 있으며, 상기 단계 (c)에서 배양온도는 25~35℃로 유지될 수 있다.In one embodiment of the present invention, step (a) may be performed by a batch culture method. The dormant cells may be suspended to a concentration of 5 to 25 g/L, and the whole cell recovery time is within 9 hours to 48 hours after the start of culture in step (a), and the recovered cells in step (c) The reaction temperature for producing lactobionic acid using whole cells is 25 to 40 ° C, and the inoculation OD value may be 0.5 to 25. The reaction solution may contain NaCl as an inorganic salt, CaCO 3 and lactose for pH correction, and the incubation temperature in the step (c) may be maintained at 25 to 35 ° C.

본 발명의 다른 구현예에 있어서 슈도모나스 테트로렌스 재조합 균주를 배양하는 단계에서는 영양배지 (nutrient broth; NB)는 0.2 % 효모 추출물 (yeast extract)과 0.5 % 펩톤 (peptone) 그리고 0.1 % 소고기추출물 (beef extract)을 포함하고, 0.5 % NaCl을 포함하며, 상기 배양하는 단계는 NB 배지 50 mL 내지 5.0 L, 20

Figure 112020109216465-pat00001
내지 37
Figure 112020109216465-pat00002
에서 12시간 내지 48시간 동안 배양시키는 것일 수 있다.In another embodiment of the present invention, in the step of culturing the Pseudomonas tetrorens recombinant strain, the nutrient broth (NB) is 0.2% yeast extract, 0.5% peptone, and 0.1% beef extract ), including 0.5% NaCl, and the culturing step is NB medium 50 mL to 5.0 L, 20
Figure 112020109216465-pat00001
to 37
Figure 112020109216465-pat00002
It may be incubated for 12 hours to 48 hours.

본 발명의 또 다른 구현예에 있어서 슈도모나스 테트로렌스 유래 gdh(Quinoprotein glucose dehydrogenase)를 코딩하는 핵산 서열을 포함하는 재조합 벡터로 형질 전환된 슈도모나스 테트로렌스(Pseudomonas taetrolens) 전세포를 사용하여 락토비온산을 반복적으로 생산하는 방법이 제공되며, 상기 전세포는 적어도 2회, 3회, 4회, 5회, 6회, 7회, 8회, 9회, 10회, 11회, 12회, 13회, 14회, 15회, 16회, 17회, 18회, 19회 또는 20회까지 재사용이 가능할 수 있다.In another embodiment of the present invention, lactobionic acid is repeatedly applied using Pseudomonas taetrolens whole cells transformed with a recombinant vector containing a nucleic acid sequence encoding gdh (Quinoprotein glucose dehydrogenase) derived from Pseudomonas tetrolens. Provided is a method for producing whole cells, wherein the whole cells are at least 2 times, 3 times, 4 times, 5 times, 6 times, 7 times, 8 times, 9 times, 10 times, 11 times, 12 times, 13 times, 14 times. It may be reused up to 15 times, 16 times, 17 times, 18 times, 19 times or 20 times.

상기 슈도모나스 테트로렌스 균주의 배양을 통한 생산성 향상 방법은 대한민국 특허등록공보 제10-2030776호에 개시된 내용과 같이 개발 될 수 있으며, 슈도모나스 테트로렌스 재조합 균주 제작에 대한 방법은 대한민국 특허출원번호 제10-2020-0067897호에 제공되었다. 상기 두건의 특허 문헌에 개시된 내용 전체는 본원 명세서에 참고로써 포함된다.A method for improving productivity through cultivation of the Pseudomonas tetrorens strain can be developed as disclosed in Korean Patent Registration No. 10-2030776, and a method for producing a recombinant Pseudomonas tetrorens strain is provided in Korean Patent Application No. 10-2020. Provided in -0067897. The entire contents of the above two patent documents are incorporated herein by reference.

본 발명의 락토비온산 생산방법은 재조합 균주의 전세포 반응에 의해 젖당을 락토비온산으로 전환되는 생산과정을 최적화하여, 기존 발효시스템을 이용한 종래방법에 비해 높은 생산성과 간편한 정제 분리 과정 및 장시간 재사용 가능성을 확인함으로써 산업적 생산 효율 및 경제성을 증가시킬 수 있다.The lactobionic acid production method of the present invention optimizes the production process of converting lactose into lactobionic acid by the whole-cell reaction of a recombinant strain, resulting in higher productivity, easier purification and separation process, and longer reuse than conventional methods using an existing fermentation system. By identifying the possibilities, industrial production efficiency and economic efficiency can be increased.

도 1은 pDSK519벡터를 이용해 슈도모나스 테트로렌스에서의 gdh 발현을 위한 재조합 플라스미드 모식도를 나타낸 것이다.
도 2는 재조합 슈도모나스 테트로렌스 균주의 전세포를 획득하여 락토비온산을 제조하는 과정에 대한 모식도를 나타낸 것이다.
도 3은 야생형 슈도모나스 테트로렌스와 재조합 균주의 12시간 배양 후 젖당 산화 활성 및 락토비온산 생산량 비교 결과이다.
도 4는 슈도모나스 테트로렌스 재조합 균주의 전세포 반응시 온도별에 따른 젖당 소모 및 락토비온산 생산 결과이다.
도 5는 슈도모나스 테트로렌스 재조합 균주의 전세포 반응시 초기 OD에 따른 젖당 소모 및 락토비온산 생산 결과이다.
도 6은 슈도모나스 테트로렌스 재조합 균주의 전세포 반응시 세포 회수 시기 따른 젖당 소모 및 락토비온산 생산 결과이다.
도 7은 슈도모나스 테트로렌스 재조합 균주의 전세포를 재사용하여 락토비온산을 생산한 결과이다.
1 shows a schematic diagram of a recombinant plasmid for expression of gdh in Pseudomonas tetrorens using the pDSK519 vector.
Figure 2 shows a schematic diagram of a process for producing lactobionic acid by obtaining whole cells of a recombinant Pseudomonas tetrorens strain.
3 is a comparison result of lactose oxidation activity and lactobionic acid production after 12 hours of cultivation of wild-type Pseudomonas tetorrence and the recombinant strain.
Figure 4 shows the results of lactose consumption and lactobionic acid production according to temperature during the whole-cell reaction of the Pseudomonas tetrorens recombinant strain.
Figure 5 shows the results of lactose consumption and lactobionic acid production according to the initial OD during the whole-cell reaction of the Pseudomonas tetrorens recombinant strain.
Figure 6 shows the results of lactose consumption and lactobionic acid production according to the cell recovery time during the whole-cell reaction of the Pseudomonas tetrorens recombinant strain.
7 is a result of producing lactobionic acid by reusing whole cells of a Pseudomonas tetrorens recombinant 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 explaining 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.

반응물, 반응물의 사용 비율, 반응 조건의 범위 등은 예시를 위한 것이며 본 발명은 이에 국한되지 않고 이들의 유사 반응물, 반응 범위 및 유전적 특성이 유사한 반응까지 대상 범위가 확대된다. 본 발명에서 응용된 그 밖의 구현예는 당업자라면 용이하게 실시할 수 있는 것으로 본 발명의 범주에 속한다. The reactants, the ratio of the reactants used, the range of reaction conditions, etc. are for illustrative purposes, and the present invention is not limited thereto, and the subject range is extended to reactions having similar reactants, reaction ranges, and genetic characteristics. Other embodiments applied in the present invention can be easily implemented by those skilled in the art and belong to the scope of the present invention.

실시예Example

실시예 1: 재조합 슈도모나스 테트로렌스 제조Example 1: Preparation of recombinant Pseudomonas tetrorens

실험예 1: 재조합 플라스미드 제조Experimental Example 1: Preparation of recombinant plasmid

젖당(락토오스, lactose) 산화반응을 통해 락토비온산 생산 능력이 우수한 슈도모나스 테트로렌스로부터 락토비온산 생산에 필수적일 것으로 예상된 gdh3(Quinoprotein glucose dehydrogenase: 1.1.5.2, GenBank accession number WP048384179)을 슈도모나스 테트로렌스 게놈 유전자 주형으로부터 정방향 (5'- CTGCAGAGGAATATGATATGAGTACGCAAGCGAAAGGCTCAG-3', 서열번호1) 및 역방향 (5'- GAATTCTCATTTCTCTTTAGGATCGGGCAGCGCG-3', 서열번호2) 프라이머를 사용하여 중합효소연쇄반응(94℃ 5분동안 1회; 94℃ 30초간, 55℃ 2분 20초간, 72℃ 30초간 반응을 30회; 72℃ 7분간 1회)을 통하여 정방향 프라이머에는 EcoR°인식부위가 역방향프라이머에는 Pst°인식 부위가 존재하여 gdh3 유전자를 증폭시켰다. 증폭된 유전자를 한천 겔 전기영동법을 통해 분리하였고, 증폭 분리된 DNA 단편을 EcoR°와 Pst°으로 절단한 후에, EcoR°와 Pst°로 절단된 슈도모나스 플라스미드 벡터 pDSK519에 도입하여 도 1에 표시된 재조합 플라스미드를 제작하였다. gdh3 (Quinoprotein glucose dehydrogenase: 1.1.5.2, GenBank accession number WP048384179), which is expected to be essential for lactobionic acid production, was extracted from Pseudomonas tetrorens, which has excellent lactobionic acid production ability through lactose oxidation reaction. Polymerase chain reaction (5'-CTGCAGAGGAATATGATATGAGTACGCAAGCGAAAGGCTCAG-3', SEQ ID NO: 1) and reverse (5'- GAATTCTCATTTCTCTTTAGGATCGGGCAGCGCG-3', SEQ ID NO: 2) primers from the genomic gene template were used for polymerase chain reaction (once at 94°C for 5 minutes; 30 reactions at 94°C for 30 seconds, 55°C for 2 minutes and 20 seconds, and 72°C for 30 seconds; once for 72°C for 7 minutes), the EcoR ° recognition site was present in the forward primer and the Pst ° recognition site was present in the reverse primer, resulting in gdh3 gene amplified. The amplified gene was separated through agar gel electrophoresis, the amplified separated DNA fragment was digested at EcoR ° and Pst °, and then introduced into the Pseudomonas plasmid vector pDSK519 cut at EcoR ° and Pst ° to obtain a recombinant plasmid shown in FIG. was produced.

실험예 2: 재조합 슈도모나스 테트로렌스 제조Experimental Example 2: Preparation of recombinant Pseudomonas tetrorens

상기 실험예 1에서 제조된 플라스미드 pDSK519-gdh를 형질전환 된 재조합 슈도모나스 테트로렌스 균주를 제조하였다. A recombinant Pseudomonas tetrorens strain transformed with the plasmid pDSK519-gdh prepared in Experimental Example 1 was prepared.

구체적으로 슈도모나스 테트로렌스의 형질전환 방법에 있어서는 안정적 제조와 효율을 높이기 위해 전기천공법(electroporation)에 의한 형질전환방법을 사용하였다. 전기적 형질전환용 세포는 다음과 같은 과정을 통해 제조하였다.Specifically, in the transformation method of Pseudomonas tetrorens, a transformation method by electroporation was used to increase stable production and efficiency. Cells for electrical transfection were prepared through the following process.

슈도모나스 테트로렌스(한국생명공학연구원 생물자원센터에서 P. taetrolens KCTC 12501 균주를 분양받음)를 LB(Luria-Bertani) 플레이트(1 % tryptone, 0.5 % yeast extract, 1 % NaCl, 1,5 % agar)에 도말하여 25℃ 정치배양기에서 24시간 동안 배양하였다. LB 플레이트에서 자란 균주의 콜로니를 LB 액체배지 200mL에 접종하고, 25℃ 교반배양기에서 150 rpm으로 OD(600nm)가 0.6 (분광광도계 (spectrophotometer)로 측정)이 될 때까지 배양하였다. 원심분리를 통해 배양액과 균주 세포를 분리하고 배양액을 버린 후 균주 세포를 10% 글리세롤 30mL에 풀어서 세척하였다. 원심분리를 통해 10% 글리세롤과 균주세포를 분리하고, 분리된 10% 글리세롤은 버렸다. 위 과정을 3번 반복하였고, 원심분리를 통해 얻은 세척된 균주세포를 10% 글리세롤 3mL에 풀어주었다. 상기 pDSK519-gdh 플라스미드를 미생물 세포에 전기적 충격으로 도입할 때에는 전기 충격 형질전환용 큐벳에 상기 전기적 형질전환용 세포 80ul와 플라스미드 5ul를 넣고, 1.8kV 전압을 5ms 동안 가한 후, SOC 배지(2% tryptone, 0.5% yeast extract, 0.05% NaCl, 0.0186% KCl, 0.095% MgCl2, 0.6% glucose) 1ml을 첨가하여 25℃ 교반배양기에서 100rpm으로 1시간동안 배양하여 재조합 균주를 제조하였다. 제작된 재조합 균주는 LB 플레이트에 도말해 25℃에서 배양하였다. 이를 통해 재조합 플라스미드인 pDSK519-gdh를 슈도모나스 테트로렌스에 형질전환한 재조합 균주(Pseudomonas taetrolens / pDSK519-gdh)를 개발하였다. Pseudomonas tetrorens (received P. taetrolens KCTC 12501 strain from the Center for Biological Resources, Korea Research Institute of Bioscience and Biotechnology) was prepared on an LB (Luria-Bertani) plate (1% tryptone, 0.5% yeast extract, 1% NaCl, 1,5% agar). Smeared and incubated for 24 hours in a 25 ℃ stationary incubator. The colony of the strain grown on the LB plate was inoculated into 200 mL of LB broth, and cultured at 150 rpm in a 25° C. stirred incubator until the OD (600 nm) reached 0.6 (measured by a spectrophotometer). The culture medium and strain cells were separated by centrifugation, and the culture medium was discarded, and then the strain cells were washed with 30 mL of 10% glycerol. 10% glycerol and strain cells were separated through centrifugation, and the separated 10% glycerol was discarded. The above process was repeated three times, and the washed strain cells obtained through centrifugation were released in 3 mL of 10% glycerol. When the pDSK519-gdh plasmid was introduced into microbial cells by electric shock, 80 ul of the cells for electric transformation and 5 ul of the plasmid were put in a cuvette for electric shock transformation, a voltage of 1.8 kV was applied for 5 ms, and SOC medium (2% tryptone , 0.5% yeast extract, 0.05% NaCl, 0.0186% KCl, 0.095% MgCl2, 0.6% glucose) was added and cultured for 1 hour at 100 rpm in a 25° C. stirring incubator to prepare a recombinant strain. The prepared recombinant strain was plated on an LB plate and incubated at 25°C. Through this, a recombinant strain ( Pseudomonas taetrolens /pDSK519-gdh) was developed by transforming Pseudomonas tetrolens with the recombinant plasmid pDSK519-gdh.

실험예 3: 기질 특이적 산화 능력 평가Experimental Example 3: Evaluation of substrate-specific oxidation ability

락토비온산 생산 아세트산 박테리아로 알려진 코마가테이박터(Komagataeibacter medellinensis)의 경우 이로부터 분리한 m-GDH 효소(membrane-bound quinoprotein glucose dehydrogenase)는 포도당 산화 활성을 100%로 했을 때 이에 대비한 젖당(lactose) 산화 능력이 5% 전후에 불과하여 젖당 산화 능력이 미미하고, 배지에 포도당이 존재하는 경우 젖당 산화를 통한 락토비온산 생산능력이 현저하게 억제되는 문제가 있음이 알려져 있다(Kiryu et al., Biosci Biotechnol Biochem. 2019 Jun; 83(6):1171-1179).In the case of Komagataeibacter medellinensis , known as an acetic acid bacterium that produces lactobionic acid, the m-GDH enzyme (membrane-bound quinoprotein glucose dehydrogenase) isolated from it is lactose (lactose) in preparation for this when the glucose oxidation activity is 100%. ) It is known that the oxidation ability is only around 5%, so the lactose oxidation ability is insignificant, and when glucose is present in the medium, the lactobionic acid production ability through lactose oxidation is significantly inhibited (Kiryu et al., Biosci Biotechnol Biochem.2019 Jun;83(6):1171-1179).

이에 상기 제조한 재조합 슈도모나스 테트로렌스(Pseudomonas taetrolens / pDSK519-gdh)의 포도당 대비 젖당 산화 능력을 평가하기 위해 글루코오스 및 락토오스 각 20g/L씩과 함께 진탕 플라스크 배양을 이용하여 배양하였다. 기질 및 생성물들의 양은 HPLC 분석에 의해 측정되었다. 48시간 동안 30℃로 조절된 진탕 플라스크 배양에서 Pseudomonas taetrolens / pDSK519-gdh를 이용하여 20 g/L의 글루코오스 및 20 g/L의 락토오스로부터 산성 물질들을 생산하는 능력을 평가한 결과, 글루코오스를 산화시키지 않으며 선택적으로 젖당을 산화하는 능력이 있는 효소임이 확인되었다.Accordingly, the recombinant Pseudomonas tetrorens prepared above ( Pseudomonas taetrolens / pDSK519-gdh) was cultured using a shake flask culture with 20 g/L each of glucose and lactose to evaluate the lactose oxidation ability against glucose. Amounts of substrate and products were determined by HPLC analysis. Pseudomonas in shake flask culture controlled at 30°C for 48 hours taetrolens / As a result of evaluating the ability to produce acidic substances from 20 g/L glucose and 20 g/L lactose using pDSK519-gdh, it was confirmed that the enzyme does not oxidize glucose and has the ability to selectively oxidize lactose. .

실시예Example 2: 2: 전세포whole cell 반응을 위한 재조합 슈도모나스 Recombinant Pseudomonas for reaction 테트로렌스Tetrolence 세포의 성장 및 회수 Cell growth and recovery

본 실험에서, 재조합 슈도모나스 테트로렌스(Pseudomonas taetrolens / pDSK519-gdh) 균은 평판배지 혹은 20 내지 40%의 글리세롤에 혼합하여 -80℃ 저온냉장고에서 동결하여 보관 및 사용하였으며, LB(Luria-Bertani) 포함 한천(agar) 평판배지에서 자란 균주의 콜로니를 LB 액체배지 10 mL에 접종하고, 항생제 카나마이신을 첨가하여 25℃ 교반배양기에서 200 rpm으로 18시간 내지 24시간 배양하였으며, 상기 배양 균주를 300mL 부피의 삼각플라스크에 LB 액체배지 100 mL에 균주 배양액 5 %(v/v)로 접종하였다.In this experiment, recombinant Pseudomonas tetrorens ( Pseudomonas taetrolens / pDSK519-gdh) strains were mixed with plate medium or 20 to 40% glycerol, stored and used after being frozen in a low-temperature refrigerator at -80 ° C, and colonies of strains grown on agar plate medium containing LB (Luria-Bertani) was inoculated in 10 mL of LB liquid medium, and the antibiotic kanamycin was added and cultured for 18 to 24 hours at 200 rpm in a 25 ° C. stirred incubator. Inoculated as % (v/v).

최종적으로 휴지기의 재조합 슈도모나스 테트로렌스 전세포를 회수하기 위해서 반응기를 사용하였으며, 도 2와 같은 방법으로 진행되었다. 반응기내 균주 접종은 분광광도계(spectrophotometer)를 이용하여 초기 OD(600nm)가 0.15 값 내지 0.2 값으로 측정으로 맞추어 주었다.Finally, a reactor was used to recover resting-phase recombinant Pseudomonas tetrorens whole cells, and proceeded in the same manner as in FIG. 2 . Inoculation of the strain in the reactor was adjusted using a spectrophotometer to measure the initial OD ( 600 nm ) to a value of 0.15 to 0.2.

사용한 배지는 영양배지(nutrient broth; NB)로써 증류수 1 L를 기준으로, 0.2 % 효모 추출물 (yeast extract)과 0.5 % 펩톤 (peptone) 그리고 0.1 % 소고기추출물 (beef extract)을 포함하고, 0.5 % NaCl을 포함하며, 0.2% 내지 20%의 젖당(lactose)을 포함하도록 하였다. The medium used was a nutrient broth (NB) containing 0.2% yeast extract, 0.5% peptone, and 0.1% beef extract based on 1 L of distilled water, and 0.5% NaCl. It contains, and it was made to contain 0.2% to 20% of lactose.

배양 부피는 2 L 내지 3 L로, 5 L fermentor(CNS, Korea) 배양기에서 12시간 내지 48시간 동안 배양시켰다. 용존산소농도(Dissolved Oxygen, DO)는 30%로 지정하였으며, 용존산소 농도 유지를 위하여 교반 속도를 200 ~ 500 rpm까지 조절하며 발효를 실시하였다.The culture volume was 2 L to 3 L, and cultured for 12 to 48 hours in a 5 L fermentor (CNS, Korea) incubator. The dissolved oxygen concentration (Dissolved Oxygen, DO) was set to 30%, and fermentation was performed while adjusting the stirring speed to 200 ~ 500 rpm to maintain the dissolved oxygen concentration.

배양액 내의 젖당이 다 소모 되었을 때, 상기 배양액을 supra 500 mL bottle에 담고 원심분리기를 이용해 8,000 rpm, 4℃, 30분 반응으로 배양액으로부터 세포 분리를 회수하였다. 상기 회수된 세포는 바로 ice에 보관한 뒤 4℃ 0.8% NaCl용액으로 cell을 2번 씻어주었으며, 본 전세포는 4℃에서 보관하여 사용하였다. When the lactose in the culture medium was exhausted, the culture medium was placed in a supra 500 mL bottle, and cell separation was recovered from the culture medium in a reaction at 8,000 rpm, 4° C., and 30 minutes using a centrifuge. The recovered cells were immediately stored on ice and washed twice with a 0.8% NaCl solution at 4°C, and the whole cells were stored at 4°C for use.

야생형균주와 재조합 균주의 젖당 200 g/L 발효를 통해 젖당 산화 활성 및 락토비온산 생산성을 비교한 결과(도 3), 배양 12시간때 재조합 균주의 젖당 산화 활성이 야생형균주보다 215% 높았으며, 락토비온산 생산도 168% 향상된 결과를 보였다. As a result of comparing lactose oxidation activity and lactobionic acid productivity through 200 g/L lactose fermentation of the wild-type strain and the recombinant strain (FIG. 3), the lactose oxidation activity of the recombinant strain was 215% higher than that of the wild-type strain at 12 hours of culture, Lactobionic acid production also improved by 168%.

본 단계에서 효소 활성은 1.350 mL의 0.075 mM의 2,6-디클로로페놀 인도페놀(2, 6-dichlorophenol indophenol, DCIP)과 5 mM의 젖당 그리고 4 mM의 sodium fluoride를 포함한 100 mM 아세테이트 완충 용액 (pH 5.5)을 0.15 mL의 효소 용액을 30℃에서 10분간 반응시켜 측정하였으며, 단백질 농도는 알부민을 표준으로 사용하여 Bradford 방법(Bradford, M.M. A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding. Anal. Biochem. 1976, 72, 248-254)으로 측정했다.At this stage, enzyme activity was measured in 1.350 mL of 100 mM acetate buffer solution (pH 5.5) was measured by reacting 0.15 mL of enzyme solution at 30 ° C for 10 minutes, and protein concentration was measured by the Bradford method (Bradford, M.M. A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle using albumin as a standard). of protein-dye binding. Anal. Biochem. 1976, 72, 248-254).

젖당과 락토비온산의 분석은 Refractive Index Detector(RID)가 장착된 Agilent사의 고성능 액체크로마토그래피 (HPLC 1260 모델)을 이용하였다. 컬럼은 Coregel ION 300 column을 사용하였고, 컬럼 온도는 70℃를 유지하였다. 이동상은 0.5 mM H2SO4를 이용하였고, flow는 0.3 mL/min이었다. 상기 조건에서 젖당과 락토비온산은 retention time은 각각 19.2분, 20.4분으로 분리되어 확인되었다. For the analysis of lactose and lactobionic acid, Agilent's high-performance liquid chromatography (HPLC 1260 model) equipped with a Refractive Index Detector (RID) was used. A Coregel ION 300 column was used as the column, and the column temperature was maintained at 70°C. The mobile phase was 0.5 mM H 2 SO 4 and the flow was 0.3 mL/min. Under the above conditions, the retention times of lactose and lactobionic acid were confirmed to be 19.2 minutes and 20.4 minutes, respectively.

실시예 3: 재조합 균주의 전세포 반응을 통한 락토비온산 생산의 최적 조건Example 3: Optimal conditions for lactobionic acid production through whole-cell reaction of recombinant strains

본 발명의 재조합 슈도모나스 테트로렌스 전세포 반응을 통한 락토비온산 생산 공정시 생산성 향상을 위해 반응의 최적조건을 도출하였다. 반응 최적 온도를 결정하기 위해서 25℃~40℃ 범위에서 5℃ 간격으로 반응 조건을 설정하였으며, 초기 세포 접종 OD값(OD600nm)이 0.5~25가 되도록 설정하여 락토비온산 생산성을 확인하였다. In order to improve productivity in the lactobionic acid production process through the recombinant Pseudomonas tetrorens whole-cell reaction of the present invention, optimal reaction conditions were derived. In order to determine the optimal reaction temperature, reaction conditions were set at 5 ° C intervals in the range of 25 ° C to 40 ° C, and lactobionic acid productivity was confirmed by setting the initial cell inoculation OD value (OD 600 nm ) to be 0.5 to 25.

상기 실시예 2에서 회수된 전세포를 NaCl로 세척한 젖당(200g/L), CaCO3 (30g/L), NaCl (8g/L)이 포함된 반응액 50mL에 세포를 현탁 시켜서 300 mL 배플(baffled) 플라스크에서, 200 rpm으로 진탕 배양하였다.The whole cells recovered in Example 2 were washed with NaCl, and the cells were suspended in 50 mL of a reaction solution containing lactose (200 g/L), CaCO 3 (30 g/L), and NaCl (8 g/L), and then placed in a 300 mL baffle ( baffled) flasks, shaken at 200 rpm.

재조합 슈도모나스 테트로렌스 전세포를 촉매로 하여 락토비온산 생산 반응에 있어서 최적 반응 온도 조건을 설정하기 위하여, 초기 접종 OD값은 20으로 하여 조건을 정하고, 반응 온도 조건은 25℃~40℃로 여러조건에서 반응 시켰을 때, 도 4와 같이 온도가 30℃일 때 가장 빠른 락토비온산 생산 속도를 보였으며, 이는 12시간 이내 반응이 완료되어 약 16.7 g/L/h의 락토비온산 생산성을 확인할 수 있었다.In order to set the optimal reaction temperature conditions in the lactobionic acid production reaction using recombinant Pseudomonas tetrorens whole cells as a catalyst, the initial inoculation OD value was set to 20, and the reaction temperature conditions were 25 ℃ ~ 40 ℃. When reacted in, the fastest lactobionic acid production rate was shown when the temperature was 30 ° C, as shown in FIG. 4, which was completed within 12 hours, confirming the lactobionic acid productivity of about 16.7 g / L / h .

또한, 재조합 슈도모나스 테트로렌스 전세포를 촉매로 하여 락토비온산 생산 반응에 있어서 반응 최적 초기 OD을 설정하기 위하여 도 5와 같이 OD를 0.5값에서 25값까지의 조건으로 반응을 시켰을 때, 접종 OD값이 10으로 설정된 조건에서 시간당 16.7 g/L/h이 나왔으며, OD값이 10 이상 조건에서는 락토비온산 생산 속도의 차이가 없다는 것을 확인할 수 있었다. 이는 전세포 유래 젖당산화효소의 포화에 따른 반응 속도 한계 값임을 나타낸다.In addition, in order to set the optimal initial OD of the reaction in the lactobionic acid production reaction using recombinant Pseudomonas tetrorens whole cells as a catalyst, when the reaction was performed under the conditions of OD from 0.5 to 25 as shown in FIG. 5, inoculation OD value Under the condition set to 10, 16.7 g / L / h per hour was obtained, and it was confirmed that there was no difference in the production rate of lactobionic acid under the condition of OD value of 10 or more. This represents the reaction rate limit value according to the saturation of the whole cell-derived lactose oxidase.

슈도모나스 테트로렌스의 배양을 통한 락토비온산 생산에 있어서 12시간 전후로 LBA 전환 속도가 급격히 빨라지기 때문에, 가장 활성이 높은 시간의 전세포를 얻기 위하여 세포의 성장시기에 따른 LBA 생산 최적화 실험을 진행하였다. 도 6과 같이 대수증식기, 정지기, 사멸기를 기준으로 세포를 회수하였을 때, 정지기에서 얻은 세포가 가장 활성이 좋다는 것을 확인할 수 있었다.Since the LBA conversion rate rapidly increases around 12 hours in the production of lactobionic acid through the cultivation of Pseudomonas tetrorens, experiments were performed to optimize LBA production according to the growth period of the cells in order to obtain whole cells with the highest activity. As shown in FIG. 6, when the cells were collected based on the logarithmic growth phase, stationary phase, and death phase, it was confirmed that the cells obtained in the stationary phase were the most active.

실시예Example 4: 4: 본발명the present invention 재조합 균주의 of recombinant strains 전세포whole cell 반응시 재사용에 따른 According to reuse in reaction 락토비온산lactobionic acid 생산 가능성 production potential

전세포 배양을 통한 락토비온산 생산방법의 산업적 사용을 위해 상기 슈도모나스 테트로렌스 휴지기 세포를 수거하여 전세포 반응의 안정성을 확인하였다. 도 7과 같이, 첫번째 반응 결과 200 g/L의 젖당이 12시간 동안 200 g/L의 락토비온산으로 전환되었다. 세포를 다시 회수하여 NaCl로 1회 세척한 다음, 원심분리하여 세포를 회수한 후 젖당과 CaCO3만 첨가하여 재반응하는 방법으로 진행하였다. 횟수를 거듭하면서 5회 이상 재사용시 생산 속도가 감소하였으나, 7회 재사용시에도 12.5 g/L/h의 생산성을 나타냄으로써 재조합 슈도모나스 테트로렌스 균주의 전세포 재사용이 가능함을 확인하였고, 이에 따른 전세포 배양의 경제성을 확인할 수 있다.For industrial use of the method for producing lactobionic acid through whole-cell culture, the Pseudomonas tetrorens resting-phase cells were collected to confirm the stability of the whole-cell reaction. As shown in FIG. 7, as a result of the first reaction, 200 g/L of lactose was converted to 200 g/L of lactobionic acid for 12 hours. The cells were collected again, washed once with NaCl, centrifuged to recover the cells, and then reacted again by adding only lactose and CaCO 3 . As the number of times repeated, the production rate decreased when reused more than 5 times, but the productivity was 12.5 g/L/h even when reused 7 times, confirming that whole-cell reuse of the recombinant Pseudomonas tetrorens strain is possible. The economic feasibility of culture can be confirmed.

Claims (11)

다음의 단계를 포함하는 전세포를 이용하여 젖당으로부터 락토비온산을 생산하는 방법:
(i) 락토비온산 생산에 관여하는 효소 gdh(Quinoprotein glucose dehydrogenase)를 코딩하는 핵산 서열을 포함하는 재조합 벡터로 형질 전환된 재조합 미생물을 젖당이 포함된 영양배지(NB)에서 정지기(stationary phase)까지 배양하여 휴면 세포 (resting cell)상태로 유도하는 단계; 및
(ii) 상기 단계 (i)로부터 전세포(whole-cell)를 회수하고 상기 전세포(whole-cell)를 젖당을 포함한 반응용액에서 배양하여 락토비온산을 생성하는 단계,
여기서 상기 락토비온산 생산에 관여하는 효소 gdh는 슈도모나스 테트로렌스(Pseudomonas taetrolens)로부터 유래된 것임.
A method for producing lactobionic acid from lactose using whole cells comprising the following steps:
(i) A recombinant microorganism transformed with a recombinant vector containing a nucleic acid sequence encoding gdh (Quinoprotein glucose dehydrogenase), an enzyme involved in the production of lactobionic acid, is placed in a stationary phase in a nutrient medium (NB) containing lactose. Inducing to a dormant cell state by culturing until; and
(ii) recovering whole-cells from step (i) and culturing the whole-cells in a reaction solution containing lactose to produce lactobionic acid;
Here, the enzyme gdh involved in the production of lactobionic acid is derived from Pseudomonas taetrolens .
제1항에 있어서, 상기 재조합 미생물은 슈도모나스 테트로렌스(Pseudomonas taetrolens)인 것을 특징으로 하는 방법.The method according to claim 1, wherein the recombinant microorganism is Pseudomonas taetrolens . 삭제delete 제2항에 있어서, 상기 재조합 미생물은 야생형 슈도모나스 테트로렌스에 비해 gdh 유전자의 발현량 및 젖당 산화 활성이 증가한 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 2, wherein the recombinant microorganism is gdh compared to wild-type Pseudomonas tetrorens A method characterized by increased gene expression and lactose oxidation activity. 제1항에 있어서, 상기 단계 (i)는 회분식배양(batch culture) 방법에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.The method according to claim 1, wherein step (i) is performed by a batch culture method. 제1항에 있어서, 상기 휴면 세포는 5~25 g/L의 농도가 되도록 현탁하는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, wherein the dormant cells are suspended at a concentration of 5 to 25 g/L. 제1항에 있어서, 상기 전세포 회수 시간은 단계 (i)에서 배양 시작 후 9시간~48시간 내이고, 상기 단계 (ii)에서 상기 회수된 전세포를 이용하여 락토비온산을 생산하는 반응 온도는 25~40℃이고 접종 OD 값은 0.5~25인 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, wherein the whole cell recovery time is within 9 hours to 48 hours after the start of the culture in step (i), and the reaction temperature at which lactobionic acid is produced using the recovered whole cells in step (ii) Is 25 ~ 40 ℃ and characterized in that the inoculation OD value is 0.5 ~ 25. 제1항에 있어서, 상기 반응용액은 무기염으로서 NaCl, pH보정을 위해 CaCO3 및 젖당(lactose)을 함유하는 것을 특징으로 하는 방법.The method according to claim 1, wherein the reaction solution contains NaCl as an inorganic salt, CaCO 3 for pH correction and lactose. 제1항에 있어서, 상기 단계 (ii)에서 배양온도는 25~35℃를 유지하는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, wherein the culture temperature in step (ii) is maintained at 25 to 35 ° C. 슈도모나스 테트로렌스 유래 gdh(Quinoprotein glucose dehydrogenase)를 코딩하는 핵산 서열을 포함하는 재조합 벡터로 형질 전환된 슈도모나스 테트로렌스(Pseudomonas taetrolens) 전세포를 사용하여 락토비온산을 반복적으로 생산하는 방법.A method for repeatedly producing lactobionic acid using Pseudomonas taetrolens whole cells transformed with a recombinant vector containing a nucleic acid sequence encoding gdh (Quinoprotein glucose dehydrogenase) derived from Pseudomonas tetrorens . 제10항에 있어서, 상기 전세포는 적어도 7회 재사용이 가능한 것을 특징으로 하는 방법.
11. The method of claim 10, wherein the whole cells are reusable at least 7 times.
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