KR19990085427A - Novel recombinant 2,5-diketo-di-gluconate reductase and its genes - Google Patents

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Abstract

본 발명은 대장균으로부터 분리한 2,5-다이케토-디-글루코네이트 환원효소(2,5-diketo-D-gluconate reductase) 유전자 및 이 유전자에 의해 재조합된 재조합 2,5-다이케토-디-글루코네이트 환원효소에 관한 것이다.The present invention provides a 2,5-diketo-D-gluconate reductase gene isolated from Escherichia coli and a recombinant 2,5-diketo- recombinant by the gene. It relates to a di-gluconate reductase.

본 발명은 대장균으로부터 2,5-다이케토-디-글루코네이트 환원효소의 유전자인 yqhE 유전자를 분리하고 이 유전자중 2,5-다이케토-디-글루코네이트 환원효소의 단백질만을 코딩하는 유전자를 플라스미드에 삽입하여 재조합 플라스미드 pTY-YQH를 제조하였으며 이 재조합 플라스미드로 대장균 DH5α를 형절전환시켜 대장균 ER2566(pTY-TQH)를 얻은 후 이 형질전환된 대장균 ER2566(pTY-TQH)을 배양하여 재조합 2,5-다이케토-디-글루코네이트 환원효소를 대량생산하는 뛰어난 효과가 있다.The present invention isolates the yqhE gene, which is a gene of 2,5-diketo-di-gluconate reductase from E. coli, and encodes only a protein of 2,5-diketo-di-gluconate reductase, among the genes. Was inserted into the plasmid to prepare a recombinant plasmid pTY-YQH.E. Coli ER2566 (pTY-TQH) was obtained by transfecting E. coli DH5α with the recombinant plasmid, followed by culturing the transformed E. coli ER2566 (pTY-TQH). There is an excellent effect of mass production of 5-diketo-di-gluconate reductase.

Description

신규한 재조합 2,5-다이케토-디-글루코네이트 환원효소 및 그 유전자Novel recombinant 2,5-diketo-di-gluconate reductase and its genes

본 발명은 신규한 재조합 2,5-다이케토-디-글루코네이트 환원효소(2,5-diketo-D-gluconate reductase)와 그 유전자에 관한 것이다. 더욱상세하게는, 2,5-다이케토-디-글루코네이트 환원효소의 유전자를 대장균으로부터 분리하고 이 유전자를 대장균에서 대량발현시켜 재조합 2,5-다이케토-디-글루코네이트 환원효소를 대량생산하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a novel recombinant 2,5-diketo-D-gluconate reductase and its genes. More specifically, the gene of 2,5-diketo-di-gluconate reductase is isolated from E. coli, and the gene is expressed in E. coli in a large amount to produce recombinant 2,5-diketo-di-gluconate reductase. It is about a mass production method.

2,5-다이케토-디-글루코네이트 환원효소는 조효소 NADPH 존재하에 2,5-다이케토-디-글루코네이트 혹은 그 염형태(salt form)를 2-케토-엘-글로네이트(2-keto -L-gulonate) 혹은 그 염형태로 전환을 촉매하는 세포내 효소이다 (Sonoyama, T.등, J. Ferment. Technol. 65:311-317, 1987). 2-케토-엘-글로네이트는 비타민 C 합성 전구체로서 비타민 C보다 안정하고 쉽게 비타민 C로 전환시킬 수 있기 때문에 미생물에 의한 생물전환 연구가 많이 되어왔다 (Crawford, T. C.등, Adv. Carbohydr. Chem. Biochem. 37:79-155, 1980). Sonoyama 등은 어위니아 허비콜라 (Erwinia herbicola) 변이주를 이용하여 포도당으로부터 디-글루코네이트 (D-gluconate)와 2-케토-디-글루코네이트(2-keto-D-gluconate)를 거쳐 2,5-다이케토-디-글루코네이트로 전환시킨 다음 코리네박테리움속 (Corynebacterium sp.) 변이주로 2,5-다이케토-디-글루코네이트를 2-케토-엘-글로네이트로 전환시켰다 (Sonoyama, T.등, Appl. Environ. Microbiol. 43:1064-1069, 1982). Anderson과 Grindley 등은 코리네박테리움속 미생물로부터 2,5-다이케토-디-글루코네이트 환원효소 유전자를 분리하고 2,5-다이케토-디-글루코네이트 생산균인 어위니아속 미생물에 도입하여 1단계 생산공정을 확립하는 데 성공하였다(Anderson, S.등, Science, 230:144-148, 1985; Grindley, J. F.등, Appl. Environ. Microbiol.. 54:1770-1775, 1988). 그러나 현재까지 이들 효소는 39 ~ 38℃ 온도에서 불안정하기 때문에 유전자 돌연변이를 통한 열안정성 증가에 관한 연구가 기대 되어 왔다. Lazarus등(US patent 5583025, 1996)은 코리네박테리움속 미생물유래의 2,5-다이케토-디-글루코네이트 환원효소의 아미노산 염기배열과 유사성을 보이는 다른 알도즈 환원효소의 단백질 3차구조를 바탕으로 여러 개의 아미노산을 돌연변이시켜 효소의 열안정성 및 촉매특성을 향상시킨 효소의 개발을 시도하였다. 기존의 두 2,5-다이케토-디-글루코네이트 환원효소는 모두 생육온도가 비교적 낮은 코리네박테리움속에서 분리한 효소이기 때문에 온도안정성이 낮은 것으로 추정된다.2,5-diketo-di-gluconate reductase is a 2-keto-el-glonate in 2-, 5-diketo-di-gluconate or salt form thereof in the presence of coenzyme NADPH. keto-L-gulonate) or an intracellular enzyme that catalyzes the conversion to its salt form (Sonoyama, T. et al., J. Ferment. Technol. 65: 311-317, 1987). 2-Keto-L-Glonate is a vitamin C synthetic precursor, which is more stable and easier to convert to vitamin C. Therefore, there has been much research on bioconversion by microorganisms (Crawford, TC et al., Adv. Carbohydr. Chem. Biochem. 37: 79-155, 1980). Sonoyama et al. Used an Erwinia herbicola mutant strain from glucose to di-gluconate and 2-keto-D-gluconate to give 2,5- Conversion to diketo-di-gluconate followed by conversion of 2,5-diketo-di-gluconate to 2-keto-el-glonate with Corynebacterium sp. Variants (Sonoyama , T. et al., Appl. Environ.Microbiol. 43: 1064-1069, 1982). Anderson and Grindley et al. Isolated 2,5-diketo-di-gluconate reductase genes from Corynebacterium microorganisms and isolated them from the genus Erwinia, a 2,5-diketo-di-gluconate-producing bacterium. And succeeded in establishing a one-step production process (Anderson, S. et al., Science, 230: 144-148, 1985; Grindley, JF et al., Appl. Environ. Microbiol .. 54: 1770-1775, 1988). However, until now, these enzymes are unstable at temperatures between 39 and 38 ° C. Therefore, studies on the increase in thermostability through gene mutation have been expected. Lazarus et al. (US patent 5583025, 1996) describe a protein tertiary structure of another aldose reductase that shows similarity to the amino acid base sequence of 2,5-diketo-di-gluconate reductase derived from Corynebacterium microorganisms. On the basis of this, an attempt was made to develop an enzyme which improved the thermal stability and catalytic properties of the enzyme by mutating several amino acids. Both existing 2,5-diketo-di-gluconate reductases are believed to have low temperature stability because they are separated from Corynebacterium in relatively low growth temperature.

본 발명자들은 대장균을 세포막 결합 글루코네이트 탈수소효소 유전자로 형질전환시킨 재조합 대장균을 이용한 2-케토-디-글루코네이트의 생산에 대해 보고한 바 있다(대한민국 특허 97-48802; Yum등, J. Bacteriol. 179:6566-6572, 1997). 그러나 전환실험중 재조합 대장균에서 글루코네이트로가 2-케토-디-글루코네이트로 전환된 후 생성된 2-케토-디-글루코네이트가 시간이 경과되면서 소량 감소되는 것을 관찰하였고, 그 원인을 밝히기 위하여 대장균 세포추출물로부터 2-케토-디-글루코네이트를 기질로 하는 환원효소 활성을 측정한 결과 그 동안 보고되지 않았던 2-케토 알도네이트 환원효소가 대장균에 존재함을 확인하였다. 따라서 이 효소의 작용에 의하여 재조합 대장균에서 생성된 2-케토-디-글루코네이트가 글루코네이트로 재전환되어 세포내로 대사됨에 기인한 것임을 알 수 있었다 (Yum등, J. Bacteriol.에 투고중, 1998). 이 결과에 따라 대장균에서도 현재까지 다른 코리네박테리움속, 어위니아속, 초산균 등에서만 보고(Sonoyama등, Agric. Biol. Chem. 51:3039-3047, 1987; Truesdell등, J. Bacteriol. 173:6651-6656, 1991)되었던 케토글루코네이트 대사과정이 대장균에도 존재한다는 것을 예측 할 수 있었다. 이러한 사실은 대장균의 세포추출물을 조효소액으로 사용한 in vitro 전환실험으로도 확인되었다.The present inventors have reported on the production of 2-keto-di-gluconate using recombinant E. coli transforming E. coli with a cell membrane-bound gluconate dehydrogenase gene (Korean Patent 97-48802; Yum et al., J. Bacteriol. 179: 6566-6572, 1997). However, during conversion experiments, we observed a small decrease in 2-keto-di-gluconate produced over time after conversion from recombinant E. coli to gluconate to 2-keto-di-gluconate. Reductase activity of 2-keto-di-gluconate as a substrate was measured from E. coli cell extracts, and it was confirmed that 2-keto aldonate reductase, which was not reported in the past, was present in E. coli. Therefore, it can be seen that the 2-keto-di-gluconate produced by recombinant E. coli is transformed into gluconate and metabolized intracellularly by the action of this enzyme (Yum et al., J. Bacteriol. ). According to these results, E. coli has been reported only in other Corynebacterium genus, Erwinia genus and acetic acid bacteria (Sonoyama et al., Agric. Biol. Chem. 51: 3039-3047, 1987; Truesdell et al., J. Bacteriol. 173: 6651-6656, 1991), it was predicted that the metabolic process of ketogluconate was also present in E. coli. This was confirmed by in vitro conversion experiment using E. coli cell extract as coenzyme solution.

따라서 본 발명의 목적은 상기와 같은 사실을 감안하여 안출한 것으로 비교적 높은 온도에서 생육 최적 온도를 갖는 재조합 2,5-다이케토-디-글루코네이트 환원효소(2,5-diketo-D-gluconate reductase)와 그 유전자를 제공함에 있다. 본 발명의 다른 목적은 대장균으로부터 2,5-다이케토-디-글루코네이트 환원효소를 코딩하는 유전자를 분리하고 이 유전자를 삽입한 플라스미드로 대장균을 형질전환시킨 후 배양하여 재조합 2,5-다이케토-디-글루코네이트 환원효소의 대량생산 방법을 제공함에 있다.Accordingly, an object of the present invention was conceived in view of the above fact that the recombinant 2,5-diketo-di-gluconate reductase (2,5-diketo-D-gluconate) having an optimum growth temperature at a relatively high temperature reductase) and its genes. Another object of the present invention is to isolate a gene encoding 2,5-diketo-di-gluconate reductase from E. coli, transform the E. coli with the plasmid inserting the gene, and then culture the recombinant 2,5-da. The present invention provides a method for mass production of iketo-di-gluconate reductase.

본 발명의 상기 목적은 코리네박테리움속 미생물로부터 얻은 2,5-다이케토-디-글루코네이트 환원효소의 아미노산 배열과 유사한 대장균 단백질의 유전자로 대장균을 형질전환시킨 후 배양하여 유전자 산물을 얻고 이 유전자 산물의 2,5-다이케토-디-글루코네이트 환원효소반응활성을 측정하여 2,5-다이케토-디-글루코네이트 환원효소임을 확인하였다. 이어서 2,5-다이케토-디-글루코네이트 환원효소로 확인된 배양물 유전자의 단백질 코딩부위만으로 대장균을 형질전환시키고 배양한 후 단백질 순수정제 시스템(Protein Purification System)으로 순수하게 단백질만을 분리정제하였다. 순수하게 분리정제된 단백질을 2,5-다이케토-디-글루코네이트를 기질로 효소반응시키고 2,5-다이케토-디-글루코네이트 환원효소활성을 측정하여 순수하게 분리정제된 단백질이 재조합된 2,5-다이케토-디-글루코네이트 환원효소임을 확인하므로써 달성하였다.The object of the present invention is to transform the E. coli with a gene of E. coli protein similar to the amino acid sequence of the 2,5-diketo-di-gluconate reductase obtained from the genus Corynebacterium microorganisms to obtain a gene product The 2,5-diketo-di-gluconate reductase reaction activity of this gene product was measured to confirm that it was a 2,5-diketo-di-gluconate reductase. Subsequently, E. coli was transformed and cultured with only the protein coding region of the culture gene identified by 2,5-diketo-di-gluconate reductase, followed by isolation and purification of pure protein by Protein Purification System. It was. The purified protein was enzymatically reacted with 2,5-diketo-di-gluconate as a substrate and 2,5-diketo-di-gluconate reductase activity was measured to determine the purified protein. This was achieved by identifying a recombinant 2,5-diketo-di-gluconate reductase.

도 1은 대장균으로부터 유래한 2,5-다이케토-디-글루코네이트 환원효소(2,5-diketo-D-gluconate reductase) 유전자인 yqhE 유전자의 염기서열을 나타낸다.Figure 1 shows the nucleotide sequence of the yqhE gene which is a 2,5-diketo-D-gluconate reductase gene derived from E. coli.

도 2는 yqhE 유전자의 단백질 코딩부위를 pTYB1 플라스미드 벡터에 삽입하는 과정을 나타낸 모식도이다.Figure 2 is a schematic diagram showing the process of inserting the protein coding region of the yqhE gene into the pTYB1 plasmid vector.

본 발명은 코리네박테리움속 미생물로부터 유래된 2,5-다이케토-디-글루코네이트 환원효소와 아미노산 배열상 유사성을 보이는 대장균 단백질을 검색하는 단계; 상기 코리네박테리움속 미생물로부터 유래된 2,5-다이케토-디-글루코네이트 환원효소와 유사성을 보이는 대장균 단백질을 코딩하는 yqhE 유전자를 PCR로 증폭하고 플라스미드에 재조합한 후 대장균에 도입하여 형질전환시키고 배양하는 단계; 상기 형질전환된 대장균을 배양하여 얻은 배양산물을 2,5-다이케토-디-글로코네이트를 기질로 하고 NADPH를 조효소로 사용하여 효소반응시킨 후 2,5-다이케토-디-글루코네이트 환원효소활성을 측정하므로써 배양산물이 재조합된 2,5-다이케토-디-글루코네이트 환원효소임을 조사하는 단계; 재조합 2,5-다이케토-디-글루코네이트 환원효소임이 확인된 상기 배양산물의 단백질 코딩 유전자만을 PCR로 증폭하고 플라스미드에 재조합한 후 대장균에 도입하여 배양하고 단백질 순수정제 시스템으로 배양물내의 단백질만을 순수정제하는 단계 및; 순수하게 정제된 단백질을 2,5-다이케토-디-글루코네이트를 기질로 하고 NADPH를 조효소로 사용하여 효소반응시킨 후 2,5-다이케토-디-글루코네이트 환원효소활성을 측정하여 순수정제된 단백질이 재조합된 2,5-다이케토-디-글루코네이트 환원효소임을 확인하는 단계로 구성된다.The present invention comprises the steps of searching for E. coli protein showing amino acid sequence similarity with 2,5-diketo-di-gluconate reductase derived from Corynebacterium microorganisms; The yqhE gene, which encodes an E. coli protein showing similarity to 2,5-diketo-di-gluconate reductase derived from the Corynebacterium microorganism, was amplified by PCR, recombined into a plasmid, and introduced into E. coli. Converting and culturing; The culture product obtained by culturing the transformed Escherichia coli was subjected to enzymatic reaction using 2,5-diketo-di-gloconate as a substrate and NADPH as a coenzyme, followed by 2,5-diketo-di-glucose. Investigating that the culture is a recombinant 2,5-diketo-di-gluconate reductase by measuring nate reductase activity; PCR amplifies only the protein coding genes of the culture product identified as recombinant 2,5-diketo-di-gluconate reductase, recombines into plasmids, introduces them into E. coli, and cultures them. Purely purifying only; The purified protein was subjected to enzymatic reaction using 2,5-diketo-di-gluconate as a substrate and NADPH as a coenzyme, and then 2,5-diketo-di-gluconate reductase activity was measured. Confirming that the purified protein is a recombinant 2,5-diketo-di-gluconate reductase.

이하 본 발명의 구체적인 방법을 실시예와 실험예를 들어 상세히 설명하고자 하지만 본 발명의 권리범위는 이들 실시예에만 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, specific examples of the present invention will be described in detail with reference to Examples and Experimental Examples, but the scope of the present invention is not limited to these Examples.

실시예 1: 2,5-다이케토-디-글루코네이트 환원효소와 유사한 대장균 단백질 검색Example 1: Search for E. coli protein similar to 2,5-diketo-di-gluconate reductase

대장균에 존재하는 다른 케토글루코네이트 대사관련 환원효소 유전자를 찾는 방법으로 같은 기능을 하는 효소의 아미노산 배열이 미생물 종간에 유사성이 있음에 착안하여 코리네박테리움속 미생물 유래의 2,5-다이케토-디-글루코네이트 환원효소와 아미노산 배열상 유사성을 보이는 단백질들을 단백질 데이터베이스에서 검색하였다. 실험결과, 표 1에 나타난 바와 같이 유사성을 보이는 여러 대장균 단백질들중 49.8%의 유사성을 보이고 metC와 sufI 유전자 사이에 존재하며 다른 산화환원효소와 유사성을 보이는 yqhE 유전자가 코딩하는 단백질(hypothetical oxidoreductase)과; 42%의 유사성을 보이고 aspU와 mltD 유전자 사이에 존재하며 다른 산화환원효소와 유사성을 보이는 yafB 유전자가 코딩하는 단백질(hypothetical oxidoreductase)을 발견하였다.Finding other ketogluconate metabolism-related reductase genes in Escherichia coli, the amino acid sequence of the same function is similar among microbial species, and 2,5-diketo derived from Corynebacterium microorganisms Proteins showing amino acid sequence similarities with di-gluconate reductase were searched in the protein database. As shown in Table 1, 49.8% of the similar E. coli proteins showed similarity and the proteins (hypothetical oxidoreductase) encoded by the yqhE gene between metC and sufI genes and similar to other redox enzymes. ; We found a protein (hypothetical oxidoreductase) that encodes the yafB gene that is 42% similar and is present between the aspU and mltD genes and similar to other oxidoreductases.

코리네박테라움속 미생물 유래의 2,5-다이케토-디-글루코네이트 환원효소와 아미노산 배열상 유사성을 보이는 대장균 단백질Escherichia coli protein with amino acid sequence similarity to 2,5-diketo-di-gluconate reductase from Corynebacterium microorganism 유사한 단백질(Similar protein)Similar protein FASTAscoreFASTAscore PencentagematchPencentagematch Size(aa)Size (aa) SP:Q46857:YQHE_ECOLI, Escherichia colihypothetical oxidoreductase in mecC-sufISP: Q46857: YQHE_ECOLI, Escherichia colihypothetical oxidoreductase in mecC-sufI 10911091 49.849.8 274274 PIR:A32950:P100_LEIMALeishmania major probable redutasePIR: A32950: P100_LEIMALeishmania major probable redutase 958958 44.644.6 284284 SP:P15339: 2DKG_CORSP, Corynebacterium sp.2,5-diketo-D-gluconic acid reductase-BSP: P15339: 2DKG_CORSP, Corynebacterium sp. 2,5-diketo-D-gluconic acid reductase-B 817817 40.540.5 277277 SP:P30863: YAFB_ECOLI, Escherichia colihypothetical oxidoreductase in aspU-mltDSP: P30863: YAFB_ECOLI, Escherichia colihypothetical oxidoreductase in aspU-mltD 772772 42.042.0 267267 SP:Q02198:MORA_PSEPU, Pseudomonas putidamorphine 6-dehydrogenaseSP: Q02198: MORA_PSEPU, Pseudomonas putidamorphine 6-dehydrogenase 616616 43.443.4 295295

실시예 2: yqhE 유전자로 형질전환된 대장균 제조Example 2: preparation of E. coli transformed with the yqhE gene

상기 실시예 1에서 코리네박테리움속 유래의 2,5-다이케토-디-글루코네이트환원효소(2,5-diketo-D-gluconate reductase)와 아미노산 배열 유사성이 가장 높은 yqhE 유전자(도 1)가 2,5-다이케토-디-글루코네이트 환원효소를 코딩하는지를 확인하기 위하여 yqhE 유전자를 PCR 클로닝하였다. GenBank accession No. AE000383의 DNA 염기배열을 바탕으로 yqhE 유전자의 프라이머를 디자인하였다. 사용된 프라이머는 하기와 같으며 클로닝의 편의를 위해 유전자 내부에 인식부위가 없는 제한효소 XbaI 인식부위를 만들었다.In Example 1, the yqhE gene having the highest amino acid sequence similarity with 2,5-diketo-D-gluconate reductase derived from Corynebacterium genus (2,5-diketo-D-gluconate reductase) (FIG. 1). YqhE gene was PCR cloned to confirm that) encodes a 2,5-diketo-di-gluconate reductase. GenBank accession No. A primer of the yqhE gene was designed based on the DNA nucleotide sequence of AE000383. The primers used were as follows and restriction enzyme XbaI recognition sites were made without recognition sites inside the gene for convenience of cloning.

yqhE 유전자 클로닝을 위한 프라이머Primers for yqhE Gene Cloning

프라이머 yqhE-5' : 5-TGAACGCGTCTAGAACATCACTG-3Primer yqhE-5 ': 5-TGAACGCGTCTAGAACATCACTG-3

프라이머 yqhE-3' : 5-CTTCCGGCTCTAGATGATGATGT-3 (상보적 배열)Primer yqhE-3 ': 5-CTTCCGGCTCTAGATGATGATGT-3 (complementary arrangement)

(진한글자체는 제한효소 인식부위 XbaI (밑줄친 부분)을 인위적으로 만들기 위해 치환한 염기를 나타냄)(In bold type indicates the base substituted for artificially making the restriction enzyme recognition site XbaI (underlined))

yqhE 유전자를 PCR 클로닝하기 위하여 Takara사의 ExTaq DNA 중합효소와 Perkin Elmer사의 GeneAmp PCR system 2400을 사용하고 대장균의 게놈 DNA를 주형 DNA로 하여 95℃에서 30초 변성, 65℃에서 30초 어닐링(annealing), 72℃에서 1분간 중합반응을 30회 반복하여 행하였다. PCR 생성물을 제한효소 XbaI로 절단한 후 같은 제한효소로 절단된 플라스미드 pUC19와 T4 DNA ligase를 사용하여 연결하고 이 플라스미드로 대장균DH5α를 형질전환하였다. 형질전환된 대장균을 항생물질 암피실린이 함유된 배지에서 배양하고 이중 암피실린에 저항성을 가진 형질전환체에서 플라스미드를 분리한 후 플라스미드 DNA를 제한효소 XbaI로 절단하여 DNA 삽입여부를 확인하였다. 최종적으로 yqhE 유전자가 삽입된 재조합 플라스미드를 pYQHE로 명명하였다.To PCR clone the yqhE gene, Takara's ExTaq DNA polymerase and Perkin Elmer's GeneAmp PCR system 2400 were used, and the genomic DNA of Escherichia coli as template DNA was denatured at 95 ° C for 30 seconds, annealed at 65 ° C for 30 seconds, The polymerization reaction was repeated 30 times at 72 ° C. for 1 minute. The PCR product was digested with restriction enzyme XbaI and then plasmid pUC19 and T4 DNA ligase digested with the same restriction enzyme were linked and transformed with E. coli DH5α. The transformed Escherichia coli was cultured in a medium containing antibiotic ampicillin, plasmids were isolated from a transformant resistant to ampicillin, and plasmid DNA was digested with restriction enzyme XbaI to confirm DNA insertion. Finally, the recombinant plasmid into which the yqhE gene was inserted was named pYQHE.

실시예 3: yqhE 유전자로 재조합된 2,5-다이케토-디-글루코네이트 환원효소 검증Example 3: Validation of 2,5-diketo-di-gluconate reductase recombinant with yqhE gene

상기 실시예 2에서 대장균DH5α을 형질전환시켜서 얻은 yqhE 유전자 산물이 2,5-다이케토-디-글루코네이트 환원효소인지를 확인하기 위하여 재조합 플라스미드 pYQHE를 함유하는 형질전환시킨 대장균DH5α(pYQHE)를 LB(1% 트립톤, 0.5% 효모 엑기스, 0.5% NaCl) 액체배지에서 18시간 배양한 후 원심분리하고 초음파 파쇄기로 세포를 파쇄한 후 세포추출물의 효소활성을 측정하였다. 효소활성은 Miller등(J. Biol. Chem. 262:9016-9020, 1987)의 방법에 따라 행하였고 2,5-다이케토-디-글루코네이트를 기질로하고 NADPH를 조효소로 환원효소 활성을 측정하였다. 실험결과, 재조합 대장균DH5α(pYQHE) 세포추출물의 효소활성이 숙주미생물 대장균DH5α보다 10배이상 증가하였다. 따라서 yqhE 유전자 산물이 2,5-다이케토-디-글루코네이트 환원효소임을 확인하였고 반응산물이 2-케토-엘-글로네이트임을 확인하기 위하여 효소 반응산물을 HPLC하여 확인하였다. 컬럼은 Bio-Rad사의 HPX-87C를 30℃에서 사용하였고 용매(0.008N H2SO4) 속도는 0.5 mL/min이였다. 효소반응 산물이 최종적으로 2-케토-엘-글로네이트로 확인되어 yqhE 유전자가 2,5-다이케토-디-글루코네이트를 NADPH 조효소하에 2-케토-엘-글로네이트로 전환시키는 2,5-다이케토-디-글루코네이트 환원효소임을 알 수 있었다.In Example 2, the transformed Escherichia coli DH5α (pYQHE) containing the recombinant plasmid pYQHE was used to determine whether the yqhE gene product obtained by transforming E. coli DH5α was 2,5-diketo-di-gluconate reductase. After culturing in LB (1% tryptone, 0.5% yeast extract, 0.5% NaCl) liquid medium for 18 hours, centrifugation was performed, and the cells were disrupted by an ultrasonic crusher, and the enzyme activity of the cell extracts was measured. Enzyme activity was carried out according to the method of Miller et al. (J. Biol. Chem. 262: 9016-9020, 1987) and the reductase activity was determined using 2,5-diketo-di-gluconate as a substrate and NADPH as a coenzyme. Measured. As a result, the enzymatic activity of the recombinant E. coli DH5α (pYQHE) cell extract was increased by 10 times more than that of the host microbial E. coli DH5α. Therefore, it was confirmed that the yqhE gene product was 2,5-diketo-di-gluconate reductase and the reaction product was confirmed by HPLC to confirm that the reaction product was 2-keto-L-glonate. The column used HPX-87C from Bio-Rad at 30 ° C. and the solvent (0.008NH 2 SO 4 ) rate was 0.5 mL / min. The enzymatic product was finally identified as 2-keto-L-glonate, so that the yqhE gene converted 2,5-diketo-di-gluconate to 2-keto-L-glonate under NADPH coenzyme. It was found that it was a diketo-di-gluconate reductase.

실시예 4: 형질전환된 대장균DH5α가 생산하는 재조합 2,5-다이케토-디-글루코네이트 환원효소의 분리정제Example 4: Isolation and purification of recombinant 2,5-diketo-di-gluconate reductase produced by transformed Escherichia coli DH5α

본 발명자는 상기 실시예 3에서 2,5-다이케토-디-글루코네이트 환원효소임이 확인된 yqhE 유전자 산물이 2,5-다이케토-디-글루코네이트 환원효소임을 더욱 정확히 확인하기 위하여 이 효소를 순수 분리정제하였다.In order to more accurately identify that the yqhE gene product identified in Example 3 as 2,5-diketo-di-gluconate reductase is 2,5-diketo-di-gluconate reductase, The enzyme was purified purely.

2,5-다이케토-디-글루코네이트 환원효소를 순수 분리정제하기 위하여 New England BioLabs사의 ImpactTMT7 One-Step Protein Purification System을 사용하였다. 이 시스템은 Saccharomyces cerevisiae VMA1 유전자가 코딩하는 단백질 절단 인자(protein splicing element)인 intein 단백질을 이용한 것이다(Chong등, Gene, 192:277-281, 1997; Chong등, J. Biol. Chem., 271:22159-22168). Intein은 1,4-디치오트레톨(1,4-dithiothreitol(DTT)), β-머캡토에탄올(β-mercaptoethanol) 혹은 시스테인(cystein) 같은 치올(thiol) 존재하에 낮은 온도조건에서 단백질의 아미노말단에서 자기절단반응(self-cleavage reaction)을 일으킨다. 따라서 순수 분리하고자 단백질을 코딩하는 유전자를 intein을 코딩하는 유전자 앞부분에 in-frame으로 삽입한다. 이 시스템에서 사용되는 pTYB 벡터는 intein C-말단부위에 키틴 결합 부위(chitin binding domain)가 존재하므로 분리단백질-intein-chitin binding domain의 융합단백질(fusion protein)만 키틴 컬럼(chitin column)을 이용하여 친화(affinity) 결합시킬 수 있고 결합된 융합단백질중 분리 목적 단백질은 DTT로 절단하여 순수 분리할 수 있다. 또한 T7 프로모터와 lac 오퍼레이터(operator) 하에서 유전자 발현이 조절받기 때문에 유도물질인 아소프로필-베타-디-티오갈락토사이드 (isopropyl-β-D-thiogalactoside; IPTG)에 의해 일정시간 배양 후 단백질을 최대로 발현시킬 수 있다.In order to purify and purified 2,5-diketo-di-gluconate reductase, New England BioLabs Impact TM T7 One-Step Protein Purification System was used. This system uses intein protein, a protein splicing element encoded by the Saccharomyces cerevisiae VMA1 gene (Chong et al., Gene, 192: 277-281, 1997; Chong et al., J. Biol. Chem., 271: 22159-22168). Intein is a protein of amino acid at low temperature in the presence of thiols such as 1,4-dithiothreitol (DTT), β-mercaptoethanol or cysteine. It causes a self-cleavage reaction at the end. Therefore, the gene encoding the protein to be purely separated is inserted in-frame before the gene encoding the intein. Since the pTYB vector used in this system has a chitin binding domain at the intein C-terminus, only the fusion protein of the intein-chitin binding domain is affinity using a chitin column. Affinity The bound protein of interest can be cleaved with DTT and isolated purely from the bound fusion protein. In addition, since gene expression is regulated under the T7 promoter and the lac operator, the protein is maximized after a certain time of incubation by isopropyl-beta-di-thiogalactoside (IPTG). Can be expressed as.

실험예 1:yqhE 유전자의 단백질 코딩부위만으로 형질전환된 대장균 제조Experimental Example 1: Preparation of E. coli transformed with only the protein coding region of the yqhE gene

2,5-다이케토-디-글루코네이트 환원효소를 정제하기 위한 플라스미드를 제조하기 위하여 아래와 같은 올리고뉴클레오타이드 프라이머를 합성하였다.Oligonucleotide primers were synthesized to prepare plasmids for purifying 2,5-diketo-di-gluconate reductase.

프라이머 yqhE-Nde : 5-aggaacatATGGCTAATCCAACCGTTATTAAG-3Primer yqhE-Nde: 5-aggaacatATGGCTAATCCAACCGTTATTAAG-3

프라이머 yqhE-Sap : 5-gagaagctcttccgcaGCCGCCGAACTGGTCAGGATC-3(상보적 염기 배열)Primer yqhE-Sap: 5-gagaagctcttccgcaGCCGCCGAACTGGTCAGGATC-3 (complementary base sequence)

(밑줄친 부분은 각각 제한효소 NdeI과 SapI 인식부위를 나타낸 것이고 대문 자는 단백질 코딩하는 염기를 나타낸다.)(The underlined portions indicate restriction sites NdeI and SapI recognition sites, respectively, and the capital letter indicates the protein-encoding base.)

yqhE 유전자의 단백질 코딩 부위만을 PCR 클로닝하기 위하여 상기 프라이머와 Takara사의 ExTaq DNA 중합효소와 Perkin Elmer사의 GeneAmp PCR system 2400을 사용하고 대장균의 게놈 DNA를 주형 DNA로 하여 95℃에서 30초 변성, 65℃에서 30초 어닐링(annealing), 72℃에서 1분간 중합반응을 30회 반복하여 행하였다. PCR 생성물을 제한효소 NdeI과 SapI로 절단한 후 같은 두가지 제한효소로 절단된 플라스미드 pTYB1과 T4 DNA ligase를 사용하여 연결하고 대장균DH5α를 형질전환하였다. 이를 도 2에 나타냈다. 형질전환된 대장균을 암피실린이 함유된 배지에서 배양하여 항생물질 암피실린에 저항성을 가진 형질전환체를 선택하고 선택된 형질전환체의 플라스미드를 분리한 후, 플라스미드 DNA를 제한효소 XbaI로 절단하여 DNA 삽입여부를 확인하였다. 최종적으로 yqhE 유전자가 삽입된 재조합 플라스미드를 pTY-YQH로 명명하고 이 플라스미드로 형질전환된 대장균을 대장균ER2566(pTY-TQH)로 명명하였으며 한국과학기술연구원 생명공학연구소내의 유전자 은행에 1998년 5월 18일자로 기탁번호 KCTC 2895로 기탁하였다.For PCR cloning only the protein coding region of the yqhE gene, the primers, Takara's ExTaq DNA polymerase and Perkin Elmer's GeneAmp PCR system 2400 were used, and the genomic DNA of Escherichia coli as a template DNA was denatured at 95 ° C for 30 seconds, at 65 ° C. The polymerization reaction was repeated 30 times for 30 minutes by annealing for 30 seconds and 1 minute at 72 degreeC. The PCR product was digested with restriction enzymes NdeI and SapI, and then ligated using plasmids pTYB1 and T4 DNA ligase digested with the same two restriction enzymes and transformed with E. coli DH5α. This is shown in FIG. The transformed E. coli was cultured in a medium containing ampicillin to select a transformant resistant to the antibiotic ampicillin, and to isolate the plasmid of the selected transformant, and then to cut the plasmid DNA with restriction enzyme XbaI to insert DNA. Confirmed. Finally, the recombinant plasmid containing the yqhE gene was named pTY-YQH and E. coli transformed with the plasmid was named E. coli ER2566 (pTY-TQH). Deposited with accession number KCTC 2895 as of date.

실험예 2: yqhE 유전자 단백질 코딩 유전자로 재조합된 2,5-다이케토-디-글루코네이트 환원효소 검증Experimental Example 2: Validation of 2,5-diketo-di-gluconate reductase recombined with yqhE gene protein coding gene

상기 실험예 1에서 형질전환시킨 대장균ER2566(pTY-YQH)를 400ml LB 액체배지에 1%(v/v) 접종한 후 A600이 0.5가 될 때까지 배양하고 IPTG를 0.3mM이 되도록 첨가하여 단백질 발현을 유도하였다. 유도 후 5시간 배양한 세포를 컬럼 완충액(20mM Tris-HCl, pH 8.0, 500mM NaCl, 0.1mM EDTA, 0.1% Triton X-100)에서 현탁하여 초음파 파쇄하고 10,000 X g에서 원심분리하여 세포 고형물을 제거하였다. 세포 추출물을 미리 컬럼 완충액으로 평형화시킨 2mL 키틴비드가 들어있는 컬럼에 통과시키고 100mL의 컬럼 완충액으로 세척하였다. 컬럼 키틴비드에 결합된 융합단백질중 2, 5-다이케토-디-글루코네이트 환원효소 단백질만을 절단 분리하기 위하여 30mM DTT가 첨가된 절단완충액으로 컬럼의 완충액을 치환한 후 4℃에서 하룻밤동안 방치하였다. 절단된 단백질은 컬럼 완충액으로 분획하여 회수하였다. 실험결과, 순수한 정제 단백질을 얻었고 실시예 3과 동일한 방법으로 2, 5-다이케토-디-글루코네이트를 기질로 하는 효소반응을 실시하여 2,5-다이케토-디-글루코네이트 환원효소활성을 측정하였으며 반응생성물을 HPLC한 결과 2,5-다이케토-디-글루코네이트를 NADPH 조효소 존재하에서 2-케토-엘-굴로네이트로 전환시키는 재조합 2,5-다이케토-디-글루코네이트 환원효소임을 최종 확인하였다.Inoculated with E. coli ER2566 (pTY-YQH) transformed in Experimental Example 1 in a 400ml LB liquid medium 1% (v / v) and incubated until A 600 becomes 0.5 and added IPTG to 0.3mM protein Expression was induced. Cells cultured for 5 hours after induction were suspended in column buffer (20 mM Tris-HCl, pH 8.0, 500 mM NaCl, 0.1 mM EDTA, 0.1% Triton X-100), sonicated and centrifuged at 10,000 X g to remove cell solids. It was. The cell extract was passed through a column containing 2 mL chitin beads previously equilibrated with column buffer and washed with 100 mL column buffer. In order to cleavage and isolate only 2,5-diketo-di-gluconate reductase protein in the fusion protein bound to the column chitin bead, the buffer of the column was replaced with a cleavage buffer added with 30 mM DTT and left overnight at 4 ° C. It was. The cleaved protein was recovered by fractionation with column buffer. As a result, pure purified protein was obtained, and 2,5-diketo-di-gluconate reductase was subjected to an enzyme reaction using 2,5-diketo-di-gluconate as a substrate in the same manner as in Example 3. Activity was measured and the reaction product was HPLC and recombinant 2,5-diketo-di-gluconate converts 2,5-diketo-di-gluconate to 2-keto-L-gulonate in the presence of NADPH coenzyme. It was finally confirmed that it is a nate reductase.

본 발명은 상기 실시예와 실험예를 통하여 설명한 바와 같이 대장균으로부터 2,5-다이케토-디-글루코네이트 환원효소(2,5-diketo-D-gluconate reductase)의 유전자인 yqhE 유전자를 분리하고 이 유전자중 2,5-다이케토-디-글루코네이트 환원효소의 단백질만을 코딩하는 유전자를 플라스미드에 삽입하여 재조합 플라스미드 pTY-YQH를 제조하였으며 이 재조합 플라스미드로 대장균 DH5α를 형절전환시켜 대장균 ER2566(pTY-TQH)를 얻은 후 이 형질전환된 대장균 ER2566(pTY-TQH)을 배양하여 2,5-다이케토-디-글루코네이트를 비타민 C 전구체인 2-케토-엘-글로네이트로 전환시키는 재조합 2,5-다이케토-디-글루코네이트 환원효소를 대량생산하는 뛰어난 효과가 있으므로 생물의약산업상 매우 유용한 발명인 것이다.The present invention isolates the yqhE gene which is a gene of 2,5-diketo-D-gluconate reductase from E. coli as described in the above Examples and Experimental Examples Recombinant plasmid pTY-YQH was prepared by inserting the gene encoding only the protein of 2,5-diketo-di-gluconate reductase into the plasmid and transforming E. coli DH5α with the recombinant plasmid to transform E. coli ER2566 (pTY). -TQH), followed by culturing this transformed E. coli ER2566 (pTY-TQH) to convert 2,5-diketo-di-gluconate to 2-keto-el-glonate, a vitamin C precursor. It is a very useful invention in the biopharmaceutical industry because it has an excellent effect of mass-producing, 5-diketo-di-gluconate reductase.

Claims (7)

대장균으로부터 유래된 2,5-다이케토-디-글루코네이트 환원효소를 코딩하는 yqhE 유전자.YqhE gene encoding 2,5-diketo-di-gluconate reductase derived from E. coli. 제 1항에 있어서, 상기 yqhE 유전자가 하기 염기서열을 갖는 것을 특징으로 하는 2,5-다이케토-디-글루코네이트 환원효소 유전자.The 2,5-diketo-di-gluconate reductase gene of claim 1, wherein the yqhE gene has the following nucleotide sequence. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 yqhE 유전자가 하기 아미노산 서열을 갖는 것을 특징으로 하는 2,5-다이케토-디-글루코네이트 환원효소 유전자.The 2,5-diketo-di-gluconate reductase gene according to claim 1 or 2, wherein the yqhE gene has the following amino acid sequence. 대장균으로부터 유래된 2,5-다이케토-디-글루코네이트 환원효소 유전자인 yqhE 유전자가 삽입된 재조합 플라스미드 pTY-YQH.Recombinant plasmid pTY-YQH inserted with yqhE gene, which is a 2,5-diketo-di-gluconate reductase gene derived from E. coli. 대장균으로부터 유래된 2,5-다이케토-디-글루코네이트 환원효소 유전자인 yqhE 유전자가 삽입된 재조합 플라스미드 pTY-YQH로 형질전환된 대장균 ER2566(pTY-YQH) 균주(기탁번호 KCTC 2895).E. coli ER2566 (pTY-YQH) strain (accession number KCTC 2895) transformed with recombinant plasmid pTY-YQH inserted with yqhE gene, a 2,5-diketo-di-gluconate reductase gene derived from E. coli. 대장균으로부터 유래된 2,5-다이케토-디-글루코네이트 환원효소 유전자인 yqhE 유전자가 삽입된 재조합 플라스미드 pTY-YQH로 형질전환된 대장균 ER2566(pTY-YQH)을 배양하여 재조합 2,5-다이케토-디-글루코네이트 환원효소를 대량생산하는 방법.E. coli ER2566 (pTY-YQH) transformed with the recombinant plasmid pTY-YQH inserted with the yqhE gene, a 2,5-diketo-di-gluconate reductase gene derived from E. coli, was recombinant 2,5-da. A method for mass production of iketo-di-gluconate reductase. 대장균으로부터 유래된 2,5-다이케토-디-글루코네이트 환원효소 유전자로 형질전환된 대장균 ER2566(pTY-YQH)를 배양하여 얻은 재조합 2,5-다이케토-디-글루코네이트 환원효소를 기질인 2,5-다이케토-디-글루코네이트와 조효소인 NADPH를 사용하여 효소반응시켜 2-케토-엘-글로네이트를 생산하는 방법.Recombinant 2,5-diketo-di-gluconate reductase obtained by culturing E. coli ER2566 (pTY-YQH) transformed with a 2,5-diketo-di-gluconate reductase gene derived from E. coli A method for producing 2-keto-L-glonate by enzymatic reaction using 2,5-diketo-di-gluconate as a substrate and NADPH as a coenzyme.
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