KR20000000845A - Novel gene encoding trehalose biosynthetic enzyme and production method of trehalose thereby - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 브레비박테리움(Brevibacterium helvolum)에서 분리한 신규한 트레할로스 생합성효소 유전자 및 이를 이용한 트레할로스의 생산방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 브레비박테리움(Brevibacterium helvolum ATCC 11822)에서 발현되는 트레할로스 생합성효소를 암호화하는 유전자 및 그로부터 번역되는 트레할로스 생합성효소와, 이를 이용하여 다양한 기질, 특히 전분에서 효과적으로 트레할로스를 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a novel trehalose biosynthesis gene isolated from Brevibacterium helvolum and a method for producing trehalose using the same. More specifically, the present invention provides a gene encoding trehalose biosynthesis expressed in Brevibacterium helvolum ATCC 11822 and a trehalose biosynthetic enzyme translated therefrom, and using the same to effectively prepare trehalose in various substrates, especially starch. It is about how to.
트레할로스(α-D-glucopyranosyl-[1-1]-α-D-glucopyranose)는 곤충, 세균, 곰팡이, 효모 그리고 일부 식물체 등에서 발견되는 비환원성 이당류이다(Elbein, Adv. Carbohydr. Chem. Biochem., 30:227-256, (1974)). 트레할로스는 환원성 탄수화물의 저장 형태이기도 하지만 주로 영양분의 고갈, 고온, 건조, 산소 결핍, 삼투압 등 다양한 종류의 바람직하지 못한 물리적 화학적 외부 충격에서 비롯되는 나쁜 영향으로부터 세포를 보호하는 역할을 하는 것으로 알려졌다(Eleutherio et al., Cryobiology, 30:591-596, (1993)). 트레할로스는 건조과정에서 단백질과 세포막의 인지질과 수소결합을 하여 세포구조를 그대로 유지하게 해 주며 식품의 경우 고유의 풍미, 색상, 질감 등을 유지할 수 있게 한다(Crowe et al., Science, 223:701-703, (1984)). 그러므로 건조식품의 경우 색과 풍미를 보존하는 식품 첨가제로서 이용할 수 있을 뿐만 아니라 가용수분을 감소시키므로서 식품의 저장성을 향상시킬 수 있다. 트레할로스 생합성 반응경로는 효모와 대장균에서 가장 잘 알려져 있는데, 이들의 유전자는 이미 분리되었고 그 구조도 공지되어 있다(De Virgilio et al., Eur. J. Biochem., 212: 315-323, (1993); Kaasen et al., Gene, 145: 9-15, (1994)). 이외에도 Rhizobium sp. 등 근류균에서 트레할로스 합성활성이 측정되었다(Mueller et al., Physiol. Plant, 90: 86-92, (1994)). 현재 트레할로스는 효모 배양액에서 추출하여 식품 첨가제로 일부 사용하고 있는데 그 가격이 고가여서 실용화 되지 못하고 있는 문제점이 있다.Trehalose (α-D-glucopyranosyl- [1-1] -α-D-glucopyranose) is a non-reducing disaccharide found in insects, bacteria, fungi, yeast and some plants (Elbein, Adv. Carbohydr. Chem. Biochem., 30: 227-256, (1974). Trehalose is also a storage form of reducible carbohydrates, but it is known to protect cells from the adverse effects of various types of undesirable physical and chemical external impacts, such as depletion of nutrients, high temperatures, drying, oxygen deficiency, and osmotic pressure (Eleutherio et al., Cryobiology, 30: 591-596, (1993). Trehalose keeps the cell structure intact by phospholipids and hydrogen bonds of proteins and cell membranes during drying process. It also allows food to maintain its unique flavor, color and texture (Crowe et al., Science, 223: 701). -703, (1984)). Therefore, in the case of dried food can be used as a food additive to preserve the color and flavor as well as to improve the shelf life of the food by reducing the available water. Trehalose biosynthetic pathways are best known in yeast and Escherichia coli, whose genes have already been isolated and their structures are known (De Virgilio et al., Eur. J. Biochem., 212: 315-323, (1993). Kaasen et al., Gene, 145: 9-15, (1994)). In addition, Rhizobium sp. Trehalose synthetic activity was measured in the back mycorrhizal fungus (Mueller et al., Physiol. Plant, 90: 86-92, (1994)). At present, trehalose is extracted from the yeast culture and used as a food additive, but the price is expensive and there is a problem that has not been put to practical use.
따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 브레비박테리움(Brevibacterium helvolum ATCC 11822)이 트레할로스를 생산하는 것에 착안하여 브레비박테리움(Brevibacterium helvolum ATCC 11822)으로부터 트레할로스 생합성효소 유전자를 분리하고, 이 유전자를 대량발현시켜서 얻은 효소를 이용하여 트레할로스 합성효율을 증가시켰다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems, focusing on the production of trehalose by Brevibacterium helvolum ATCC 11822, trehalose biosynthesis gene from Brevibacterium helvolum ATCC 11822 The trehalose synthesis efficiency was increased by using the enzyme obtained by the isolation and mass expression of this gene.
본 발명의 목적은 브레비박테리움(Brevibacterium helvolum ATCC 11822)으로부터 분리한 신규한 트레할로스 생합성효소의 유전자들과 이들 유전자로부터 얻어지는 트레할로스 생합성 효소단백질을 제공함에 있다. 본 발명의 다른 목적은 본 발명의 트레할로스 생합성효소의 유전자로부터 얻어지는 효소단백질을 이용하여 트레할로스의 효과적인 생산방법을 제공함에 있다.It is an object of the present invention to provide novel trehalose biosynthesis genes isolated from Brevibacterium helvolum ATCC 11822 and trehalose biosynthetic enzyme proteins obtained from these genes. Another object of the present invention is to provide an efficient production method of trehalose using an enzyme protein obtained from the gene of the trehalose biosynthetic enzyme of the present invention.
본 발명의 상기의 목적은 브레비박테리움(Brevibacterium helvolum ATCC 11822)에서 발현되는 트레할로스 생합성효소를 암호화 하는 브레비박테리움 말토올리고실트레할로스 합성효소(이하, BvMTSase라 한다) 및 브레비박테리움 말토올리고실트레할로스 가수분해효소(이하, BvMTVHase라 한다) 유전자를 분리하고, 이들 BvMTSase 및 BvMTVHase 유전자를 발현벡터에 재조합한 후 대장균에서 대량발현하고, 발현된 재조합 단백질을 순수 분리한 후 각종 전분으로부터 트레할로스를 합성하므로써 달성하였다.The above object of the present invention is Brevibacterium maltooligosiltrehalose synthetase (hereinafter referred to as BvMTSase) and Brevibacterium maltooligo encoding trehalose biosynthesis expressed in Brevibacterium helvolum ATCC 11822 The siltrehalose hydrolase (hereinafter referred to as BvMTVHase) gene is isolated, these BvMTSase and BvMTVHase genes are recombined into expression vectors, expressed in Escherichia coli, and the expressed recombinant protein is purely separated, and then trehalose is synthesized from various starches. Achieved by doing so.
이하, 본 발명의 구성 및 작용을 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, the configuration and operation of the present invention will be described in detail.
도1은 브레비박테리움의 게놈 DNA를 BamHI, EcoRI, HindIII, KpnI 및 PstI 각각의 제한효소로 절단하고, 서던블럿 분석한 결과를 나타내는 사진이다.1 is a photograph showing the results of genomic DNA of Brevibacterium digested with restriction enzymes of BamHI, EcoRI, HindIII, KpnI, and PstI, respectively, and Southern blot analysis.
도2는 BvMTSase 및 BvMTHase 유전자에 해당하는 DNA 단편의 상대적 위치 및 제한효소 지도를 나타낸다.Figure 2 shows the relative position and restriction map of the DNA fragment corresponding to the BvMTSase and BvMTHase gene.
도3은 BvMTSase 및 BvMTHase 유전자의 염기서열 및 그로부터 번역되는 아미노산 서열을 나타낸다.Figure 3 shows the nucleotide sequence of the BvMTSase and BvMTHase gene and amino acid sequence translated therefrom.
도4는 발현벡터 pBvMTSase 및 pBvMTHase 플라스미드 제작과정 모식도이다.Figure 4 is a schematic diagram of the production of the expression vector pBvMTSase and pBvMTHase plasmid.
도5는 BvMTSase 및 BvMTHase 유전자를 대장균에서 대량 발현시킨 후 각각의 효소 단백질을 분리하고 SDS-PAGE 방법으로 확인한 결과이다.5 is a result of mass-expressing BvMTSase and BvMTHase genes in Escherichia coli, and then separating the respective enzyme proteins and confirming them by SDS-PAGE method.
도6은 도5에서 분리한 각각의 효소단백질을 이용하여 트레할로스 합성반응을 실시하고 얇은막 크로마토그래피 방법에 의해 트레할로스의 합성을 확인한 결과 이다.FIG. 6 shows the results of trehalose synthesis using the enzyme proteins isolated from FIG. 5 and the synthesis of trehalose by thin layer chromatography.
도7은 도6에서 실시한 반응중 말토펜타오스(G5)를 기질로 이용하여 트레할로스 합성반응을 실시하고 HPLC 방법에 의해 트레할로스의 합성을 확인하고 정량한 결과이다.FIG. 7 shows trehalose synthesis reaction using maltopentaose (G5) as a substrate, and confirms and quantifies trehalose synthesis by HPLC.
도8은 도5에서 순수분리한 각각의 효소단백질을 사용하여 전분을 기질로 트레할로스 합성반응을 실시하고 얇은막 크로마토그래피 방법에 의해 트레할로스의 합성을 확인한 결과이다.FIG. 8 shows the results of trehalose synthesis using starch as a substrate using each enzyme protein purified in FIG. 5, and the synthesis of trehalose by thin layer chromatography.
도9은 도8의 반응물 중 72시간 반응물을 HPLC 방법에 의해 트레할로스의 합성을 확인하고 정량한 결과이다.FIG. 9 is a result of quantifying the synthesis of trehalose for 72 hours in the reactants of FIG. 8 by HPLC method.
도10는 도5에서 순수분리한 각각의 효소단백질과 알파-아밀라제 효소를 혼합 사용하여 전분을 기질로 트레할로스 합성반응을 실시하고 얇은막 크로마토그래 피 방법에 의해 트레할로스의 합성을 확인한 결과이다.FIG. 10 shows the results of trehalose synthesis using starch as a substrate using a mixture of enzyme proteins and alpha-amylase enzymes purely separated in FIG. 5, and confirming trehalose synthesis by thin layer chromatography.
도11은 도10의 반응물 중 72시간 반응물을 HPLC 방법에 의해 트레할로스의 합성을 확인하고 정량한 결과이다.FIG. 11 is a result of confirming and quantifying the synthesis of trehalose by HPLC method for 72 hours from the reactants of FIG. 10.
본 발명은 브레비박테리움으로부터 게놈 DNA를 분리하는 단계; 이들 게놈 DNA로부터 트레할로스 생합성 유전자의 분리단계; 대장균에서의 BvMTSase 및 BvMTVHase 유전자의 발현 및 순수분리 단계; BvMTSase 및 BvMTVHase 효소단백질을 이용하여 트레할로스를 합성하는 단계; 및 각종 전분으로부터 트레할로스를 합성하는 단계로 이루어진다.The present invention comprises the steps of separating genomic DNA from Brevibacterium; Isolation of trehalose biosynthetic genes from these genomic DNAs; Expression and pure separation of BvMTSase and BvMTVHase genes in E. coli; Synthesizing trehalose using the BvMTSase and BvMTVHase enzyme proteins; And synthesizing trehalose from various starches.
브레비박테리움(Brevibacterium helvolum ATCC 11822)으로부터 게놈 DNA를 분리하기 위하여 샘부룩등의 방법을 변형하여 브레비박테리움으로부터 게놈 DNA를 분리하였다(Sambrook, J. et al., Molecular Cloning: A Laboratory Mannual, 2nd Ed., Cold Spring Harbor Laboratory, 1989). 브레비박테리움 배양액을 원심분리하여 브레비박테리움을 모으고, 라이소자임(lysozyme), 10% SDS, 5M NaCl 및 CTAB 용액(10% CTAB, 0.7M NaCl)을 첨가한 후 반응하였다. 반응이 끝난 후 페놀, 클로로포름 및 이소아밀알코올을 각각 25:24:1중량부로 혼합한 혼합용액을 첨가하고, 원심분리하여 상등액을 취한 후, 상등액과 같은 부피의 이소프로필알코올(isopropyl alcohol)을 첨가하고 침전된 DNA를 분리하였다. 분리된 DNA에 RNase A 및 단백질 가수분해효소 K(proteinase K) 함유용액을 가한 후 37℃에서 30분간 처리하였다. 반응이 끝난 후 페놀과 클로로포름 및 이소아밀알코올을 각각 25:24:1의 중량부로 혼합한 혼합용액을 첨가하고, 원심분리하여 상등액을 취하였다. 상등액을 취한 후 NaCl을 첨가하여 200mM의 농도로 조성한 후 2배 부피의 에틸알코올(ethyl alcohol)을 첨가하여 DNA를 침전시켰다.In order to separate genomic DNA from Brevibacterium helvolum ATCC 11822, the method of Samburk et al. Was modified to isolate genomic DNA from Brevibacterium (Sambrook, J. et al., Molecular Cloning: A Laboratory Mannual). , 2nd Ed., Cold Spring Harbor Laboratory, 1989). Brevibacterium cultures were centrifuged to collect Brevibacterium, and reacted after adding lysozyme, 10% SDS, 5M NaCl and CTAB solution (10% CTAB, 0.7M NaCl). After the reaction was completed, a mixed solution of phenol, chloroform and isoamyl alcohol was mixed at 25: 24: 1 parts by weight, and the supernatant was taken by centrifugation, and then the same volume of isopropyl alcohol as the supernatant was added. And precipitated DNA was isolated. RNase A and a proteinase K-containing solution were added to the isolated DNA, and then treated at 37 ° C. for 30 minutes. After the reaction was completed, a mixed solution containing phenol, chloroform and isoamyl alcohol in a weight part of 25: 24: 1 was added thereto, followed by centrifugation to obtain a supernatant. After taking the supernatant, NaCl was added to form a concentration of 200 mM, and then doubled volume of ethyl alcohol was added to precipitate DNA.
브레비박테리움의 게놈 DNA로부터 트레할로스 합성 유전자의 분리에 이용되는 프로브(probe)는 본 발명자들이 기존에 분리한 마이코박테리움(Mycobacterium tuberculosis H37Rv)의 트레할로스 합성효소 유전자를 이용하였다. 브레비박테리움의 게놈 DNA로부터 트레할로스 합성 유전자를 분리하기 위하여, 브레비박테리움의 게놈 DNA를 BamHI, EcoRI, HindIII, KpnI 및 PstI 각각의 제한효소로 절단하고, 아가로스 겔 전기영동한 다음,32P가 표지된 마이코박테리움의 트레할로스 합성 효소 유전자 DNA 단편을 프로브로 이용하여 서던블럿 분석을 실시하였다(Sambrook, J. et al., Molecular Cloning: A Laboratory Mannual, 2nd Ed., Cold Spring Harbor Laboratory, 1989). 그 결과 EcoRI으로 절단한 경우 약 4.3kbp 크기의 DNA 단편이 프로브 DNA와 혼성화되었다. 4.3kbp 크기의 EcoRI DNA 단편을 분리하고 이를 클로닝한 후 제한효소지도를 작성하고 염기서열을 결정하였다. 그 결과 염기서열을 결정한 DNA 단편의 크기는 4,715bp이며, 두 개의 트레할로스 생합성 관련효소를 암호화하고 있다. 첫번째 유전자는 구조유전자 부분이 2,328bp인 브레비박테리움 말토올리고실트레할로스 합성효소(Brevibacterium maltooligosyltrehalose synthase: BvMTSase) 유전자이고, 이로부터 번역되는 브레비박테리움 말토올리고실트레할로스 합성효소(BvMTSase)는 아미노산 776개로 구성된 약 85.8kDa의 분자량을 갖는 단백질이다. 이 효소는 말토올리고당(maltooligosaccharide)의 환원말단에 존재하는 α(1→4)글리코시딕 결합을 α(1→1) 글리코시딕 결합으로 전환시켜 말토올리고실 트레할로스(maltooligosyl trehalose)를 생성한다. 두번째 유전자는 구조유전자 부분이 1,767bp인 브레비박테리움 말토올리고실트레할로스 가수분해효소(Brevibacterium maltooligosyl trehalose trehalohydrolase: BvMTHase) 유전자이고, 이로부터 번역되는 브레비박테리움 말토올리고실트레할로스 가수분해효소 (BvMTHase)는 아미노산 589개로 구성된 약 64.2kDa의 분자량을 갖는 단백질이다. 이 효소는 BvMTSase에 의해 생성된 말토올리고실 트레할로스의 말토올리고실 부위와 트레할로스 부위간의 α(1→4) 글리코시딕 결합을 가수분해시켜 포도당의 단위가 2개 적어진 말토올리고당과 트레할로스를 생성한다.The probe used for isolation of trehalose synthetic gene from genomic DNA of Brevibacterium used the trehalose synthase gene of Mycobacterium tuberculosis H37Rv, which the present inventors have previously isolated. To isolate trehalose synthetic genes from Brevibacterium genomic DNA, genomic DNA of Brevibacterium was digested with restriction enzymes of BamHI, EcoRI, HindIII, KpnI and PstI, and then agarose gel electrophoresis, 32 Southern blot analysis was performed using P-labeled Mycobacterium trehalose synthase gene DNA fragment as a probe (Sambrook, J. et al., Molecular Cloning: A Laboratory Mannual, 2nd Ed., Cold Spring Harbor Laboratory). , 1989). As a result, a DNA fragment of about 4.3kbp hybridized with the probe DNA when digested with EcoRI. 4.3 kbp sized EcoRI DNA fragments were isolated and cloned. As a result, the size of the DNA fragment that determined the base sequence is 4,715bp, encoding two trehalose biosynthesis-related enzymes. The first gene is the Brevibacterium maltooligosyltrehalose synthase (BvMTSase) gene with a structural gene portion of 2,328 bp, and the Brevibacterium maltooligosiltrehalose synthase (BvMTSase) translated therefrom is amino acid 776 It is a protein with a molecular weight of about 85.8kDa consisting of dogs. This enzyme converts α (1 → 4) glycosidic bonds at the reduced end of maltooligosaccharide to α (1 → 1) glycosidic bonds to produce maltooligosyl trehalose. The second gene is the Brevibacterium maltooligosyl trehalose trehalohydrolase (BvMTHase) gene, whose structural gene is 1,767 bp, and is translated from the Brevibacterium maltooligosyltrehalose hydrolase (BvMTHase). Is a protein having a molecular weight of about 64.2 kDa consisting of 589 amino acids. This enzyme hydrolyzes α (1 → 4) glycosidic bonds between the maltooligolic and trehalose sites of maltooligolic trehalose produced by BvMTSase, resulting in maltooligosaccharides and trehalose with two fewer glucose units. .
분리한 유전자로부터 번역되어 얻어지는 BvMTSase 및 BvMTHase 두가지 효소단백질을 이용하여 트레할로스를 합성할 수 있는지 확인하기 위하여 각각의 유전자를 대장균에서 발현시키고, 발현된 두가지 효소단백질을 순수 분리한 후 트레할로스 합성능을 검정하였다. 각각의 구조유전자부분을 분리하고 대장균에서의 발현벡터인 pRSET 플라스미드에 삽입하여 각각의 효소단백질의 발현을 유도하였다. 발현된 각각의 효소단백질은 Ni2+-NTA-agarose 흡착 겔 크로마토그래피를 이용하여 순수분리하였고 SDS-PAGE 전기영동을 이용하여 각각의 효소단백질이 발현됨을 확인하였다. 분리한 두가지 효소단백질의 트레할로스 합성능을 검정하기 위하여 여러 가지 말토올리고당을 기질로하여 트레할로스 합성반응을 실시하였다. 그 결과, 홀수개의 포도당 단위로 되어있는 말토올리고당들은 최종 반응물이 트레할로스와 말토트리오스(maltotriose, G3)이며, 말토트리오스는 더 이상 가수분해되지 않았다. 짝수개의 포도당 단위로 되어있는 말토올리고당들은 최종 반응물이 트레할로스와 말토테트라오스(maltotetraose, G4)이며, 말토테트라오스를 장시간 반응하였을 경우 소량만이 트레할로스와 말토스(maltose)로 전환됨을 알 수 있었다. 말토펜타오스에 BvMTSase를 반응시켰을 때, 말토펜타오스의 약 80%가 말토트리오실 트레할로스(maltotriosyl trehalose)로 전환되었음을 확인하였다. 그러나 말토펜타오스에 BvMTHase를 반응시켰을 때, 이 효소는 말토펜타오스와 직접적으로는 반응하지 않았다. 말토펜타오스에 BvMTSase과 BvMTHase를 모두 반응시킨 경우, 말토펜타오스는 트레할로스와 말토트리오스(maltotriose)로 100% 전환되었다. 분리한 두가지 효소단백질이 전분(soluble starch)과는 어떻게 반응하는지를 알아보기 위하여 전분을 기질로하여 트레할로스 합성반응을 실시하였다. 그 결과, 전분으로부터 트레할로스를 합성하는 것을 확인하였으며, 이 방법에 의해 전분으로부터 트레할로스를 대량 생산할 수 있는 방법을 개발하였다.To confirm whether trehalose can be synthesized using two enzyme proteins BvMTSase and BvMTHase obtained from the isolated gene, each gene was expressed in Escherichia coli, and the two enzyme proteins expressed were purely separated and assayed for trehalose synthesis. . Each structural gene was isolated and inserted into pRSET plasmid, which is an expression vector in E. coli, to induce the expression of each enzyme protein. Each enzyme protein expressed was purified by Ni 2+ -NTA-agarose adsorption gel chromatography, and each enzyme protein was confirmed by SDS-PAGE electrophoresis. In order to assay the trehalose synthesis ability of the two enzyme proteins, trehalose synthesis reaction was carried out using various maltooligosaccharides as substrates. As a result, maltooligosaccharides in odd glucose units were the final reactants trehalose and maltotriose (G3), and maltotriose was no longer hydrolyzed. Maltooligosaccharides, which are even glucose units, were found to be trehalose and maltotetraose (G4), and only a small amount of maltotetraose was converted to trehalose and maltose when maltotetraose was reacted for a long time. When BvMTSase was reacted with maltopentaose, it was confirmed that about 80% of maltopentaose was converted to maltotriosyl trehalose. However, when BvMTHase was reacted with maltopentaose, the enzyme did not react directly with maltopentaose. When maltopentaose was reacted with both BvMTSase and BvMTHase, maltopentaose was converted to trehalose and maltotriose by 100%. Trehalose synthesis was performed using starch as a substrate to see how the two enzyme proteins reacted with starch. As a result, it was confirmed that trehalose was synthesized from starch, and a method for mass production of trehalose from starch was developed by this method.
이하, 본 발명은 실시예를 통하여 보다 상세히 설명하나 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지는 않는다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the scope of the present invention is not limited by these Examples.
실시예 1. 브레비박테리움으로부터의 게놈 DNA 분리Example 1. Genomic DNA Isolation from Brevibacterium
브레비박테리움(Brevibacterium helvolum ATCC 11822)으로부터 게놈 DNA를 분리하기 위하여 샘부룩 등의 방법(Sambrook, J. et al., Molecular Cloning: A Laboratory Mannual, 2nd Ed., Cold Spring Harbor Laboratory, 1989)을 변형하여 브레비박테리움으로부터 게놈 DNA를 분리하였다. 브레비박테리움을 37℃ 조건하에서 18시간동안 50mL의 LB 배지를 사용하여 배양하였다. 배양액을 원심분리하여 브레비박테리움을 모으고, TE 완충액(10mM Tris-HCl/pH8.0, 1mM EDTA/pH8.0)을 이용하여 라이소자임(lysozyme)을 2mg/mL의 농도로 제조한 후 5.5mL를 가하였다. 37℃에서 1시간 반응한 후 760㎕의 10% SDS를 가하여 65℃에서 10분간 반응하고, 1mL의 5M NaCl과 800㎕의 CTAB 용액(10% CTAB, 0.7M NaCl)을 첨가한 후 65℃에서 10분간 반응하였다. 반응이 끝난 후 8mL의 페놀과 클로로포름 및 이소아밀알코올을 각각 25:24:1의 부피비로 혼합한 혼합용액을 첨가하고, 원심분리하여 상등액을 취하였다. 상등액과 같은 부피의 이소프로필알코올(isopropyl alcohol)을 첨가한 후 천천히 잘 혼합하여 침전된 DNA를 분리하였다. 분리된 DNA를 500㎕의 TE 완충액에 용해시킨 후, RNase A를 10㎍/mL의 농도로 첨가하여 37℃에서 30분 처리하고, 단백질 가수분해효소 K (proteinase K) 함유용액(5㎎/mL) 10㎕를 가한 후 37℃에서 30분 처리하였다. 반응이 끝난 후 500㎕의 페놀과 클로로포름 및 이소아밀알코올을 각각 25:24:1의 중량부로 혼합한 혼합용액을 첨가하고, 원심분리하여 상등액을 취하였다. 상등액을 취한 후 NaCl을 첨가하여 200mM의 농도로 조성한 후 1mL의 에틸알코올(ethyl alcohol)을 첨가하여 DNA를 침전시켰다.To isolate genomic DNA from Brevibacterium helvolum ATCC 11822, Sambrook et al. (Sambrook, J. et al., Molecular Cloning: A Laboratory Mannual, 2nd Ed., Cold Spring Harbor Laboratory, 1989) Modifications isolated genomic DNA from Brevibacterium. Brevibacterium was incubated with 50 mL of LB medium for 18 hours at 37 ° C. The Brevibacterium was collected by centrifugation of the culture medium, and lysozyme was prepared at a concentration of 2 mg / mL using TE buffer (10 mM Tris-HCl / pH8.0, 1 mM EDTA / pH8.0), and then 5.5mL. Was added. After 1 hour of reaction at 37 ° C., 760 μl of 10% SDS was added and reacted at 65 ° C. for 10 minutes. After adding 1 mL of 5M NaCl and 800 μl of CTAB solution (10% CTAB, 0.7M NaCl) at 65 ° C. The reaction was carried out for 10 minutes. After the reaction, a mixed solution of 8 mL of phenol, chloroform and isoamyl alcohol in a volume ratio of 25: 24: 1 was added thereto, and the supernatant was taken by centrifugation. After adding the same volume of isopropyl alcohol (isopropyl alcohol) to the supernatant slowly mixed well to separate the precipitated DNA. After dissolving the isolated DNA in 500 μl of TE buffer, RNase A was added at a concentration of 10 μg / mL and treated at 37 ° C. for 30 minutes, and a solution containing proteinase K (5 mg / mL) was added. ) 10 μl was added and then treated at 37 ° C. for 30 minutes. After the reaction was completed, a mixed solution containing 500 µl of phenol, chloroform, and isoamyl alcohol in a weight part of 25: 24: 1 was added thereto, and the supernatant was collected by centrifugation. After taking the supernatant, NaCl was added to form a concentration of 200 mM, and then 1 mL of ethyl alcohol was added to precipitate DNA.
실시예 2. 트레할로스 생합성 유전자의 분리Example 2 Isolation of Trehalose Biosynthesis Genes
브레비박테리움의 게놈 DNA로부터 트레할로스 합성 유전자의 분리에 이용되는 프로브(probe)는 본 발명자들이 기존에 분리한 마이코박테리움(Mycobacterium tuberculosis H37Rv)의 트레할로스 합성효소 유전자를 이용하였다. 브레비박테리움의 게놈 DNA로부터 트레할로스 합성 유전자를 분리하기 위하여, 브레비박테리움의 게놈 DNA를 BamHI, EcoRI, HindIII, KpnI 및 PstI 각각의 제한효소로 절단하고, 아가로스 겔 전기영동한 다음,32P가 표지된 마이코박테리움의 트레할로스 합성 효소 유전자 DNA 단편을 프로브로 이용하여 서던블럿 분석을 실시하였다(Sambrook, J. et al., Molecular Cloning: A Laboratory Mannual, 2nd Ed., Cold Spring Harbor Laboratory, 1989). 실험결과, 도1에서 보듯이, 레인 M1은 DNA 크기마커로서 λDNA를 HindIII로 절단한 결과이고, M2는 DNA 크기마커로서 pUC18 플라스미드 DNA를 EcoRI과 HindIII로 절단한 결과이며 레인 1 부터 5는 브레비박테리움의 게놈 DNA를 BamHI, EcoRI, HindIII, KpnI 및 PstI 각각의 제한효소로 절단한 결과를 나타낸다. 이때, EcoRI으로 절단한 경우 약 4.3kbp 크기의 DNA 단편이 프로브 DNA와 혼성화되었다.The probe used for isolation of trehalose synthetic gene from genomic DNA of Brevibacterium used the trehalose synthase gene of Mycobacterium tuberculosis H37Rv, which the present inventors have previously isolated. To isolate trehalose synthetic genes from Brevibacterium genomic DNA, genomic DNA of Brevibacterium was digested with restriction enzymes of BamHI, EcoRI, HindIII, KpnI and PstI, and then agarose gel electrophoresis, 32 Southern blot analysis was performed using P-labeled Mycobacterium trehalose synthase gene DNA fragment as a probe (Sambrook, J. et al., Molecular Cloning: A Laboratory Mannual, 2nd Ed., Cold Spring Harbor Laboratory). , 1989). Experimental results, as shown in Figure 1, lane M1 is a DNA size marker as a result of cleavage of λ DNA with HindIII, M2 is a DNA size marker as a result of cleavage of pUC18 plasmid DNA with EcoRI and HindIII and lanes 1 to 5 are Brevibac Genomic DNA of terium is digested with restriction enzymes of BamHI, EcoRI, HindIII, KpnI and PstI, respectively. At this time, the DNA fragment of about 4.3kbp was hybridized with the probe DNA when digested with EcoRI.
이어서, 상기 4.3kbp 크기의 EcoRI DNA 단편을 분리하고 이를 EcoRI으로 절단한 플라스미드 pUC18에 삽입하였다. 이렇게 제조된 재조합 플라스미드로 대장균 MC1061을 형질전환시킨 다음, 콜로니혼성화를 실시하여 양성을 나타내는 대장균을 선별하였으며, 이들 대장균으로부터 플라스미드를 분리하여, 제한효소지도를 작성하고 염기서열을 결정하였다. 상기 분리한 EcoRI DNA 단편을 pBvR4.3이라 명명하고, 염기서열을 결정하여본 결과, pBvR4.3은 트레할로스 합성효소 유전자의 5' 부위 일부분만을 포함하고 있었다. 전체 유전자를 분리하기 위하여 다른 제한효소로 처리한 DNA를 이용하여 서던블럿 분석을 실시한 결과, 브레비박테리움 게놈 DNA를 SalI으로 절단한 경우 약 6.0kbp 크기의 DNA 단편이 프로브 DNA와 혼성화되었다. 6.0kbp 크기의 SalI DNA 단편을 분리하고 이를 SalI으로 절단한 플라스미드 pUC18에 삽입하였다. 이렇게 제조된 재조합 플라스미드로 상기에서 기술한 것과 동일한 방법으로 콜로니혼성화를 실시하여 양성을 나타내는 대장균을 선별하였으며, 이들 대장균으로부터 플라스미드를 분리하여, 제한효소지도를 작성하고 염기서열을 결정하였다. 분리한 SalI DNA 단편을 pBvS6.0이라 명명하고 염기서열을 결정하여본 결과, pBvS6.0은 pBvR4.0의 3' 부위의 약 1kbp 정도가 겹쳐지며 트레할로스 합성효소 유전자의 3' 부위를 전부 포함하고 있었다.The 4.3 kbp sized EcoRI DNA fragment was then isolated and inserted into plasmid pUC18 digested with EcoRI. E. coli MC1061 was transformed with the recombinant plasmid thus prepared, and colony hybridization was performed to select positive E. coli. The plasmid was separated from these E. coli, and a restriction enzyme map was prepared to determine the base sequence. The isolated EcoRI DNA fragment was named pBvR4.3, and the base sequence was determined. As a result, pBvR4.3 contained only a portion of the 5 'region of trehalose synthase gene. Southern blot analysis was performed using DNAs treated with other restriction enzymes to isolate whole genes. As a result of cleavage of Brevibacterium genomic DNA with SalI, a DNA fragment of about 6.0 kbp was hybridized with the probe DNA. SalI DNA fragments of 6.0 kbp size were isolated and inserted into plasmid pUC18 digested with SalI. The recombinant plasmid thus prepared was subjected to colony hybridization in the same manner as described above to select positive E. coli. The plasmid was isolated from these E. coli, and a restriction enzyme map was prepared to determine the base sequence. The isolated SalI DNA fragment was named pBvS6.0 and the nucleotide sequence was determined. As a result, pBvS6.0 overlaps about 1 kbp of the 3 'region of pBvR4.0 and includes all 3' regions of trehalose synthase gene. there was.
상기에서 수득한 pBvR4.3 및 pBvS6.0에 해당하는 DNA 단편의 상대적인 위치 및 제한효소 지도는 도2에 나타내었다. 도2에서, E는 EcoRI, S는 SalI, B는 BamHI, H는 HindIII의 제한효소 절단부위를 각각 나타내며, 화살표는 염기서열이 결정된 DNA 단편 및 서열결정의 방향을 나타낸다.The relative positions and restriction maps of the DNA fragments corresponding to pBvR4.3 and pBvS6.0 obtained above are shown in FIG. 2. In Figure 2, E represents EcoRI, S represents SalI, B represents BamHI, H represents HindIII restriction sites, and arrows indicate the direction of DNA fragment and sequencing determined.
전체 트레할로스 생합성 유전자의 염기서열 및 이로부터 번역되는 아미노산 서열을 도3에 나타내었다. 도3에서, 밑줄친 부분은 리보솜 결합부위, 그림자 부위는 알파-아밀라제 계통의 효소에서 공통적으로 발견되는 아미노산 서열, (눈표)는 번역종결부위를 각각 나타낸다. 실험결과, 염기서열을 결정한 DNA 단편의 크기는 4,715bp이며, 두개의 트레할로스 생합성 관련효소를 암호화하고 있다. 첫번째 유전자는 구조유전자 부분이 2,328bp인 브레비박테리움 말토올리고실트레할로스 합성효소(Brevibacterium maltooligosyltrehalose synthase: BvMTSase) 유전자이고, 이로부터 번역되는 브레비박테리움 말토올리고실트레할로스 합성효소 (BvMTSase)는 아미노산 776개로 구성된 약 85.8kDa의 분자량을 갖는 단백질이다. 이 효소는 말토올리고당(maltooligosaccharide)의 환원말단에 존재하는 α(1→4)글리코시딕 결합을 α(1→1)글리코시딕 결합으로 전환시켜 말토올리고실 트레할로스(maltooligosyltrehalose)를 생성한다. 두번째 유전자는 구조유전자 부분이 1,767bp인 브레비박테리움 말토올리고실트레할로스 가수분해효소(Brevibacterium maltooligosyltrehalose trehalohydrolase: BvMTHase) 유전자이고, 이로부터 번역되는 브레비박테리움 말토올리고실트레할로스 가수분해효소(BvMTHase)는 아미노산 589개로 구성된 약 64.2kDa의 분자량을 갖는 단백질이다. 이 효소는 BvMTSase에 의해 생성된 말토올리고실트레할로스의 말토올리고실 부위와 트레할로스 부위간의 α(1→4) 글리코시딕 결합을 가수분해시켜 포도당의 단위가 2개 적어진 말토올리고당과 트레할로스를 생성한다.The nucleotide sequence of the entire trehalose biosynthesis gene and the amino acid sequence translated therefrom are shown in FIG. 3. In FIG. 3, the underlined portion shows the ribosome binding site, the shadowed portion shows the amino acid sequence commonly found in enzymes of the alpha-amylase line, and the (mark) indicates the translation termination site, respectively. As a result, the DNA fragment having the base sequence was 4,715 bp in size, encoding two trehalose biosynthesis related enzymes. The first gene is the Brevibacterium maltooligosyltrehalose synthase (BvMTSase) gene with a structural gene portion of 2,328bp, and the Brevibacterium maltooligosiltrehalose synthase (BvMTSase) translated therefrom is amino acid 776 It is a protein with a molecular weight of about 85.8kDa consisting of dogs. This enzyme converts α (1 → 4) glycosidic bonds at the reduced end of maltooligosaccharide to α (1 → 1) glycosidic bonds to produce maltooligosyltrehalose. The second gene is the Brevibacterium maltooligosyltrehalose trehalohydrolase (BvMTHase) gene whose structural gene portion is 1,767 bp, and the translated Brevbacterium maltooligosyltrehalose hydrolase (BvMTHase) is It is a protein having a molecular weight of about 64.2 kDa consisting of 589 amino acids. This enzyme hydrolyzes α (1 → 4) glycosidic bonds between the maltooligosil and trehalose sites of maltooligosiltrehalose produced by BvMTSase to produce maltooligosaccharides and trehalose with two fewer glucose units. .
실시예 3. 대장균에서의 BvMTSase 및 BvMTHase 유전자의 발현 및 순수분리Example 3 Expression and Pure Separation of BvMTSase and BvMTHase Genes in Escherichia Coli
상기 실시예 2에서 분리한 유전자로부터 번역되는 BvMTSase 및 BvMTHase 두가지 효소단백질을 이용하여 트레할로스를 합성할 수 있는지 확인하기 위하여 각각의 유전자를 대장균에서 발현시키고, 발현된 두가지 효소단백질을 순수 분리한 후 트레할로스 합성능을 검정하였다. BvMTSase 구조 유전자 부분을 제한효소 EcoRI 및 EcoRv로 처리하여 절단한 절단부위를 대장균에서의 발현벡터인 pRSET 플라스미드에 삽입하여 pBvMTSase 플라스미드를 제조하고, 또한 BvMTHase 구조 유전자 부분을 제한효소 Hind III 및 KpnI으로 처리하여 절단한 절단부위를 대장균에서의 발현벡터인 pRSET 플라스미드에 삽입하여 pBvMTHase 플라스미드를 제조하였다(도4). 이렇게 제조된 각각의 재조합 플라스미드로 대장균 BL21을 형질전환시키고, 12시간 배양한 후, IPTG(isopropyl-β-D-thiogalactoside)를 최종농도 1mM이 되도록 첨가하고 4시간 더 배양하여 각각의 효소단백질의 발현을 유도하였다. 발현된 각각의 효소단백질은 Ni2+-NTA-agarose 흡착 겔 크로마토그래피를 이용하여 순수분리하였고, 발현된 효소 단백질을 SDS-PAGE 전기영동을 실시하였다. 실험결과, 도5에서 보듯이, 레인 M은 단백질분자량마커이고, C는 control 실험으로서 pRSET 플라스미드만을 포함하는 대장균으로부터 전체 단백질을 추출하고 SDS-PAGE 전기영동한 결과이며, 레인 1, 3은 BvMTSase 및 BvMTHase 유전자를 포함하는 pRMTS 및 pRMTH 플라스미드를 대장균에서 유도발현시키고, 각각 전체 단백질을 추출하여 SDS-PAGE 전기영동한 결과이다. 레인 2, 4는 발현된 각각의 효소단백질을 Ni2+-NTA-agarose 흡착 겔 크로마토그래피를 이용하여 순수분리한 결과이다. 이때, BvMTSase 및 BvMTHase 유전자를 포함하는 pRMTS 및 pRMTH 플라스미드를 대장균에서 유도발현시킨 경우, BvMTSase 및 BvMTHase 효소는 특이적으로 다량 발현되었다. 본 발명자들은 형질전환된 상기 대장균을 각각 Escherichia coliBL21(pVvMTHase) 및 Escherichia coliBL21(pVvMTSase)로 명명하고, 한국과학기술연구원 부설 생명공학연구소 유전자은행에 1998년 5월 12일 기탁번호 KCTC 0474BP 및 KCTC 0475BP호로 각각 기탁하였다.In order to confirm whether trehalose can be synthesized using two enzyme proteins BvMTSase and BvMTHase which are translated from the gene isolated in Example 2, each gene is expressed in Escherichia coli, and the two expressed enzyme proteins are purely separated, and then the trehalose sum is combined. Performance was assayed. A cleavage site cut by treatment of the BvMTSase structural gene portion with the restriction enzymes EcoRI and EcoRv was inserted into the pRSET plasmid, which is an expression vector of E. coli, to prepare a pBvMTSase plasmid. The cleaved cleavage site was inserted into the pRSET plasmid, which is an expression vector in Escherichia coli, to prepare a pBvMTHase plasmid (FIG. 4). E. coli BL21 was transformed with each of the recombinant plasmids thus prepared, and cultured for 12 hours, followed by addition of IPTG (isopropyl-β-D-thiogalactoside) to a final concentration of 1 mM and incubation for another 4 hours to express each enzyme protein. Induced. The expressed enzyme protein was purified by Ni 2+ -NTA-agarose adsorption gel chromatography, and the expressed enzyme protein was subjected to SDS-PAGE electrophoresis. Experimental results, as shown in Figure 5, lane M is the protein molecular weight marker, C is a control experiment to extract the entire protein from E. coli containing only pRSET plasmid and SDS-PAGE electrophoresis, lanes 1, 3 are BvMTSase and PRMTS and pRMTH plasmid containing the BvMTHase gene were induced in E. coli, and the entire protein was extracted and SDS-PAGE electrophoresis was performed. Lanes 2 and 4 are the result of pure separation of each expressed protein using Ni 2+ -NTA-agarose adsorption gel chromatography. In this case, when pRMTS and pRMTH plasmids including BvMTSase and BvMTHase genes were induced in E. coli, BvMTSase and BvMTHase enzymes were specifically expressed in large amounts. The present inventors named the transformed Escherichia coli as Escherichia coliBL21 (pVvMTHase) and Escherichia coliBL21 (pVvMTSase), respectively, and deposited with KCTC 0474BP and KCTC 0475BP on May 12, 1998 to the Korea Institute of Science and Technology. Each was deposited.
실시예 4. BvMTSase 및 BvMTHase 효소단백질을 이용한 트레할로스 합성 및 기질 특이성Example 4 Trehalose Synthesis and Substrate Specificity Using BvMTSase and BvMTHase Enzyme Proteins
상기 실시예 3에서 순수 분리한 BvMTSase 및 BvMTHase 효소단백질의 트레할로스 합성능 및 기질 특이성을 알아보기 위하여 여러가지 말토올리고당을 기질로하여 트레할로스 합성실험을 실시하였다. 반응조건은 50mM 인산완충용액(pH 7.0) 조건하에서 여러가지 말토올리고당을 1mM의 농도로 첨가하고 각각 500ng의 순수분리한 효소를 첨가하여 전체 반응부피를 50㎕로 하였다. 이를 37℃에서 1시간 반응시키고, 95℃에서 10분동안 처리하여 반응을 종결시킨 후 얇은막 크로마토그래피 방법으로 트레할로스 합성을 확인하였다. 실험결과, 도6에서 보듯이 레인 1은 기준물질로서 트레할로스(trehalose, T), 말토트리오스(maltotriose, G3), 말토테트라오스(maltotetraose, G4), 말토펜타오스(maltopentaose, G5), 말토헥사오스(maltohexaose, G6), 말토헵타오스(maltoheptaose, G7)의 혼합물이다. 레인 2부터 8까지는 각각 말토트리오스, 말토테트라오스, 말토펜타오스, 말토헥사오스, 말토헵타오스, 말토올리고당 및 수용성 전분을 기질로 사용하여 트레할로스 합성실험을 실시한 결과이다. 5개 이상 홀수개의 포도당 단위로 되어있는 말토올리고당들(레인 2, 4, 6)은 최종 반응물이 트레할로스와 말토트리오스(G3)이며, 말토트리오스는 더 이상 가수분해되지 않았다. 6개 이상 짝수개의 포도당 단위로 되어있는 말토올리고당(레인 3, 5)들은 최종 반응물이 트레할로스와 말토테트라오스(G4)이며, 말토테트라오스를 장시간 반응하였을 경우 소량만이 트레할로스와 말토스(maltose)로 전환되었다. 그러나 전분을 기질로 사용하여 같은 반응조건에서 트레할로스 합성을 실시한 결과는 트레할로스의 생성이 매우 낮은 수준이었다(레인 8).In order to investigate trehalose synthesis ability and substrate specificity of the purely isolated BvMTSase and BvMTHase enzyme proteins in Example 3, trehalose synthesis experiments were performed using various maltooligosaccharides as substrates. Under the conditions of 50 mM phosphate buffer solution (pH 7.0), various maltooligosaccharides were added at a concentration of 1 mM, and 500 ng of pure enzyme was added to make the total reaction volume 50 µl. The reaction was carried out at 37 ° C. for 1 hour, treated at 95 ° C. for 10 minutes to terminate the reaction, and then confirmed trehalose synthesis by thin layer chromatography. Experimental results, as shown in Figure 6 lane 1 is a reference material trehalose (trehalose (T), maltotriose (G3), maltotetraose (maltotetraose (G4), maltopentaose (G5), maltohexa) Maltohexaose (G6), maltoheptaose (maltoheptaose, G7) is a mixture. Lanes 2 to 8 are the results of trehalose synthesis experiments using maltotriose, maltotetraose, maltopentose, maltohexaose, maltoheptaose, maltooligosaccharide, and water-soluble starch as substrates, respectively. Maltooligosaccharides (lanes 2, 4, 6), consisting of five or more odd glucose units, were the final reactants trehalose and maltotriose (G3), and maltotriose was no longer hydrolyzed. Malto-oligosaccharides (lanes 3 and 5) consisting of 6 or more even glucose units are the final reactants trehalose and maltotetraose (G4), and only a small amount of trehalose and maltose when maltotetraose is reacted for a long time Switched to However, trehalose synthesis using starch as a substrate resulted in very low levels of trehalose production (lane 8).
또한, 상기실험에서 사용한 여러가지 말토올리고당 중에서 말토펜타오스를 BvMTSase 및 BvMTHase 효소단백질로 처리하고, 트레할로스 합성을 실시한 후 합성된 트레할로스에 HPLC 방법을 실시하였다. 실험결과, 도7a에서 보듯이 말토펜타오스에 BvMTSase를 반응시켰을 때, 1시간 후 말토펜타오스(G5)의 약 80%가 말토트리오실트레할로스(maltotriosyltrehalose: G3-T)로 전환되었다. 이때, 도7a는 말토펜타오스에 BvMTSase를 반응시킨 후의 HPLC 분석결과이고, 도7b는 말토펜타오스에 BvMTHase를 반응시킨 후의 결과이며 도7c는 말토펜타오스에 BvMTSase과 BvMTHase를 모두 반응시킨 후의 결과이다. 그러나 말토펜타오스에 BvMTHase를 반응시켰을 때, 이 효소는 말토펜타오스와 직접적으로는 반응하지 않았다(도7b). 또한 말토펜타오스에 BvMTSase와 BvMTHase를 모두 반응시킨 경우, 말토펜타오스는 트레할로스와 말토트리오스(maltotriose, G3)로 100% 전환되었다(도7c).In addition, maltopentaose was treated with BvMTSase and BvMTHase enzyme proteins among various maltooligosaccharides used in the above experiment, trehalose synthesis was performed, and then synthesized trehalose was subjected to HPLC method. As a result, as shown in FIG. 7A, when BvMTSase was reacted with maltopentaose, about 80% of maltopentaose (G5) was converted into maltotriosyltrehalose (G3-T) after 1 hour. At this time, Figure 7a is the result of HPLC analysis after the reaction of BvMTSase to maltopentaose, Figure 7b is the result after the reaction of BvMTHase to maltopentaose and Figure 7c is the result after the reaction of both BvMTSase and BvMTHase to maltopentaose. . However, when BvMTHase was reacted with maltopentaose, the enzyme did not directly react with maltopentaose (FIG. 7B). In addition, when both BvMTSase and BvMTHase were reacted with maltopentaose, maltopentaose was 100% converted into trehalose and maltotriose (G3) (FIG. 7C).
실시예 5. 전분으로부터의 트레할로스 합성Example 5. Trehalose Synthesis from Starch
전분을 이용한 트레할로스 합성방법을 개발하기 위하여 수용성 전분(soluble starch)을 기질로 사용하고 반응시간을 72시간까지 연장하였다. 반응조건은 50mM 인산완충용액(pH 7.0) 조건하에서 1% 수용성 전분을 기질로 첨가하고 순수분리한 효소(BvMTSase 및 BvMTHase)를 각각 8㎍씩 첨가하여 전체 반응부피를 100㎕로 하였다. 이를 37℃에서 24, 48, 72시간 반응시키고, 95℃에서 10분동안 처리하여 반응을 종결한 후 전분을 기질로 사용하여 트레할로스 합성반응을 실시하고 얇은막 크레마토그래피 방법에 의해 트레할로스의 합성을 확인하였다. 실험결과, 도8에서 보듯이 레인 M은 기준물질로서 글루코스(glucose, G1), 트레할로스(trehalose, T), 말토트리오스(maltotriose, G3), 말토펜타오스(maltopentaose, G5)의 혼합물을 나타내고, 또한 반응을 72시간까지 트레할로스 합성반응을 진행하였을 경우 반응시간에 따라 전분으로부터 합성되는 트레할로스의 양이 증가되었다. 이때, 상기의 수용성 전분에는 순수 분리한 BvMTSase와 BvMTHase 만을 처리하였다. 또한, 상기의 실험에서, 72시간 반응물을 HPLC 방법에 의해 합성된 트레할로스를 확인하고 합성된 트레할로스의 양을 정량하였다. 실험결과, 도9에서 보듯이 72시간 반응 후에 전분의 18.0%가 트레할로스로 전환되었다.In order to develop trehalose synthesis method using starch, soluble starch was used as a substrate and the reaction time was extended to 72 hours. Under the conditions of 50mM phosphate buffer solution (pH 7.0), 1% water-soluble starch was added as a substrate, and 8 µg each of purely separated enzymes (BvMTSase and BvMTHase) was added to make the total reaction volume 100µl. The reaction was completed at 37 ° C. for 24, 48, and 72 hours, and the reaction was terminated by treatment at 95 ° C. for 10 minutes, followed by trehalose synthesis using starch as a substrate, and synthesis of trehalose by thin layer chromatography. Confirmed. As a result, as shown in Figure 8 lane M represents a mixture of glucose (glucose, G1), trehalose (T), maltotriose (G3), maltopentaose (G5) as a reference material, In addition, when the trehalose synthesis reaction proceeded up to 72 hours, the amount of trehalose synthesized from starch increased with the reaction time. At this time, the water-soluble starch was treated with purely separated BvMTSase and BvMTHase. In addition, in the above experiments, the 72-hour reaction identified the trehalose synthesized by HPLC method and quantified the amount of trehalose synthesized. As a result, as shown in Figure 9 18.0% of the starch was converted to trehalose after 72 hours.
실시예 6. 알파-아밀라제를 이용한 전분으로부터의 트레할로스 합성 효율 증대Example 6 Enhancement of Trehalose Synthesis Efficiency from Starch Using Alpha-amylase
전분으로부터 트레할로스의 생산 효율을 높이기 위하여 수용성 전분(soluble starch)에 알파-아밀라제(α-amylase)를 처리하고 반응시간을 72시간까지 연장하였다. 반응조건은 50mM 인산완충용액(pH 7.0) 조건하에서 1% 수용성 전분을 기질로 첨가하고 0.1단위의 알파-아밀라제, 순수분리한 효소(BvMTSase 및 BvMTHase)를 각각 8㎍을 첨가하여 전체 반응부피를 100㎕로 하였다. 이를 37℃에서 24, 48, 72시간 반응시키고, 95℃에서 10분동안 처리하여 반응을 종결하였다. 실험결과, 도10에서 보듯이 알파-아밀라제를 첨가하고 72시간까지 트레할로스 합성반응을 진행하였을 경우 반응시간에 따라 전분으로부터 합성되는 트레할로스의 양이 알파-아밀라제를 첨가하지 않은 경우(도8)에 비하여 월등히 증가되었다. 또한, 상기의 수용성 전분에 알파-아밀라제를 처리하고 72시간 반응시킨 반응물을 HPLC 방법에 의해 합성된 트레할로스를 확인하고 합성된 트레할로스의 양을 정량하였다. 실험결과, 도11에서 보듯이 72시간 반응 후에 전분의 61.9%가 트레할로스로 전환되었고, 알파-아밀라제를 첨가하지 않은 경우(도8)에 비하여 약 344% 이상의 트레할로스 전환 효율이 증가하였다.To increase the production efficiency of trehalose from starch, soluble starch was treated with alpha-amylase and the reaction time was extended to 72 hours. Under the conditions of 50mM phosphate buffer solution (pH 7.0), 1% water-soluble starch was added as a substrate, and 0.1 μl of alpha-amylase and 8 μg of purified enzymes (BvMTSase and BvMTHase) were respectively added. Μl. The reaction was carried out at 37 ° C. for 24, 48 and 72 hours and the reaction was terminated by treatment at 95 ° C. for 10 minutes. As a result, as shown in FIG. 10, when the trehalose synthesis reaction was performed after adding alpha-amylase to 72 hours, the amount of trehalose synthesized from starch according to the reaction time was not compared with that without adding alpha-amylase (FIG. 8). Significantly increased. In addition, the reaction product treated with alpha-amylase and reacted for 72 hours to the aqueous starch was identified trehalose synthesized by HPLC method and the amount of synthesized trehalose was quantified. As a result, as shown in FIG. 11, after 72 hours of reaction, 61.9% of starch was converted to trehalose, and the trehalose conversion efficiency was increased by about 344% or more compared to the case where no alpha-amylase was added (FIG. 8).
따라서, 본 발명에서 사용한 BvMTSase 및 BvMTHase를 이용하여 트레할로스를 효과적으로 생산하기 위하여는 수용성 전분을 알파-아밀라제 효소로 먼저 처리하여 말토올리고당으로 전환한 후 이를 기질로 사용하면 효과적으로 트레할로스를 대량 생산할 수 있다.Therefore, in order to effectively produce trehalose using BvMTSase and BvMTHase used in the present invention, water-soluble starch is first treated with alpha-amylase enzyme to be converted to maltooligosaccharide and then used as a substrate to efficiently produce trehalose in large quantities.
본 발명은 상기 실시예를 통하여 알 수 있는 바와같이, 브레비박테리움(Brevibacterium helvolum ATCC 11822)에서 분리한 신규한 트레할로스 생합성효소 유전자 및 그로부터 번역되어 생성되는 효소단백질을 제공하는 효과가 있다. 이밖에도 본 발명은 신규한 트레할로스 생합성 유전자를 발현벡터에 재조합한 후, 대장균에서 발현시키고 이로부터 재조합 단백질을 순수 분리하여 말토올리고당 및 전분으로부터 트레할로스를 대량 생산할 수 있는 효과가 있으며 따라서, 저가의 식품첨가제 및 식품보존제를 제공할 수는 효과가 있으므로 식품산업상 매우 유용한 발명인 것이다.As can be seen from the above embodiment, the present invention has the effect of providing a novel trehalose biosynthesis gene isolated from Brevibacterium helvolum ATCC 11822 and an enzyme protein translated therefrom. In addition, the present invention has the effect of recombining a novel trehalose biosynthetic gene into an expression vector and expressing it in E. coli and purely separating the recombinant protein therefrom, thereby producing a large amount of trehalose from malto-oligosaccharides and starch. Since it is effective to provide a food preservative is a very useful invention in the food industry.
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KR1019980020710A KR20000000845A (en) | 1998-06-03 | 1998-06-03 | Novel gene encoding trehalose biosynthetic enzyme and production method of trehalose thereby |
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Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN105969713A (en) * | 2016-05-23 | 2016-09-28 | 江南大学 | Genetically engineered bacteria of high-yield malto-oligosaccharide-based trehalose-hydrolyzing enzyme and application of genetically engineered bacteria |
KR102367594B1 (en) | 2020-12-11 | 2022-02-25 | 주식회사 이너트론 | Antenna for hidden camera detector |
KR20220069427A (en) | 2020-11-20 | 2022-05-27 | 주식회사 이너트론 | Detecting apparatus for hidden camera |
KR20220073340A (en) | 2020-11-26 | 2022-06-03 | 장성수 | Integrated hidden camera detecting system |
-
1998
- 1998-06-03 KR KR1019980020710A patent/KR20000000845A/en not_active Application Discontinuation
Cited By (4)
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CN105969713A (en) * | 2016-05-23 | 2016-09-28 | 江南大学 | Genetically engineered bacteria of high-yield malto-oligosaccharide-based trehalose-hydrolyzing enzyme and application of genetically engineered bacteria |
KR20220069427A (en) | 2020-11-20 | 2022-05-27 | 주식회사 이너트론 | Detecting apparatus for hidden camera |
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