KR20000037638A - New recombinant trehalose synthase, expression vector including its gene, method for production of trehalose using recombinant trehalose synthase - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 신규한 재조합 트레할로스 합성효소와 이 효소를 코딩하는 유전자 가 삽입된 발현벡터 및 상기 재조합 효소를 이용한 트레할로스의 대량생산에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 맥아당(maltose)으로부터 알파,알파-트레할로스(α,α-trehalose)와 알파,베타-트레할로스(α,β-trehalose)를 생산하는 내열성 트레할로스 합성효소(trehalose synthase)의 유전자 염기서열을 결정하고 이 유전자를 삽입한 발현벡터를 제조한 후 이 벡터로 형질전환된 균주를 배양하여 재조합 트레할로스 합성효소를 대량으로 생산하고 이 재조합 효소를 맥아당과 반응시켜 트레할로스를 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a novel recombinant trehalose synthase, an expression vector into which a gene encoding the enzyme is inserted, and mass production of trehalose using the recombinant enzyme. More specifically, the present invention relates to the heat-resistant trehalose synthase that produces alpha, alpha-trehalose and alpha, beta-trehalose from maltose. After determining the gene sequence, preparing an expression vector into which the gene is inserted, culturing the transformed strain with the vector to produce a large amount of recombinant trehalose synthase, and reacting the recombinant enzyme with maltose to prepare trehalose. It is about.
트레할로스(D-glucopyranosyl-(1↔1)-D-glucopyranoside, 참조: Manaught, A. D., (1997) Adv. Carbohydr. Chem. Biochem., 52, 43-177)는 도 1에서 보는 바와 같이 두 개의 포도당이 각각의 1 번 탄소 위치가 서로 결합된 세 종류의 이성질체를 갖는 비환원성 이당류이다. 대부분 자연계에 많이 존재하는 이성질체는 알파,알파-트레할로스로 많은 종류의 박테리아와 곰팡이, 효모, 곤충들, 동물들 그리고 식물들에 있어 저장 탄수화물의 한 종류이며, 곤충에게 있어 비행을 위한 동력원으로 작용하며, 효모들과 대장균 등에 있어 외부의 물리적 영향에 대한 저항물질로서 작용한다(참조: Elbein, A. D. (1974) Adv. Carbohydr. Chem. Biochem., 30, 227-256; Yoshida, M. 등 (1995) Oyo Toshitsu Kagaku, 42, 19-25; Van Laere, A. (1989) FEMS Microbiol. Rev., 63, 201-210; Kassen, I. 등 (1994) Gene, 145, 9-15).Trehalose (D-glucopyranosyl- (1↔1) -D-glucopyranoside, see Manaught, AD, (1997) Adv. Carbohydr. Chem. Biochem., 52, 43-177) is shown to have two glucoses as shown in FIG. Each of these carbon positions is a non-reducing disaccharide having three kinds of isomers bonded to each other. The most common isomers in nature are alpha and alpha-trehalose, which are a type of storage carbohydrate for many types of bacteria, fungi, yeasts, insects, animals and plants, and act as a power source for flying insects. , Yeasts and Escherichia coli, etc., as a resistance to external physical effects (Elbein, AD (1974) Adv. Carbohydr. Chem. Biochem., 30, 227-256; Yoshida, M. et al. (1995) Oyo Toshitsu Kagaku, 42, 19-25; Van Laere, A. (1989) FEMS Microbiol. Rev., 63, 201-210; Kassen, I. et al. (1994) Gene, 145, 9-15).
트레할로스는 동일 농도의 설탕에 비해 절반 정도에 해당하는 당미를 가진 감미료로서 뿐만 아니라 기초과학, 의학, 농학 그리고 생전자학(bio-electronics) 등의 분야에서 생분자(biomolecules)의 안정화 효과에 대한 다양한 응용성을 가지고 있다(참조: Colaco, C. 등 (1992) Bio/Technology., 10, 1007-1011). 트레할로스는 건조 또는 냉동 식품에 있어 안정제로 그리고 진단 시약들과 약제약학상 첨가제로 의약품에 사용될 수 있으며 효소를 포함한 생리활성 단백질의 열응집과 열변성을 방지하는 안정제로서 뿐만 아니라 사람들의 화장품에 있어 보습제로서 다양한 분야에 매우 유용하다(참조: Hottiger, T. 등 (1994) Eur. J. Biochem., 219, 187-193; Schick, I. 등 (1991) Biochem. Eng.-Stuttgart, [Proc. Int. Symp.], 2nd, 126-129; Carninci, P. 등 (1998) Proc. Natl. Acad. USA, 95, 520-524). 알파,알파-트레할로스의 생산 방법으로는 효모 세포로부터 얻는 방법, 프레시오모나스(Plesiomonas), 아트로박터(Arthrobacter), 브레비박테리움(Brevibacterium), 코리네박테리움(Corynebacterium), 마이크로박테리움(Microbacterium), 노카르디아(Nocardia), 필로바시디움(Filobasidium) 등의 미생물 배양배지에서 분리하는 방법 등이 있으며, 설포로버스 솔파타리쿠스(Sulfolobus solfataricus)의 전분 전환 효소를 이용하거나 아스퍼질러스 나이거(Aspergillus niger)의 글루코아밀레이즈(Glucoamylase), 페니실리움 에멀소니(Penicillium emersonii)의 베타-글루카네이즈(β-glucanase) 등의 효소를 이용한 방법 등이 있다(참조: Lama, L. 등 (1991) Biotech. Forum Eur., 8, 201-203.; Vuorio, O. E. 등 (1993) Eur. J. Biochem., 216, 849-861).Trehalose is a sweetener with about half the sweetness of sugars of the same concentration, as well as a variety of applications for the stabilizing effects of biomolecules in fields such as basic science, medicine, agriculture and bio-electronics. (Colaco, C. et al. (1992) Bio / Technology., 10, 1007-1011). Trehalose can be used as a stabilizer in dry or frozen foods and as a diagnostic reagent and pharmaceutical pharmaceutical additives, as a stabilizer to prevent thermal coagulation and thermal denaturation of bioactive proteins, including enzymes, as well as moisturizers in people's cosmetics. (1994) Eur. J. Biochem., 219, 187-193; Schick, I. et al. (1991) Biochem. Eng.-Stuttgart, Proc. Int. Symp.], 2nd, 126-129; Carninci, P. et al. (1998) Proc. Natl. Acad. USA, 95, 520-524). The production method of alpha, alpha-trehalose is obtained from yeast cells, Plesiomonas, Arthrobacter, Brevibacterium, Corynebacterium, Microbacterium ( Separation from microbial culture media such as Microbacterium, Nocardia, and Filobasidium can be performed by using starch converting enzymes of Sulfobus solfataricus or aspergillus or Methods using enzymes such as glucoamylase of Aspergillus niger and beta-glucanase of penicillium emersonii (see Lama, L. et al. (1991) Biotech.Forum Eur., 8, 201-203 .; Vuorio, OE et al. (1993) Eur. J. Biochem., 216, 849-861).
본 발명자들은 호열성 미생물인 Thermus caldophilus GK24 균주(참조: Kwon S.-T. 등 (1997) Mol. Cells, 7, 264-271; Park, J. 등 (1993) Eur. J. Biochem., 214, 135-140; Taguchi, H. 등 (1983) J. Biochem. 93, 7-13)를 배양한 후 그 세포를 회수하여 파쇄하고 세포내 내열성 트레할로스 합성효소를 추출한 후 추출한 효소의 유전자를 클로닝한 다음 이 유전자로 균주를 형질전환시키고 배양하여 재조합 트레할로스 합성효소를 대량 생산하였으며 또 생산한 효소를 전분 가수분해 산물 및 맥아당과 반응시켜 트레할로스를 제조하였다.The present inventors found that the thermophilic microorganism Thermus caldophilus GK24 strain (Kwon S.-T. et al. (1997) Mol. Cells, 7, 264-271; Park, J. et al. (1993) Eur. J. Biochem., 214 (1983) J. Biochem. 93, 7-13), the cells were recovered and crushed, and extracted from the heat-resistant trehalose synthase and cloned from the extracted enzyme gene. Next, the strain was transformed and cultured with this gene to mass produce recombinant trehalose synthase, and the produced enzyme was reacted with starch hydrolyzate and maltose to prepare trehalose.
따라서, 본 발명의 목적은 내열성 트레할로스 합성효소의 유전자 염기서열을 결정하여 제공함에 있다. 본발명의 다른 목적은 상기 유전자에 기초하여 재조합 벡터를 제작하고 이 벡터로 균주를 형질전환시킨 후 배양하여 재조합 트레할로스 합성효소를 대량으로 생산함에 있다. 본 발명의 또 다른 목적은 상기 대량으로 생산한 재조합 트레할로스 합성효소를 맥아당 또는 전분 가수분해 산물과 반응시켜 트레할로스를 제조하는 방법을 제공함에 있다.Accordingly, an object of the present invention is to determine and provide a gene sequence of the heat resistant trehalose synthase. Another object of the present invention is to produce a recombinant vector based on the gene, transform the strain with the vector and then culture to produce a large amount of recombinant trehalose synthase. It is another object of the present invention to provide a method for preparing trehalose by reacting the recombinant trehalose synthase produced in large quantities with maltose or starch hydrolysis products.
본 발명의 상기 목적은 Thermus caldophilus GK24 균주를 배양하여 배양액으로부터 트레할로스 합성효소를 분리하여 정제한 후 이 효소의 분자량, 최적 활성온도, 최적 활성 pH, 효소반응시의 완충용액 농도와 첨가되는 금속이온 종류, 효소와 반응하는 당의 종류 및 상기 효소의 아미노-말단 아미노산서열을 결정하고 Thermus caldophilus GK24 균주의 염색체 DNA로부터 람다 라이브러리(λ Library)를 만든 후 아미노 말단 서열을 가진 표지 DNA 프로브를 사용한 플라크 하이브리다이제이션(plaque hybridization)으로 트레할로스 합성효소 유전자를 포함하고 있는 람다 재조합체를 선별하였다. 이어서 상기 람다 재조합체의 DNA를 분리하고 적절한 제한효소를 처리한 후 서던 하이브리다이제이션(Southern hybridization)을 통하여 트레할로스 합성효소 유전자를 포함하고 있는 DNA 조각을 회수하여 플라스미드 DNA와 연결하고 대장균에 형질전환시킨 후 콜로니 하이브리다이제이션(colony hybridization) 방법으로 형질전환 대장균 중 트레할로스 합성효소 유전자를 포함한 형질전환체들만을 선별하고 그 플라스미드 DNA를 분리하여 트레할로스 합성효소 유전자 염기서열을 결정한 다음 결정한 트레할로스 합성효소 유전자를 적절히 효소 단백질이 발현될 수 있는 발현 벡터에 연결하여 형질전환 대장균 재조합체를 만들고 이를 배양하여 재조합 트레할로스 합성효소를 생산한 후 이 효소를 분리, 정제한 후 맥아당과 반응시켜 트레할로스를 제조하므로써 달성하였다.The above object of the present invention is to cultivate the Thermus caldophilus GK24 strain and to purify the trehalose synthase from the culture medium, the molecular weight of the enzyme, the optimum activity temperature, the optimum activity pH, the buffer solution concentration and the type of metal ion added during the enzyme reaction Plaque hybridization using a labeled DNA probe having an amino terminal sequence after determining the type of sugar reacting with the enzyme and the amino-terminal amino acid sequence of the enzyme and making a lambda library from the chromosomal DNA of Thermus caldophilus GK24 strain Lambda recombinants containing trehalose synthase genes were selected by plaque hybridization. Subsequently, the DNA of the lambda recombinant was isolated and treated with an appropriate restriction enzyme. Through Southern hybridization, a DNA fragment containing the trehalose synthase gene was recovered, ligated with plasmid DNA, and transformed into E. coli. After colony hybridization method, only transformants including trehalose synthase gene were selected from the transformed Escherichia coli, and the plasmid DNA was isolated to determine the trehalose synthase gene sequence, and then the determined trehalose synthase gene was determined appropriately. This is achieved by connecting to an expression vector capable of expressing an enzyme protein, making a recombinant Escherichia coli recombinant, culturing it to produce a recombinant trehalose synthase, isolating and purifying the enzyme, and reacting with maltose to produce trehalose. It was.
이하, 본 발명의 구성 및 작용을 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, the configuration and operation of the present invention will be described in detail.
도 1은 맥아당과 트레할로스의 세 가지 이성질체들인 알파,알파-트레할로스, 알파,베타-트레할로스, 베타,베타-트레할로스를 차례로 나타낸 구조식이다.FIG. 1 is a structural formula showing three isomers of maltose and trehalose, alpha, alpha-trehalose, alpha, beta-trehalose, beta, and beta-trehalose.
도 2는 Thermus caldophilus GK24 균주로부터 생성되는 내열성 트레할로스 합성효소에 의한 전환반응에 있어 온도의 영향을 나타내는 그래프이다.2 is a graph showing the effect of temperature on the conversion reaction by the heat-resistant trehalose synthase produced from Thermus caldophilus GK24 strain.
도 3은 Thermus caldophilus GK24 균주로부터 생성되는 내열성 트레할로스 합성효소에 의한 전환반응에 있어 pH의 영향을 나타내는 그래프이다.Figure 3 is a graph showing the effect of pH on the conversion reaction by the heat-resistant trehalose synthase produced from Thermus caldophilus GK24 strain.
도 4는 Thermus caldophilus GK24 균주로부터 내열성 트레할로스 합성효소 유전자의 제한효소지도와 클로닝된 DNA 절편의 위치를 나타낸다.Figure 4 shows the restriction fragment map of the heat-resistant trehalose synthase gene and the position of the cloned DNA fragment from Thermus caldophilus GK24 strain.
도 5a, 5b, 5c는 Thermus caldophilus GK24 균주로부터 분리한 내열성 트레할로스 합성효소의 염기서열과 아미노산서열을 나타낸다.Figures 5a, 5b, 5c shows the nucleotide sequence and amino acid sequence of the heat-resistant trehalose synthase isolated from Thermus caldophilus GK24 strain.
도 6a, 6b는 트레할로스 합성효소들간의 아미노산서열 비교 결과를 나타낸다.6a and 6b show the results of comparing amino acid sequences between trehalose synthase enzymes.
도 7a, 7b 7c, 7d는 트레할로스 합성효소들간의 염기서열 비교 결과를 나타낸다.Figure 7a, 7b 7c, 7d shows the results of the base sequence comparison between trehalose synthase.
도 8은 Thermus caldophilus GK24 균주로부터 유래한 내열성 트레할로스 합성효소 유전자의 재조합 발현 벡터 구축도이다.8 is a recombinant expression vector construct of a heat resistant trehalose synthase gene derived from Thermus caldophilus GK24 strain.
도 9a, 9b, 9c는 본 발명 재조합 대장균 MV1184[pTSEHS3]에서 발현된 내열성 트레할로스 합성효소의 유전자 염기서열과 아미노산서열이다.Figures 9a, 9b, 9c are gene sequences and amino acid sequences of the heat-resistant trehalose synthase expressed in the recombinant E. coli MV1184 [pTSEHS3].
도 10은 고염기 양이온교환 크로마토그라피에 의한 알파,알파-트레할로스, 포도당, 알파,베타-트레할로스의 검출도이다.10 is a detection diagram of alpha, alpha-trehalose, glucose, alpha, beta-trehalose by high base cation exchange chromatography.
본 발명은 Thermus caldophilus GK24 균주를 배양한 배양액을 원심분리하여 세포를 회수한 후 냉동보관하는 단계; 상기 Thermus caldophilus GK24균주 배양액내 배양세포를 파쇄하고 원심분리하여 얻은 조효소액에 유안을 가하고 다시 원심분리한 후 투석하여 효소액을 제조하는 단계; 상기 단계에서 얻은 효소액을 맥아당과 반응시켜 트레할로스를 생성하는 단계; 생성된 트레할로스 반응물을 정제한 후 트레할로스만을 분리하여 중수에 녹인 후 핵자기 공명 분광기로 구조를 분석하는 단계; Thermus caldophilus GK24 균주를 배양하여 얻은 효소를 FPLC 시스템을 사용한 일련의 컬럼크로마토그라피를 수행하여 효소를 정제하므로써 효소단백질을 분리하는 단계; 정제한 트레할로스 합성효소의 분자량을 SDS-폴리아크릴아마이드 전기영동으로 분석하는 단계; 정제한 트레할로스 합성효소를 맥아당과 반응시키면서 최대활성을 나타내는 온도를 측정하는 단계; 정제한 트레할로스 합성효소를 맥아당과 반응시키면서 최대활성을 나타내는 pH를 측정하는 단계; 정제한 트레할로스 합성효소와 맥아당을 반응시키면서 완충용액의 농도를 달리하여 최대활성을 나타내는 완충용액의 농도를 측정하는 단계; 정제한 트레할로스 합성효소와 맥아당을 반응시키면서 금속이온을 첨가하여 효소의 활성을 저해하지 않는 금속이온을 조사하는 단계; 여러 종의 당과 트레할로스 합성효소를 반응시켜 반응성이 있는 당을 조사하는 단계; PTH-Xaa 분석기가 달린 기체상의 펩타이드 서열분석기를 이용하여 트레할로스 합성효소의 아미노-말단 서열 결정 단계; 상기 결정된 아미노산서열을 근거로 하여 올리고 DNA 프로브를 합성하는 단계; 배양한 Thermus caldophilus GK24 균주 세포의 DNA를 회수하고 대장균 XL1-Blue MRA에 감염, 증폭시켜 Thermus caldophilus GK24 균주 람다 라이브러리를 제조하는 단계; 상기 제조한 람다 라이브러리에서 아미노 말단 프로브를 사용한 플라크 하이브리다이제이션으로 트레할로스 합성효소 유전자를 포함하는 람다 재조합체를 선발하는 단계; 람다 재조합체의 DNA를 분리하고 제한효소 처리하여 서던 하이브리다이제이션을 실시하므로써 트레할로스 합성효소 유전자를 포함하고 있는 DNA 조각을 회수한 후 이들 DNA 조각을 플라스미드 DNA와 연결시켜 염기서열을 결정하는 단계; 상기 결정한 Thermus caldophilus GK24 균주 트레할로스 합성효소 유전자 염기서열을 하나의 플라스미드 벡터에 모은 후 이 벡터로 대장균을 형질전환시켜 재조합 대장균을 제조하는 단계; 상기 재조합 대장균을 배양하여 재조합 트레할로스 합성효소를 생산하는 단계 및; 생산된 재조합 트레할로스 합성효소액을 맥아당과 반응시켜 트레할로스를 생산하고 생산된 트레할로스의 종류를 분석하는 단계로 구성된다.The present invention comprises the steps of centrifuging the culture medium cultured Thermus caldophilus GK24 strain to recover the cells after cryopreservation; Preparing an enzyme solution by pulverizing the cultured cells in the Thermus caldophilus GK24 strain culture medium, adding the emulsion to the crude enzyme solution obtained by centrifugation, and centrifuging again and dialysis; Reacting the enzyme liquid obtained in the step with maltose to generate trehalose; Purifying the resulting trehalose reactant, separating only trehalose, dissolving in heavy water, and analyzing the structure with a nuclear magnetic resonance spectrometer; Separating the enzyme protein by purifying the enzyme by performing a series of column chromatography using the FPLC system on the enzyme obtained by culturing the Thermus caldophilus GK24 strain; Analyzing the molecular weight of the purified trehalose synthase by SDS-polyacrylamide electrophoresis; Measuring the temperature exhibiting maximum activity while reacting the purified trehalose synthase with maltose; Measuring a pH exhibiting maximum activity while reacting the purified trehalose synthase with maltose; Measuring the concentration of the buffer solution exhibiting maximum activity by varying the concentration of the buffer solution while reacting the purified trehalose synthase with maltose; Irradiating the purified trehalose synthase with maltose while adding metal ions to investigate metal ions that do not inhibit the activity of the enzyme; Reacting various kinds of sugars with trehalose synthase to examine a reactive sugar; Amino-terminal sequencing of trehalose synthase using a gaseous peptide sequencer equipped with a PTH-Xaa analyzer; Synthesizing an oligo DNA probe based on the determined amino acid sequence; Recovering the DNA of the cultured Thermus caldophilus GK24 strain cells, and infecting and amplifying E. coli XL1-Blue MRA to prepare a Thermus caldophilus GK24 strain lambda library; Selecting a lambda recombinant comprising a trehalose synthase gene by plaque hybridization using an amino terminal probe from the prepared lambda library; Recovering DNA fragments containing trehalose synthase gene by separating the DNA of the lambda recombinant and subjecting to restriction enzyme treatment, and then linking these DNA fragments with plasmid DNA to determine nucleotide sequences; Preparing the recombinant E. coli by transforming E. coli with the vector Thermus caldophilus GK24 strain trehalose synthase gene sequence into one plasmid vector; Culturing the recombinant E. coli to produce a recombinant trehalose synthase; The recombinant trehalose synthase solution is reacted with maltose to produce trehalose and to analyze the type of trehalose produced.
상기의 유전자 조작 등과 관련되는 일반적인 분자생물학적 실험방법은 공지의 방법(참조: Sambrook, J. 등 (1989) Molecular Cloning. A laboratory Manual. 2nd ed., Cold Spring Harbor Laboratory. Cold Spring Harbor. New York.; Ausubel, F. 등 (1995) Short Protocols in Molecular Biology. 3rd. John &Wiley Sons, Inc.)을 따랐다.General molecular biology experiments related to the above genetic manipulations are known methods (see Sambrook, J. et al. (1989) Molecular Cloning. A laboratory Manual.2nd ed., Cold Spring Harbor Laboratory.Cold Spring Harbor.New York. Ausubel, F. et al. (1995) Short Protocols in Molecular Biology.3rd.John & Wiley Sons, Inc.
이하, 본 발명의 구체적인 방법을 실시예를 들어 상세히 설명하고자 하지만 본 발명의 권리범위는 이들 실시예에만 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the specific method of the present invention will be described in detail with reference to Examples, but the scope of the present invention is not limited only to these Examples.
실시예 1:Thermus caldophilus GK24 균주로부터 트레할로스 합성효소의 분리를 위한 균주의 배양 및 효소의 정제Example 1 Culture of Strain and Purification of Enzyme for Isolation of Trehalose Synthase from Thermus caldophilus GK24 Strain
실험예 1:Thermus caldophilus GK24 균주의 배양Experimental Example 1: Cultivation of Thermus caldophilus GK24 strain
Thermus caldophilus GK24 균주의 배양은 이미 공지된 방법을 사용하여 표 1과 같은 배지 조건으로 75℃에서 24시간 배양한 후 (참조: Brock, T. D. (1978) Thermophilic microorganisms and life at high temperature. Springer-Verlag, Heidelberg.; Williams, R. A. D. (1992) 3745-3753. In: A handbook on the biology of bacteria: ecophysiology, isolation, identification, applications. vol.4. Springer-Verlag, Heidelberg.), 배양액을 4 ℃에서 9,500 x g로 30 분간 원심분리하여, 세포를 회수하였다. 배양, 회수한 배양세포를 10 분의 1 부피의 10 mM 인산화칼륨 완충용액 pH 7.0으로 1 회 세척한 후 냉동 보관하거나 같은 완충용액에 세포를 현탁시켜 사용하였다.The Thermus caldophilus GK24 strain was cultured for 24 hours at 75 ° C. under medium conditions as shown in Table 1 using known methods (Brock, TD (1978) Thermophilic microorganisms and life at high temperature.Spring-Verlag, Heidelberg .; Williams, RAD (1992) 3745-3753.In: A handbook on the biology of bacteria: ecophysiology, isolation, identification, applications.vol. 4.Springer-Verlag, Heidelberg.), Cultures 9,500 xg at 4 ° C. Cells were harvested by centrifugation for 30 minutes. The cultured and recovered cultured cells were washed once with 10/10 volume of 10 mM potassium phosphate buffer pH 7.0 and then stored frozen or suspended in the same buffer solution.
실험예 2: 효소액의 제조Experimental Example 2: Preparation of Enzyme Liquid
상기 실험예 1에서 배양, 회수한 Thermus caldophilus GK24 균주 배양세포 100 g을 10 mM 인산화칼륨 완충용액 pH 7.0에 현탁시키고, 초음파 세포 파쇄기로 파쇄하였다. 파쇄된 세포 용액을 4℃에서 17,000 × g로 30 분간 원심분리하여 미파쇄 세포들과 불용성 세포 파쇄물들을 제거한 조효소액을 만들었다. 조효소액에 무게 대 부피비로 30 % 되는 유안((NH4)2SO4)을 4℃에서 가하고 4 시간 동안 잘 교반하여 주었다. 상기 효소액을 원심분리하여 용액만을 모으고, 이 용액에 최종 농도가 무게 대 부피비로 60 % 되는 유안을 4℃에서 가하고 4 시간 동안 잘 교반하였다. 상기 효소액을 원심분리하여 침전물만을 모은 후, 이 침전물을 10 mM 인산화칼륨 완충용액 pH 7.5에 녹이고 같은 완충용액에서 하루 밤 동안 투석하였다. 이 효소액을 다시 원심분리하여 불용성 물질을 제거한 다음 트레할로스 합성 반응의 효소원으로서 혹은 효소 정제에 사용하였다.100 g of the Thermus caldophilus GK24 strain cultured cells cultured and recovered in Experimental Example 1 were suspended in 10 mM potassium phosphate buffer solution pH 7.0 and crushed by an ultrasonic cell crusher. The crushed cell solution was centrifuged at 17,000 × g for 30 minutes at 4 ° C. to form a crude enzyme solution from which unbroken cells and insoluble cell debris were removed. The crude enzyme solution (NH 4 ) 2 SO 4 ) which is 30% by weight to volume ratio was added at 4 ° C. and stirred well for 4 hours. The enzyme solution was centrifuged to collect only the solution, and a solution having a final concentration of 60% by weight to volume ratio was added at 4 ° C. and stirred well for 4 hours. After collecting the precipitate by centrifugation of the enzyme solution, the precipitate was dissolved in 10 mM potassium phosphate buffer pH 7.5 and dialyzed overnight in the same buffer solution. The enzyme solution was centrifuged again to remove insoluble matter and then used as an enzyme source for trehalose synthesis or for enzyme purification.
실험예 3: 트레할로스 합성효소 활성의 측정Experimental Example 3: Measurement of Trehalose Synthase Activity
부분 혹은 순수 정제된 효소액을 사용하여 맥아당으로부터 트레할로스 합성효소 반응을 수행하였다. 반응용액 중의 최종 농도가 1-100 mM인 맥아당, 20 mM 인산화칼륨 완충용액 pH 6.3, 그리고 효소 용액을 섞어 30-90℃에서 1 시간 반응시켰으며, 반응액을 끓고 있는 수조에서 10 분간 가열하여줌으로써 반응을 종료시켰다. 트레할로스 합성효소의 단위 활성은 분당 1 μmole의 트레할로스를 합성할 수 있는 능력으로 정하였다. 효소 반응물은 파동전류를 이용한 검출기가 내장된 고염기 양이온 교환 크로마토그라피(High pH Anion Exchange Chromatography with Pulsed Amperometric Detector, HPAEC-PAD)를 사용하여 트레할로스의 생성을 분석 확인하였다. 즉, 다이오넥스(Dionex, 미국)사의 이온 크로마토그라피 시스템(Ion chromatography system)을 사용하였으며, 컬럼(Column)으로 카보팩 피에이1(CarboPac PA1, 4 × 250 mm)을, 검출기로 전극이 금인 파동전류를 이용한 검출기(Pulsed Amperometric Detector)를 사용하여 반응 생성물을 검출 및 분석하였다. 이때, 전개용액으로는 수산화나트륨(NaOH) 용액을 사용하는데 유속을 분당 1 mL로 하여 다양한 농도의 수산화나트륨 용액을 시험한 결과 140 mM 조건이 각 혼합물별로 가장 분리 상태가 좋았다.Trehalose synthase reaction was carried out from maltose using partially or purely purified enzyme solution. The final concentration in the reaction solution was 1-100 mM maltose, 20 mM potassium phosphate buffer pH 6.3, and the enzyme solution were mixed and reacted at 30-90 ° C. for 1 hour. The reaction solution was heated in a boiling water bath for 10 minutes. The reaction was terminated. The unit activity of trehalose synthase was determined by the ability to synthesize 1 μmole of trehalose per minute. Enzyme reactants were analyzed for the formation of trehalose using high pH Anion Exchange Chromatography with Pulsed Amperometric Detector (HPAEC-PAD). In other words, a ion chromatography system (Dionex, USA) was used, and CarboPac PA1 (4 × 250 mm) was used as a column, and a wave with gold electrode was used as a detector. The reaction product was detected and analyzed using a pulsed amperometric detector. At this time, a sodium hydroxide (NaOH) solution was used as the developing solution, and the sodium hydroxide solution of various concentrations was tested at a flow rate of 1 mL per minute, and the 140 mM condition was the best in each mixture.
실험예 4 : 트레할로스의 분리와 구조 분석Experimental Example 4 Separation and Structure Analysis of Trehalose
실험예 3에서 생성한 트레할로스를 반응물로부터 분리하였다. 즉, 반응이 끝난 반응액을 석탄산(phenol)으로 추출하고 수용층만을 얻어 다시 에테르(ethylether)로 추출하여 수용층만을 얻은 다음 잔존하는 유기용액을 세팩 씨18 카트리지(Sep-Pak C18 Cartridge, Waters 사)에 통과시켜 제거하였다. 일부 정제된 반응액을 동결건조하여 농축시키고 적당량의 탈염수에 녹인 후, 트레할로스만을 다이오넥스사의 이온 크로마토그라피 시스템을 사용하고, 준분리용 카보팩 피에이1 컬럼(Semi-preparative CarboPac PA1, 9 × 250 mm)을, 검출기로 전극이 금인 파동전류를 이용한 검출기를, 전개용액으로 140 mM 수산화나트륨 용액을 분당 2.5 mL 씩 흘려주어 분리하였다. 검출기를 통과한 pH가 13-14 인 트레할로스가 포함되어 있는 용출액을 중화장치인 양이온 미세막 서프레서(Anion Micromembrane Suppressor, AMMS-1)에 통과시켜 중성으로 중화시키며 분획하였다. 이때 중화장치의 중화액으로는 0.3 N 황산 용액을 사용하였다. 이 과정을 수회 반복하여 다량의 트레할로스 분획을 회수하였다. 상기 회수한 트레할로스 분획을 중수로 치환하고 핵자기 공명 분광기로 그 구조를 확인하였다. 즉, 중화하여 모은 트레할로스를 동결건조하여 수분을 제거하고 건물만을 모은 다음 중수에 녹인 후 다시 말리는 과정을 3 회 반복하여 트레할로스의 -OH기를 -OD기로 치환한 다음 500 ㎕의 중수에 녹이고1H,13C 핵자기 공명 분광기로 그 구조를 분석하였다. 합성하여 분리한 트레할로스의 구조를 분석하고 트레할로스 표준 물질의13C-,1H-핵자기 공명 자료와 비교하여 그 구조가 일치함을 알 수 있었다.The trehalose produced in Experimental Example 3 was separated from the reaction. That is, the reaction solution is extracted with phenol, only the aqueous layer is obtained, and then extracted with ethylether to obtain only the aqueous layer, and the remaining organic solution is transferred to Sep-Pak C18 Cartridge (Waters). Removed by passage. Some of the purified reaction solution was concentrated by lyophilization, dissolved in an appropriate amount of demineralized water, and then trehalose only was used in an ion chromatography system from Dionex, and used for semi-preparative CarboPac PA1, 9 × 250. mm), a detector using a wave current whose electrode is gold as a detector was separated by flowing 2.5 mL of a 140 mM sodium hydroxide solution per minute as a developing solution. The eluate containing trehalose having a pH of 13-14 that passed through the detector was passed through an anion neutralizing device, a cationic micromembrane suppressor (AMMS-1), and neutralized and fractionated. At this time, 0.3 N sulfuric acid solution was used as the neutralizing solution of the neutralizer. This process was repeated several times to recover a large amount of trehalose fraction. The recovered trehalose fraction was replaced with heavy water and its structure was confirmed by nuclear magnetic resonance spectroscopy. In other words, neutralized by freeze-drying the collected trehalose to remove water and the process repeated three times to dry only the re-collected was dissolved in heavy water and then dissolved in heavy water for building a replacement of an -OH group trehalose -OD then 500 ㎕ 1 H, The structure was analyzed by 13 C nuclear magnetic resonance spectroscopy. The structure of the synthesized trehalose was analyzed and compared with the 13 C- and 1 H-nuclear magnetic resonance data of the trehalose standard material.
실험예 5 : 트레할로스 합성효소의 정제Experimental Example 5 Purification of Trehalose Synthase
보다 순수하게 트레할로스 합성효소를 분리하기 위하여 실험예 2에서 얻은 효소를 FPLC 시스템을 사용하여 일련의 컬럼 크로마토그라피를 수행함으로써 효소 단백질을 분리하였다. 즉, 얻어진 효소액을 10 mM 인산화칼륨 완충용액 pH 7.0으로 미리 평형화 시킨 양이온 교환수지 컬럼(DEAE-Sephacel column, 5 x 50 cm)에 가하고 같은 완충용액으로 충분히 세척한 다음 0 M에서 1 M 까지의 염화칼륨 농도 기울기로 단백질들을 분획하였다. 분리된 각각의 효소 분획들 중 트레할로스 합성효소능이 있는 분획만을 모아 다음 컬럼 크로마토그라피에 적용하였다. 모아진 효소액을 농축하고 1 M 유안을 포함한 10 mM 인산화칼륨 완충용액 pH 7.0으로 완충용액 교체를 마친 후 동일 완충용액으로 평형화된 소수성 수지 컬럼(Phenyl-Toyopearl 650M column, 5 x 20 cm)에 가하고 세척하였다. 이어서 1 M에서 0 M까지의 유안 농도 역기울기로 단백질들을 분리하였다. 분리되어 효소능이 확인된 분획만을 모아 150 mM 염화칼륨을 포함한 10 mM 인산화칼륨 완충용액 pH 7.0으로 완충용액 교체를 한 후 동일 완충용액으로 평형화된 젤 여과 수지 컬럼(Superose 6 HR10/30 column, 1 x 30 cm)에 가하여 효소 단백질을 분획하였으며 분리된 각각의 효소 분획들 중 트레할로스 합성효소능이 있는 분획만을 모아 10 mM 인산화칼륨 완충용액 pH 7.0으로 완충용액 교체를 하였다. 또한 동일한 10 mM 인산화칼륨 완충용액 pH 7.0으로 평형화시켜놓은 강양이온 교환수지(MonoQ HR5/5 column, 5 x 50 mm)에 상기의 효소 분획을 가하고 같은 완충용액으로 충분히 세척한 다음 0 M에서 1 M까지의 염화칼륨 농도 기울기로 단백질들을 분획하여 매우 순수하게 정제된 트레할로스 합성효소를 얻었다. 이상과 같이 수행하여 분리 정제한 트레할로스 합성효소의 정제도는 아크릴아마이드 젤 전기영동 상에서 단일 조성의 순수 효소 단백질로서 확인되었으며, 효소의 수득율은 습윤 세포 100 g에서 40.1 활성단위였으며 비활성은 33.42 활성단위/mg이었다.In order to purer trehalose synthase more purely, the enzyme protein was separated by performing a series of column chromatography using the FPLC system. That is, the obtained enzyme solution was added to a cation exchange resin column (DEAE-Sephacel column, 5 x 50 cm) previously equilibrated with 10 mM potassium phosphate buffer pH 7.0, washed sufficiently with the same buffer, and then potassium chloride from 0 M to 1 M. Proteins were fractionated by concentration gradient. Of the separated enzyme fractions, only the fractions with trehalose synthase were collected and applied to the next column chromatography. The collected enzyme solution was concentrated, buffer replacement was completed with 10 mM potassium phosphate buffer pH 7.0 containing 1 M oil solution, and then added to a hydrophobic resin column (Phenyl-Toyopearl 650M column, 5 x 20 cm) equilibrated with the same buffer and washed. . The proteins were then separated with a lean concentration gradient from 1 M to 0 M. Only the separated fractions were identified and the buffer solution was replaced with 10 mM potassium phosphate buffer pH 7.0 containing 150 mM potassium chloride, pH 7.0, and the gel filtration resin column equilibrated with the same buffer solution (Superose 6 HR10 / 30 column, 1 x 30). cm), and the enzyme protein was fractionated, and only the fraction with trehalose synthase was isolated from each of the separated enzyme fractions, and the buffer solution was replaced with 10 mM potassium phosphate buffer pH 7.0. In addition, the enzyme fraction was added to a strong cation exchange resin (MonoQ HR5 / 5 column, 5 x 50 mm) equilibrated to the same 10 mM potassium phosphate buffer pH 7.0, washed with the same buffer, and then washed at 0 M to 1 M. Proteins were fractionated with a potassium chloride concentration gradient of up to very purified trehalose synthase. Purification degree of the trehalose synthase separated and purified as described above was confirmed as a pure enzyme protein of a single composition on acrylamide gel electrophoresis, the yield of the enzyme was 40.1 active units in 100 g of wet cells, the specific activity 33.42 active units / mg It was.
실시예 2: Thermus caldophilus GK24 균주 유래 트레할로스 합성효소의 특성조사Example 2: Characterization of trehalose synthase from Thermus caldophilus GK24 strain
실험예 1: 트레할로스 합성효소의 분자량 측정Experimental Example 1: Determination of the molecular weight of trehalose synthase
트레할로스 합성효소의 분자량은 비변성 조건인 150 mM 염화칼륨을 포함한 10 mM 인산화칼륨 완충용액 pH 7.0으로 평형화된 크기 배제 크로마토그라피(Size Exclusion Chromatography) 상에서 372±5 kD 이며, 공지의 방법(참조: Lammli, U.K. (1970) Nature 227, 680-685)과 같은 변성 조건인 에스디에스 폴리아크릴아마이드 전기영동(SDS-Polyacrylamide Gel Electrophoresis, SDS-PAGE)을 이용하여 분석하였다. 실험결과, 트레할로스 합성효소의 단일 분자량은 105±5 kD이였다.The molecular weight of trehalose synthase is 372 ± 5 kD on Size Exclusion Chromatography equilibrated with 10 mM potassium phosphate buffer pH 7.0 with undenatured conditions, 150 mM potassium chloride, and known methods (see Lammli, Analysis was carried out using denaturing conditions such as UK (1970) Nature 227, 680-685) SDS-Polyacrylamide Gel Electrophoresis (SDS-PAGE). As a result, the single molecular weight of trehalose synthase was 105 ± 5 kD.
실험예 2: 트레할로스 합성효소와 최적반응 온도조사Experimental Example 2: investigation of optimal reaction temperature with trehalose synthase
주어진 반응 온도에 따른 트레할로스 합성효소의 반응성을 실시예 1의 실험예 3에서와 같은 방법으로 측정하였다. 효소의 반응 적정 온도는 도 2에 나타낸 바와 같이 20 mM 인산화칼륨 완충용액 pH 6.3에서 1시간 반응시킬 때 30-80℃이며 최적 반응 온도는 63℃였다. 주어진 온도에서 1 시간 동안의 열처리후 50% 이상의 효소 활성이 살아있는 열안정성을 보였고 그 온도가 83℃까지 달하였다.The reactivity of trehalose synthase according to the given reaction temperature was measured in the same manner as in Experiment 3 of Example 1. As shown in FIG. 2, the titration temperature of the enzyme was 30-80 ° C. and the optimum reaction temperature was 63 ° C. when reacted in 20 mM potassium phosphate buffer pH 6.3 for 1 hour. After 1 hour of heat treatment at a given temperature, more than 50% of the enzyme activity showed live thermal stability and the temperature reached 83 ° C.
실험예 3: 트레할로스 합성효소와 최적반응 pH 조사Experimental Example 3: investigation of optimal pH with trehalose synthase
주어진 반응 pH에 따른 트레할로스 합성효소의 반응성을 실시예 1의 실험예 3에서와 같은 방법으로 측정하였다. 효소의 반응 적정 pH는 도 3에 나타낸 바와 같이 63℃에서 1 시간 반응시킬 때 5.2-7.3이며 최적 반응 pH는 6.3이였다. 주어진 pH에서 1 시간 동안의 전처리로부터 50% 이상 효소 활성이 살아있는 pH 안정성을 보면 4.4-9.5이였다.The reactivity of trehalose synthase according to the given reaction pH was measured in the same manner as in Experimental Example 3 of Example 1. As shown in FIG. 3, the reaction titration pH of the enzyme was 5.2-7.3 and the optimum reaction pH was 6.3 when reacted at 63 ° C. for 1 hour. 50% or more enzyme activity from pretreatment for 1 hour at a given pH was 4.4-9.5 in terms of live pH stability.
실험예 4: 트레할로스 합성효소와 최적반응을 위한 완충용액의 농도조사Experimental Example 4: Concentration of buffer solution for optimal reaction with trehalose synthase
완충용액의 농도에 따른 트레할로스 합성효소의 반응성을 실시예 1의 실험예 3과 같은 방법으로 측정하였다. pH가 6.3인 인산화칼륨 완충용액의 농도를 0 mM에서 200 mM까지 변화를 주었을 때 트레할로스 생성 정도는 커다란 변화는 없었으나 20 mM에서 50 mM 사이에서 가장 반응성이 좋았다.The reactivity of trehalose synthase according to the concentration of the buffer solution was measured in the same manner as in Experimental Example 3 of Example 1. When the concentration of potassium phosphate buffer solution of pH 6.3 was changed from 0 mM to 200 mM, trehalose production was not significantly changed, but it was most responsive between 20 mM and 50 mM.
실험예 5: 트레할로스 합성효소와 최적반응을 위한 금속이온 조사Experimental Example 5: Investigation of metal ions for optimal reaction with trehalose synthase
금속이온의 첨가에 따른 트레할로스 합성효소의 반응성을 실시예 1의 실험예 3에서와 같은 방법으로 측정하였다. 반응 중의 금속이온 효과는 각각 1 mM 농도를 주었을 때 AlCl3, CuCl2, FeCl3의 경우 70% 이상, CaCl2, CoCl2, ZnCl2의 50% 이상 트레할로스 합성효소의 반응성이 저해되었으며 5 mM 농도에서는 90% 이상 저해되었으나 MgCl2의 경우 활성이 그대로 유지되었다.The reactivity of trehalose synthase according to the addition of metal ions was measured in the same manner as in Experiment 3 of Example 1. The metal ion effect during the reaction showed that the reactivity of trehalose synthase was inhibited at the concentration of 1 mM and at least 70% for AlCl 3 , CuCl 2 , FeCl 3 and at least 50% of CaCl 2 , CoCl 2 , ZnCl 2 Was inhibited by more than 90%, but the activity was maintained in the case of MgCl 2 .
실험예 6: 트레할로스 합성효소와 각종 당들과의 반응성 조사Experimental Example 6: Investigation of the reactivity of trehalose synthase with various sugars
반응물과 생성물로서 기술된 맥아당과 트레할로스뿐만 아니라 구조적으로 맥아당과 트레할로스와 유사하거나 혹은 그 유도체 등의 각종 당들에 대한 트레할로스 합성효소의 반응성을 실시예 1의 실험예 3에서와 같은 방법으로 반응액 중 당의 농도가 10 mM 되게 하고 63℃, pH 6.3에서 1 시간 반응시키고 주어진 당의 감소 정도를 측정하므로써 확인하였다. 실험결과, 셀로바이오스, 키토바이오스, 알파-싸이클로덱스트린, 베타-싸이클로덱스트린, 감마-싸이클로덱스트린, 데실-베타-디-말토사이드, 도데실-디-말토사이드, 에를로스, 과당, 젠티바이오스, 포도당, 포도당-1-포스페이트, 이소말토스, 이소말토트라이오스, 이소말토테트라오스, 유당, 라미나리바이오스, 류크로스, 말티톨, 말토트라이오스, 말토테트라오스, 말토펜타오스, 말토헥사오스, 말토헵타오스, 맥아당-1-포스페이트, 말툴로오스, 수용성 전분, 라피노오스, 베타베타-트레할로스, 트레할로스-6-포스페이트, 튜라노오스, 자일로바이오스 등에는 트레할로스 합성효소의 반응성이 없었으며, 니게로오스, 패노오스, 설탕, 트레할로사민, 알파,베타-트레할로스 등에는 10% 이하의 반응성을 보였으며, 알파,알파-트레할로스에는 30% 이하, 맥아당에는 80% 이상의 반응성을 보였다.The reactivity of trehalose synthase to the maltose and trehalose described as reactants and products, as well as structurally similar to maltose and trehalose or derivatives thereof, was determined in the same manner as in Experiment 3 of Example 1 The concentration was 10 mM, the reaction was carried out at 63 ° C. and pH 6.3 for 1 hour, and confirmed by measuring the degree of reduction of a given sugar. Experimental results showed cellobiose, chitobio, alpha-cyclodextrin, beta-cyclodextrin, gamma-cyclodextrin, decyl-beta-di-maltoside, dodecyl-di-maltoside, erlos, fructose, gentibio, glucose , Glucose-1-phosphate, isomaltose, isomaltotriose, isomaltotetraose, lactose, laminaribiose, leucross, maltitol, maltotriose, maltotetraose, maltopentaose, maltohexaos, maltohepta Oslo, maltose-1-phosphate, maltulose, water soluble starch, raffinose, betabeta-trehalose, trehalose-6-phosphate, turanoose, xylobiose, etc., were not reactive with trehalose synthase. It showed less than 10% reactivity with os, panos, sugar, trehalosamine, alpha, beta-trehalose, and less than 30% with alpha, alpha-trehalose, and 8 with maltose. Reactivity was greater than 0%.
실험예 7: 트레할로스 합성효소의 아미노-말단 아미노산 결정Experimental Example 7: Determination of the amino-terminal amino acid of trehalose synthase
트레할로스 합성효소의 아미노-말단 서열은 피티에이치-엑스에이에이 분석기(PTH-Xaa 분석기, Applied Biosystems model 120A)가 달린 기체상의 펩타이드 서열분석기(Applied Biosystem model 477A)를 이용하여 결정하였다. 즉, 정제된 트레할로스 합성효소를 전기영동으로 폴리아크릴아마이드 젤 상에서 전개하고 젤 상의 효소 단백질을 피브이디에프 막(MSI, Westboro, MA 01581)에 일렉트로블로터로 옮긴 후 피브이디에프 막 위의 트레할로스 합성효소 단백질 밴드만을 상기의 장치로 아미노산서열을 결정하였으며 결정된 아미노산서열은 하기와 같다.The amino-terminal sequence of trehalose synthase was determined using a gaseous peptide sequencer (Applied Biosystem model 477A) equipped with a PTH-Xaa analyzer (Applied Biosystems model 120A). In other words, the purified trehalose synthase was electrophoresed on a polyacrylamide gel, the enzyme protein on the gel was transferred to an electroblotter on a FVD membrane (MSI, Westboro, MA 01581) and then trehalose on the FVD membrane. Only the amino acid sequence was determined by the above device for the synthetase protein band, and the determined amino acid sequence is as follows.
1 10 201 10 20
MDPLWYKDAV IYQLHVRSFFMDPLWYKDAV IYQLHVRSFF
실시예 3: Thermus caldopilus GK24 균주 유래 트레할로스 합성효소 유전자의 클로닝Example 3: Cloning of Trehalose Synthase Gene from Thermus caldopilus GK24 Strain
실험예 1: 아미노 말단 올리고 DNA 프로브 합성Experimental Example 1: Amino Terminal Oligo DNA Probe Synthesis
실시예 2의 실험예 7에서 결정한 아미노산서열을 근거로 하여 26 mer의 올리고 DNA 프로브 #1을 합성하였으며 이는 하기와 같다.Based on the amino acid sequence determined in Experiment 7 of Example 2 26 oligo DNA probe # 1 was synthesized as follows.
1 10 20 261 10 20 26
5'-TGGTA(C/T)AA(A/G)GA(C/T)GCNGTNAT(A/C/T)TA(C/T)CA-3'5'-TGGTA (C / T) AA (A / G) GA (C / T) GCNGTNAT (A / C / T) TA (C / T) CA-3 '
상기 #1 프로브를 사용하여 서던 하이브리다이제이션, 플라크 하이브리다이제이션, 콜로니 하이브리다이제이션 등을 수행하여 Thermus caldophilus GK24 균주 유래 트레할로스 합성효소 유전자의 확인 및 클로닝을 수행하였다.Southern hybridization, plaque hybridization, colony hybridization, and the like were performed using the # 1 probe to identify and clone the trehalose synthase gene derived from Thermus caldophilus GK24 strain.
실험예 2: Thermus caldophilus GK24 균주의 람다 라이브러리 제조Experimental Example 2: Preparation of lambda library of Thermus caldophilus GK24 strain
실시예 1의 실험예 1에서와 같이 성장시킨 Thermus caldophilus GK24 균주의 세포를 용균 완충용액(0.1 M NaCl, 10 mM EDTA, 20 mM Tris, pH 7.5)에 현탁하고, 0.5 mg/mL 되게 라이소자임을 가하여 37℃, 30 분간 반응시킨 후, 1% 되게 SDS와 50 μg/mL 되게 RNase를 가하여 37℃, 1 시간 반응시키고, 다시 0.2 mg 되게 프로테이즈를 가하여 37℃, 3 시간 반응시킨 다음 동량의 석탄산을 가하여 12 시간 동안 처리하였다. 수용층 만을 회수하고 두 배의 주정을 가하여 DNA를 석출시키고 이를 회수하였다. 상기 염색체 DNA를 제한효소 Sau3A I으로 부분 분해시키고 설탕 농도 기울기에 의한 초원심분리법으로 크기가 9-23 kb인 DNA 조각들을 회수하여 λ EMBL3 벡터와 연결시키고 대장균 XL1-Blue MRA(P2)에 감염, 증폭시켜 Thermus caldophilus GK24 균주의 람다 라이브러리를 제조하였다.Cells of Thermus caldophilus GK24 strain grown as in Experiment 1 of Example 1 were suspended in lysis buffer (0.1 M NaCl, 10 mM EDTA, 20 mM Tris, pH 7.5), and lysozyme was added to 0.5 mg / mL. After reacting at 37 ° C. for 30 minutes, 1% SDS and RNase were added at 50 μg / mL, and then reacted at 37 ° C. for 1 hour, followed by reaction at 37 ° C. for 3 hours with 0.2 mg of protease. Was added for 12 hours. Only the aqueous layer was recovered and twice the alcohol was added to precipitate the DNA and recovered. The chromosomal DNA was partially digested with restriction enzyme Sau3A I, ultracentrifugation by sugar concentration gradient, 9-23 kb in size DNA fragments were recovered and linked to the λ EMBL3 vector and infected with E. coli XL1-Blue MRA (P2), Amplification produced a lambda library of Thermus caldophilus GK24 strain.
실험예 3: 람다 라이브러리에서 트레할로스 합성효소 유전자의 탐색 및 재조합체 제조Experimental Example 3: Screening of Trehalose Synthase Gene and Recombinant Production in Lambda Library
상기 실험예 2에서와 같이 제조한 Thermus caldophilus 의 람다 라이브러리에서 본 실시예의 실험예 1에서 얻은 아미노 말단 프로브를 사용하여 플라크 하이브리다이제이션을 수행하므로써 트레할로스 합성효소 유전자를 포함하고 있는 람다 재조합체를 선별하였다. 즉, 일반적인 공지의 방법과 비엠사(Boehringer Mannheim GmbH, Biochemica, 독일)의 디그 표지 및 확인 키트(DIG Labelling and Detection Kit)의 사용자 매뉴얼에 기술되어 있는 바와 같이 람다 라이브러리를 엔지시와이엠(NZCYM; 10 g NZ amine, 5 g NaCl, 5 g Bacto yeast extract, 1 g Casamino acids, 2 g MgSO4·7H2O, pH 7.0) 한천 평판배지 위에서 대장균 XL1-Blue MRA(P2)에 감염시켜 플라크를 형성하게 한 후 (+) 극성의 나일론 막에 옮겨 DNA를 용출시키고 고착시켰다. 터미널 트렌스퍼레이즈(Terminal transferase)에 의해 디그(DIG, digoxigenin-11-ddUTP)로 표지된 실시예 3의 실험예 1의 아미노 말단 프로브를 사용하여 플라크 하이브리다이제이션을 수행하고 화학적 발광체인 씨에스피디(CSPD)를 사용하여 엑스선 필름에 감광시키므로써 트레할로스 합성효소 유전자를 포함하고 있는 5 개의 람다 재조합체를 선별하였다. 선별된 람다 재조합체를 엔지시와이엠 액체 배지에서 대장균에 감염시키고, 클로로포름(chloroform), DNase I, RNase, 1 M 염화 나트륨과 10% 피이지(PEG, polyethylene glycol) 처리로 증폭, 정제하였다.In the lambda library of Thermus caldophilus prepared as in Experimental Example 2, a lambda recombinant containing trehalose synthase gene was selected by performing plaque hybridization using the amino terminal probe obtained in Experimental Example 1 of this example. . That is, the lambda library is described as NZCYM (general known method) and as described in the user manual of the Dig Labeling and Detection Kit of Boehringer Mannheim GmbH, Biochemica (Germany). 10 g NZ amine, 5 g NaCl, 5 g Bacto yeast extract, 1 g Casamino acids, 2 g MgSO 4 · 7H 2 O, pH 7.0) Escherichia coli XL1-Blue MRA (P2) on agar plate medium to form plaque The DNA was eluted and fixed by transfer to a nylon membrane of (+) polarity. Plaque hybridization was performed using the amino terminal probe of Experiment 1 of Example 3 labeled with digoxigenin-11-ddUTP (DIG) by terminal transferase, and the chemical luminescence CSP ( 5 lambda recombinants containing trehalose synthase genes were selected by photosensitive X-ray film using CSPD). Selected lambda recombinants were infected with Escherichia coli in ENC YM medium, and amplified and purified by treatment with chloroform, DNase I, RNase, 1 M sodium chloride and 10% sebum (PEG, polyethylene glycol).
실험예 4: Thermus caldophilus GK24 균주의 트레할로스 합성효소 유전자 염기서열 결정Experimental Example 4: Determination of Trehalose Synthase Gene Sequence of Thermus caldophilus GK24 Strain
상기 실험예 3에서 정제된 람다 재조합체로부터 이디티에이(EDTA, final conc. 20 mM), 프로티네이즈 케이(Proteinase K, final conc. 50 μg/mL), 에스디에스(SDS, final conc. 0.5%), 석탄산/클로로포름(1:1 v/v), 주정을 처리하여 선별된 람다 재조합체의 순수한 DNA를 분리하였다. 분리된 람다 재조합체의 DNA를 재조합 플라스미드로 만들기에 적절한 여러 종의 제한효소로 처리하고 아가로스 젤에서의 전개, 서던 블로팅(Southern blotting), 상기의 프로브를 사용한 서던 하이브리다이제이션 방법을 사용하여 트레할로스 합성효소 유전자의 아미노 말단을 포함한 제한효소 BamH I에 의한 크기 3.0 kb(pTSBm30), Hind III 에 의한 크기 2.9 kb(pTSH29), Bgl II에 의한 크기 3.0 kb(pTSBg30)인 DNA 조각을 분리, 정제하여 플라스미드 pUC 18에 결합시키고 그 염기서열을 결정하였다. 도 4에서 보는 바와 같이 위의 세 DNA 조각은 트레할로스 합성효소의 전체 유전자 중 아미노 말단 부분만을 포함하고 있으므로 카복시 말단을 확보하기 위하여 Bgl II에 의해 얻은 DNA의 카복시 말단 방향의 염기서열을 사용하여 하기와 같은 올리고 DNA 프로브 #2를 제조하였다.EDTA (final conc. 20 mM), proteinase K (final conc. 50 μg / mL), SDS (final conc. 0.5%) from the lambda recombinant purified in Experimental Example 3 ), Phenol / chloroform (1: 1 v / v) and alcohol were used to isolate pure DNA of selected lambda recombinants. The isolated lambda recombinant DNA was treated with various kinds of restriction enzymes suitable for making a recombinant plasmid and developed on an agarose gel, Southern blotting, and Southern hybridization method using the above probe. DNA fragments of 3.0 kb (pTSBm30) by restriction enzyme BamH I, 2.9 kb (pTSH29) by Hind III and 3.0 kb (pTSBg30) by Bgl II were isolated and purified. The nucleotide sequence was determined by binding to plasmid pUC 18. As shown in FIG. 4, since the above three DNA fragments contain only the amino terminal portion of the entire gene of trehalose synthase, the nucleotide sequence of the carboxy terminal direction of the DNA obtained by Bgl II is used to secure the carboxy terminus. The same oligo DNA probe # 2 was prepared.
1 10 201 10 20
5'-CCTGAGGAACCAGCACGCCA-3'5'-CCTGAGGAACCAGCACGCCA-3 '
상기 올리고 DNA 프로브 #2를 사용하여 서던 하이브리다이제이션을 실시하여 카복시 말단을 포함한 제한효소 BamH I에 의한 크기 2.2 kb(pTSBm22), Hind III 에 의한 크기 7.0 kb(pTSH70)인 DNA 조각을 분리, 정제하여 플라스미드 pUC 18에 결합시키고 그 염기서열을 결정하였다. 실험결과, 결정한 Thermus caldophilus GK24 균주의 트레할로스 합성효소 유전자의 염기서열은 도 5a, 5b, 5c와 같았으며 이와 같이 결정된 아미노산과 DNA 서열에 따르면 Thermus caldophilus GK24 균주의 트레할로스 합성효소는 965 개의 아미노산으로 구성되어있으며 계산상 효소 단백질의 분자량은 110 kDa이며 계산상의 pI 값은 5.73이고 이 효소의 유전자는 2,898 개의 염기로 구성되어 있으며, G+C의 구성비가 69.3%를 이루고 있다. 다른 종으로부터 분리된 트레할로스 합성효소와 아미노산서열을 비교해본 결과 도 6a, 6b에 나타낸 바와 같이 서머스 아쿠아티쿠스 ATCC33923의 효소와는 98.2%, 피멜로박터 sp. R48의 효소와는 50.3 %(참조: Tsusaki, K. 등 (1997) Biochim. Biophys. Acta., 1334, 28-32; Tsusaki, K. 등 (1996) Biochim. Biophys. Acta., 1290, 1-3)의 상동성을 보여주었다. 효소 유전자들간의 비교에서는 도 7a, 7b, 7c, 7d와 같이 서머스 아쿠아티쿠스 ATCC33923과는 98.9%, 피멜로박터 sp. R48과는 53.4%의 상동성을 가지고 있다. 가장 유사성이 높은 서머스 아쿠아티쿠스 ATCC33923의 트레할로스 합성효소와 더 자세히 비교하자면, 본 발명의 Thermus caldophilus GK24 균주의 트레할로스 합성효소가 효소 단백질 측면에서 2 개의 아미노산을 더 가지고 있고 10 개의 아미노산이 상이하며 따라서 분자량은 계산상으로 246 Da이 더 크고 pI 값은 0.1이 더 높았다. 그리고 효소 유전자 측면에서는 6 개의 염기가 더 많았고 26 개의 염기가 다르며 G+C의 구성비가 0.1% 더 높았다.Southern hybridization was performed using the oligo DNA probe # 2 to isolate and purify DNA fragments of size 2.2 kb (pTSBm22) by restriction enzyme BamH I including the carboxy terminus, and 7.0 kb (pTSH70) by Hind III. The nucleotide sequence was determined by binding to plasmid pUC 18. As a result, the nucleotide sequences of the trehalose synthase gene of the Thermus caldophilus GK24 strain were as shown in Figs. 5A, 5B and 5C. According to the amino acids and DNA sequences thus determined, the trehalose synthase of Thermus caldophilus GK24 strain consists of 965 amino acids. The molecular weight of the enzyme protein is 110 kDa, the calculated pI is 5.73, and the gene of this enzyme is composed of 2,898 bases. The composition of G + C is 69.3%. Comparing the amino acid sequence with trehalose synthase isolated from other species, as shown in Figures 6a, 6b and 98.2% of the enzyme of Summers aquaticus ATCC33923, Pimelobacter sp. 50.3% with the enzyme of R48 (Tsusaki, K. et al. (1997) Biochim. Biophys. Acta., 1334, 28-32; Tsusaki, K. et al. (1996) Biochim. Biophys. Acta., 1290, 1- 3) showed homology. In comparison between enzyme genes, as shown in FIGS. 7A, 7B, 7C, and 7D, 98.9% of Summer Aquaticus ATCC33923, Pimelobacter sp. It has a 53.4% homology with R48. Compared more closely with the trehalose synthase of the most similar Thermos aquaticus ATCC33923, the trehalose synthase of the Thermus caldophilus GK24 strain of the present invention has two more amino acids in terms of enzyme protein and thus 10 different amino acids and thus molecular weight Calculated by 246 Da was larger and pI value was 0.1 higher. In terms of enzyme genes, 6 bases were more, 26 bases were different, and the composition ratio of G + C was 0.1% higher.
실험예 5: 트레할로스 합성효소 유전자의 발현벡터 구축Experimental Example 5: Expression vector construction of trehalose synthase gene
트레할로스 합성효소 유전자의 발현벡터를 구축하기 위하여 첫 단계로 효소의 구조 유전자를 하나의 플라스미드 벡터로 모았다. 즉, 도 8에서와 같이 플라스미드 pTSBm30을 제한효소 Bgl II와 Hind III로 처리하여 크기가 1.8 kb인 DNA와 플라스미드 pTSH70을 제한효소 Hind III와 BamH I 부분 처리하여 크기가 3.1 kb인 DNA을 각각 용출하고 서로 연결하여 플라스미드 pTSBgBm을 구성하였다. 이 플라스미드는 트레할로스 합성효소의 구조 유전자를 모두 포함하고 있다. 두 번째 단계로 ATG 개시 코돈을 포함하고, 발현 벡터에 클로닝하기 위한 EcoR I site를 포함하는 효소 유전자의 아미노 말단을 얻었다. 즉, 도 8에서와 같이 플라스미드 pTSBgBm을 주형으로 하고 하기와 같은 프라이머 ExEN와 ExTRev를 사용한 연쇄중합 반응(PCR, polymerase chain reaction)을 수행하여 160 bp의 DNA를 얻어 플라스미드 pUC18에 연결하므로써 트레할로스 합성효소의 아미노 말단 부분의 유전자를 포함한 플라스미드 pEXENTR을 구성하였다.In order to construct the expression vector of the trehalose synthase gene, the first step was to collect the structural genes of the enzyme into one plasmid vector. That is, as shown in FIG. 8, the plasmid pTSBm30 was treated with restriction enzymes Bgl II and Hind III to elute 1.8 kb of DNA and the plasmid pTSH70 with restriction enzymes Hind III and BamH I. The plasmid pTSBgBm was constructed by linking with each other. This plasmid contains all of the structural genes of trehalose synthase. In the second step, the amino terminus of the enzyme gene containing the ATG start codon and the EcoR I site for cloning into the expression vector was obtained. That is, as shown in FIG. 8, the plasmid pTSBgBm was used as a template, and a polymerase chain reaction (PCR) was performed using primers ExEN and ExTRev as described below to obtain 160 bp of DNA, thereby connecting to plasmid pUC18. The plasmid pEXENTR was constructed comprising the gene of the amino terminal portion.
1 211 21
5'-GAATTCATGGACCCCCTCTGGTACAAG-3'5'-GAATTCATGGACCCCCTCTGGTACAAG-3 '
134 154134 154
5'-TCAACACCCTCTGGCTCATGC-3'5'-TCAACACCCTCTGGCTCATGC-3 '
세 번째 단계로 플라스미드 pTSBgBm과 pEXENTR을 제한 효소 Hind III, Sal I 그리고 EcoR I, Hind III로 처리하여 크기가 3.1 kb, 0.1 kb인 DNA를 각각 용출하였다. 그리고 제한효소 EcoR I과 Sal I으로 처리한 발현용 벡터 pJR(참조: 한국 특허출원 제 92-6370 호; Kwon S.-T. 등 (1997) Mol. Cells, 7, 264-271)에 연결시켜 트레할로스 합성효소 발현 벡터 pTSEHS3을 구축하였고 대장균 MV1184에 형질 도입하여 재조합 균주, 대장균 MV1184[pTSEHS3]을 구축하였다(도 9a, 9b, 9c).In the third step, plasmids pTSBgBm and pEXENTR were treated with restriction enzymes Hind III, Sal I, EcoR I and Hind III to elute DNAs of 3.1 kb and 0.1 kb, respectively. And the expression vector pJR treated with restriction enzymes EcoR I and Sal I (see Korean Patent Application No. 92-6370; Kwon S.-T. et al. (1997) Mol. Cells, 7, 264-271). Trehalose synthase expression vector pTSEHS3 was constructed and transformed into E. coli MV1184 to construct a recombinant strain, E. coli MV1184 [pTSEHS3] (FIGS. 9A, 9B and 9C).
본 발명자들은 상기 플라스미드 pTSEHS3을 함유하는 대장균 MV1184[pTSEHS3]을 1998년 11 월 20 일자로 한국과학기술연구원 생명공학연구소내 유전자 은행에 기탁 번호 KCTC 0551BP로 기탁하였다.The present inventors deposited the E. coli MV1184 [pTSEHS3] containing the plasmid pTSEHS3 with the gene number KCTC 0551BP to the Gene Bank in the Biotechnology Research Institute of Korea Institute of Science and Technology as of November 20, 1998.
실시예 4: 재조합 트레할로스 합성효소의 발현과 트레할로스 합성Example 4 Expression and Trehalose Synthesis of Recombinant Trehalose Synthase
실험예 1: 재조합 트레할로스 합성효소의 발현 및 정제Experimental Example 1 Expression and Purification of Recombinant Trehalose Synthase
클로닝된 트레할로스 합성효소의 유전자를 발현시키기 위해, 대장균 MV1184[pTSEHS3]을 50 μg/mL의 앰피실린이 첨가된 엘비 액체배지에 접종하여 대량 배양하였다. 37℃에서 약 2시간 배양한 후, 0.2 mM의 아이피티지(IPTG, isopropyl β-D-thiogalactopyranoside)를 첨가하고 약 10시간 계속 배양하여 유전자의 발현을 유도하였다. 원심분리하여 균체를 회수한 다음, 실시예 1에서와 같이 10 mM 인산화칼륨 완충용액 pH 7.0에 현탁시키고 초음파 세포 파쇄기로 세포를 파쇄시키고 파쇄된 세포 용액을 4℃에서 17,000 x g로 30 분간 원심분리하여 미파쇄 세포들과 불용성 세포 파쇄물들을 제거한 효소액을 만들었다. 이어서 얻어진 수용성 상층 효소액만을 75-85℃에서 30 분간 열처리하고 원심분리하여 대장균 유래의 변성된 단백질을 제거하였다. 이 효소액을 10 mM 인산화칼륨 완충용액 pH 7.0으로 평형화되어 있는 양이온 교환수지 컬럼(DEAE-Sephacel column, 1 x 10 cm)에 가하고 같은 완충용액으로 충분히 세척한 다음 0 M에서 1 M 까지의 염화칼륨 농도 기울기로 단백질들을 분획하였다. 이어서 활성을 가진 분획들만을 모아 한외여과(Ultrafilteration) 장치를 사용하여 농축하였다. 이와 같이 처리된 효소액을 사용하여 실시예 1의 실험예 3에서와 같은 방법으로 트레할로스 합성효소 활성도를 측정한 결과, 부분 정제된 단백질 mg 당 39.44 활성단위의 활성을 나타냈다. 이 재조합효소의 아미노 말단을 조사한 결과 Thermus caldophilus GK24 균주로부터 정제된 효소 단백질과 동일하였다. 또한 상기에서 조사된 효소의 고유 특성들과도 유사하였다. 위와 같은 발현 유도에 의한 대장균 MV1184[pTSEHS3]으로부터 생성되는 트레할로스 합성효소는 습윤 세포 g 당 528 활성단위까지 생성되며 이는 Thermus caldopilus GK24 균주로부터 습윤 세포 g 당 6.8 활성단위 생성 양에 비해 78 배 증가된 양이다.To express the cloned trehalose synthase gene, Escherichia coli MV1184 [pTSEHS3] was inoculated in an Elbi liquid medium to which 50 μg / mL of ampicillin was added and cultured in large quantities. After incubation at 37 ° C. for about 2 hours, 0.2 mM ipitage (IPTG, isopropyl β-D-thiogalactopyranoside) was added and the culture was continued for about 10 hours to induce gene expression. The cells were recovered by centrifugation, then suspended in 10 mM potassium phosphate buffer pH 7.0 as in Example 1, the cells were disrupted with an ultrasonic cell crusher, and the crushed cell solution was centrifuged at 17,000 xg for 30 minutes at 4 ° C. Enzyme solution was removed from unbroken cells and insoluble cell debris. Subsequently, only the obtained aqueous supernatant enzyme solution was heat-treated at 75-85 ° C. for 30 minutes and centrifuged to remove denatured protein derived from E. coli. Add this enzyme to a cation exchange resin column (DEAE-Sephacel column, 1 x 10 cm) equilibrated to 10 mM potassium phosphate buffer pH 7.0, wash thoroughly with the same buffer, and then gradient the potassium chloride concentration from 0 M to 1 M. Proteins were fractionated. Only active fractions were then collected and concentrated using an ultrafilteration apparatus. Trehalose synthase activity was measured in the same manner as in Experiment 3 of Example 1 using the enzyme solution thus treated, and showed 39.44 active units per mg of partially purified protein. The amino terminus of the recombinase was the same as that of the enzyme protein purified from the Thermus caldophilus GK24 strain. It was also similar to the intrinsic properties of the enzyme investigated above. Trehalose synthase produced from E. coli MV1184 [pTSEHS3] by the above induction of expression is produced up to 528 active units per g of wet cells, which is a 78-fold increase in the amount of 6.8 active units per g of wet cells from the Thermus caldopilus GK24 strain. to be.
실험예 2: 재조합 트레할로스 합성효소에 의한 맥아당으로부터 트레할로스의 생산Experimental Example 2 Production of Trehalose from Maltose by Recombinant Trehalose Synthase
상기 실험예 1의 재조합 효소를 사용하여 맥아당으로부터 트레할로스를 생산하였을 때 도 10에서와 같이 86%의 알파,알파-트레할로스와 3.5%의 알파,베타-트레할로스를 생성하였다. 즉, 10 mM 맥아당을 포함한 20 mM 인산화칼륨 완충용액 pH 6.3, 9 활성단위/mL가 되게 트레할로스 합성효소를 가하고 반응 온도 40℃로부터 90℃ 사이에서 72 시간 동안 트레할로스 생산 반응을 시키며 고염기 양이온 교환 크로마토그라피로 트레할로스 생성 정도를 측정한 결과 반응액중 40℃에서 알파,알파-트레할로스의 생성율은 86%에 도달하였으며, 80℃에서 알파,베타-트레할로스의 생성율은 3.5%에 달하였다.When trehalose was produced from maltose using the recombinant enzyme of Experimental Example 1, 86% of alpha, alpha-trehalose and 3.5% of alpha, beta-trehalose were produced. That is, trehalose synthase was added to 20 mM potassium phosphate buffer pH 6.3, 9 active units / mL containing 10 mM maltose, and trehalose production reaction was carried out for 72 hours at a reaction temperature of 40 ° C to 90 ° C. As a result of measuring the degree of trehalose production by graphigraphy, the production rate of alpha, alpha-trehalose reached 86% at 40 ° C., and the production rate of alpha, beta-trehalose reached 3.5% at 80 ° C.
본 발명은 상기 실시예와 실험예를 통하여 설명한 바와 같이 트레할로스 합성효소 유전자로 재조합한 대장균에 의해 대량 생산된 재조합 트레할로스 합성효소는 맥아당과 반응하여 생분자를 안정화시키고 건조 또는 냉동식품에 안정제로 작용하며 진단시약과 약제약상에 있어 첨가제로 사용될 뿐만 아니라 효소를 포함한 생리활성 단백질의 열응집과 열변성을 방지하는 안정제로 그리고 화장품에 있어 보습제로 유용한 알파,알파-트레할로스(α,α-trehalose)와 알파,베타-트레할로스(α,β-trehalose)를 생산하는 뛰어난 효과가 있으므로 생물의약, 식품 및 화장품 산업상 매우 유용한 발명인 것이다.The present invention is a recombinant trehalose synthase mass-produced by E. coli recombined with trehalose synthase gene as described through the examples and experimental examples to stabilize the biomolecules and act as a stabilizer for dried or frozen foods by reacting with maltose Alpha, alpha-trehalose, which is not only used as an additive in diagnostic reagents and pharmaceuticals, but also as a stabilizer to prevent thermal coagulation and thermal denaturation of bioactive proteins including enzymes and as a moisturizing agent in cosmetics Alpha, beta-trehalose (α, β-trehalose) is a very useful invention in the biopharmaceutical, food and cosmetic industry because it has an excellent effect of producing.
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