KR20020075142A - Novel cellulomonas sp. gm13 strain producing chitinase - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: Provided is novel Cellulomonas sp. GM13 strain producing chitinase which has excellent chitin decomposability and is thus effectively used in manufacturing disaccharide of N-acetyl-beta-D-glucosamine(NAG), as well as oligosaccharide. CONSTITUTION: The novel Cellulomonas sp. GM13 strain(KCTC 18073P) is isolated from soil. It cultured in a medium containing chitin to produce endochitinase and exochitinase which are used for the manufacture of chitin oligosaccharide having high bioavailability. Wherein the endochitinase has molecular weight of 63kDa, optimum pH of 7.0, optimum temperature of 60 deg.C and amino acid sequence at N-end of alanine-glycine-threonine-phenylalanine-threonine-alanine-threonine-phenylalanine.

Description

키티나아제를 생산하는 신규한 셀룰로모나스 GM13 속 균주{Novel Cellulomonas sp. GM13 strain producing chitinase}A novel strain of cellulomonas GM13 that produces chitinase {Novel Cellulomonas sp. GM13 strain producing chitinase}

본 발명은 키티나아제를 생산하는 신규한 셀룰로모나스 GM13 균주에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 상기 균주가 생산하는 키틴분해효소인 키티나아제 및 이를 이용한 키틴 올리고당 및 N-아세틸-β-D-글루코사민(NAG)의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a novel cellulomonas GM13 strain that produces chitinase, and more specifically, chitinase, which is produced by the strain, and chitin oligosaccharide and N-acetyl-β-D- using the same. It relates to a method for producing glucosamine (NAG).

지구 상에 섬유소 다음으로 풍부한 생물질(biomass)인 키틴은 N-아세틸-β-D-글루코사민(NAG)을 기본 단위로 하여 β-1, 4 결합으로 연결된 다당류로서 분자량은 약 1×106정도이다. 키틴은 게, 크릴새우, 보리새우 등과 같은 바다 갑각류들과 거미, 개미, 메뚜기 등과 같은 곤충의 외피를 구성하는 주성분이며, 미생물에서는 녹조류, 효모, 사상균 등의 세포벽 성분으로 발견된다.Chitin, the next most abundant biomass on the earth, is a polysaccharide linked by β-1 and 4 bonds based on N-acetyl-β-D-glucosamine (NAG), and has a molecular weight of about 1 × 10 6 . to be. Chitin is a major component of the shells of sea crustaceans such as crabs, krill, lobsters, and insects such as spiders, ants, and grasshoppers.

이러한 키틴은 중요한 천연자원으로서 그 응용성이 점차 증가되고 있다. 특히 최근에는 키틴의 분해산물인 키틴 올리고당에서 항균작용, 항암작용, 면역강화작용, 병원성 진균에 대한 식물의 저항성 유도작용, 유산균 증식 촉진작용 등이 발견되었고 또한 키틴의 단량체인 NAG는 퇴행성 관절염 치료에 효과가 뛰어날 뿐만아니라 항염증, 심장보호, 간장보호, 물질동화 촉진에도 효과가 있는 것으로 밝혀졌다.Such chitin is an important natural resource, its application is gradually increasing. In particular, in recent years, chitin oligosaccharides, which are degradation products of chitin, have been found to have antimicrobial activity, anticancer activity, immunopotentiation effect, plant resistance to pathogenic fungi, and lactic acid bacteria growth promoting action. Not only is it effective, it has also been shown to be effective in promoting anti-inflammatory, heart protection, hepatoprotection and metabolism.

이러한 키틴 올리고당과 NAG는 산분해법(acid hydrolysis)으로 키틴으로부터 생산되고 있다. 그러나 산분해법에 의한 키틴 올리고당 제조의 경우에는 올리고당 수율이 낮을 뿐만 아니라 단당을 포함한 저중합도의 올리고당이 많이 생기는 문제점이 있다. 또한 반응 후 잔류염을 제거하기 위해서 용매를 사용하거나, 비교적 고중합도의 올리고당을 얻기 위해서 키토산 분해물을 분획해야 하는 어려움이 있는데, 이때 많은 양의 용매가 사용되기 때문에 환경적인 문제를 일으킬 수 있으며 의약품 등에 사용될 수 있는 고순도의 올리고당을 생산하기가 힘든 단점이 있다. 한편, 산분해법에 의한 NAG 제조의 경우에는 키틴의 산 분해 과정에서 키틴이 단당으로 분해되고 동시에 탈아세틸화가 일어나 D-glucosamine(DGA)과 NAG가 같이 생성되는데, 탈아세틸화를 줄이기 위해서 산의 농도와 온도를 낮추게 되면 키틴으로부터 얻어지는 NAG의 효율이 낮아지는 문제점이 있다. 게다가 이러한 기존의 NAG 제조공정은 고농도 산을 사용하기 때문에 장치의 부식, 작업의 위험, 불순물 제거를 위한 복잡한 정제공정을 필요로 하는 단점이 있다. 이런 이유로 최근에는 키틴 올리고당과 NAG 제조를 위해서 기존의 산분해법을 대체하기 위한 효소적 방법이 모색되고 있다.These chitin oligosaccharides and NAG are produced from chitin by acid hydrolysis. However, the production of chitin oligosaccharides by acid decomposition has a problem that not only the yield of oligosaccharides is low but also a lot of low-polymerization oligosaccharides including monosaccharides. In addition, it is difficult to use a solvent to remove residual salt after the reaction or to fractionate chitosan decomposition products to obtain a relatively high degree of polymerization of oligosaccharides.A large amount of solvent is used to cause environmental problems. It is difficult to produce high purity oligosaccharides that can be used. On the other hand, in the case of NAG production by the acid decomposition method, chitin is decomposed into monosaccharides during acid decomposition of chitin, and at the same time, deacetylation occurs, resulting in D-glucosamine (DGA) and NAG. When the temperature is lowered, there is a problem that the efficiency of NAG obtained from chitin is lowered. In addition, the conventional NAG manufacturing process uses a high concentration of acid, which requires a complicated purification process for corrosion of equipment, risk of work, and removal of impurities. For this reason, in recent years, enzymatic methods for replacing chitosan oligosaccharide and NAG have been sought.

효소적 방법에 의한 키틴 올리고당 제조는 온화한 반응조건을 사용하고, 2당 이상의 올리고당 수율이 높으며, 사용 효소에 따라서는 비교적 고중합도의 올리고당을 만들 수 있는 장점이 있다. 또한 효소적 방법에 의한 키틴 분해의 경우에는최종 분해산물인 NAG의 탈아세틸화가 일어나지 않기 때문에 불순물이 생기지 않아 정제 공정이 매우 단순하고 높은 수율로 NAG를 생산할 수 있는 장점이 있다.Chitin oligosaccharide preparation by the enzymatic method uses mild reaction conditions, high yield of oligosaccharides of two or more sugars, and depending on the enzyme used, there is an advantage of making a relatively high polymerization oligosaccharide. In addition, in the case of chitin degradation by enzymatic method, since deacetylation of the final degradation product NAG does not occur, impurities are not generated, and thus, the purification process is very simple and the NAG can be produced with high yield.

효소적 방법에 의해 키틴을 완전분해하기 위해서는 키틴 사슬의 내부를 무작위로 절단하는 엔도키티나아제(endochitinase)와 이 엔도키티나아제에 의해 생성된 키틴 올리고당을 비환원말단에서 순차적으로 절단하여 키틴 단량체인 NAG로 완전 가수분해시키는 엑소키티나아제(exochitinase)가 필요하다. 키티나아제(chitinase)는 이러한 키틴 가수분해 효소의 총칭이다. 그런데 키틴으로부터 효소적 방법에 의해 키틴 올리고당을 제조하기 위해서는 엔도키티나아제가 필요하고, 키틴을 완전 분해하여 NAG를 제조하기 위해서는 엔도키티나아제와 아울러 엑소키티나아제가 필요하다.In order to completely decompose chitin by enzymatic method, endochitinase which randomly cuts the inside of chitin chain and chitin oligosaccharides produced by this endokinase are sequentially cut at non-reducing ends of chitin monomer. There is a need for an exochitinase that completely hydrolyzes with phosphorus NAG. Chitinase is a generic term for this chitinase. However, to prepare chitin oligosaccharides from chitin by the enzymatic method, endocytase is required. In order to completely decompose chitin to produce NAG, endocytase and exochitinase are required.

그러나 결정상태의 딱딱한 키틴을 올리고당으로 효과적으로 분해하여 키틴으로부터 직접 비교적 고중합도의 키틴 올리고당을 만들 수 있는 효소는 아직 개발되지 않고 있을 뿐만 아니라 고중합도의 키틴 올리고당을 키틴 단량체인 NAG로 효율적으로 분해할 수 있는 엑소키티나아제의 개발 또한 부진한 실정이다.However, enzymes capable of effectively decomposing crystalline chitin into oligosaccharides to produce relatively high degree of chitin oligosaccharides directly from chitin have not yet been developed and can efficiently decompose high-polymerization chitin oligosaccharides into chitin monomers, NAG. Exocytinase development is also sluggish.

특히, 지금까지 보고된 키티나아제들은 난분해성인 키틴을 효과적으로 분해하지 못하는 문제점이 있다. 따라서 아직까지 효소적 방법에 의해 효율적으로 키틴 올리고당과 NAG를 생산하기 위한 공정이 개발되지 않고 있는 실정이다.In particular, the chitinases reported so far have a problem that does not effectively degrade chitin that is difficult to decompose. Therefore, a process for producing chitin oligosaccharides and NAG efficiently by enzymatic method has not been developed yet.

이에, 본 발명자들은 키틴 분해를 위한 효소공정에 사용될 수 있는 높은 활성을 지닌 키티나아제를 획득하기 위해서 신규한 셀룰로모나스(Cellulomonas) 속균주를 토양에서 분리하여 이를 동정하였으며, 상기 균주의 배양액으로부터 키티나아제를 정제하여 반응특성을 조사함으로써 키틴 분해능이 뛰어나며 고중합도의 올리고당을 생성하는 등 기존에 보고된 키티나아제들과는 다른 신규한 효소임을 확인하여 본 발명을 완성하게 되었다.Accordingly, the present inventors have isolated and identified a novel Cellulomonas genus strain in the soil to obtain a high activity chitinase that can be used in the enzymatic process for chitin degradation, and from the culture of the strain By purifying chitinase and examining the reaction characteristics, the present invention was completed by confirming that the enzyme is different from the previously reported chitinases such as excellent chitin resolution and high oligosaccharides.

따라서, 본 발명의 목적은 키티나아제를 생산하는 신규의 셀룰로모나스 속 GM13 균주를 제공하는 것이다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a novel Cellulomonas genus GM13 strain that produces chitinase.

본 발명의 다른 목적은 상기 셀룰로모나스 속 GM13 균주가 생산하는 키티나아제를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a chitinase produced by the strain GM13 genus.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 균주를 이용한 키티나아제의 제조방법에 관한 것이다.Another object of the present invention relates to a method for preparing chitinase using the strain.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 방법에 의해 제조된 키티나제를 이용한 효소적 분해방법에 의해 키틴으로부터 키틴 올리고당과 NAG을 효율적으로 제조하는 방법에 관한 것이다.Another object of the present invention relates to a method for efficiently preparing chitin oligosaccharides and NAG from chitin by enzymatic digestion using chitinase prepared by the above method.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 방법에 의해 제조된 반응혼합물, 즉 키틴 올리고당과 NAG 혼합물을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a reaction mixture prepared by the above method, that is, a chitin oligosaccharide and a NAG mixture.

이하, 본 발명의 구성을 상세히 설명한다.Hereinafter, the configuration of the present invention will be described in detail.

도 1은 셀룰로모나스 속 GM13 균주의 16S rDNA 염기서열(서열번호 1)을 나타낸 그림이다.1 is a diagram showing the 16S rDNA sequence (SEQ ID NO: 1) of the GM13 strain of the genus Cellulomonas.

도 2는 16S rDNA 염기서열 분석에 따른 셀룰로모나스 속 균주들의 계통도를 나타낸 그림이다(아래에 표시한 막대기는 1%의 염기 다양성을 나타낸다).Figure 2 is a schematic diagram of the strains of the genus Cellulomonas according to the 16S rDNA sequencing analysis (sticks shown below represents a 1% base diversity).

도 3은 MC 배지에서 배양시간에 따른 GM13 균주의 키티나아제, 엔도키티나아제 및 단백질 생성을 조사한 그래프이다.Figure 3 is a graph of the production of chitinase, endokinase and protein of GM13 strain according to the culture time in MC medium.

도 4는 GM13 균주 배양액에서 키티나아제를 정제하기 위한 페닐-토요펄 칼럼 크로마토그래피를 나타낸 그림이다.4 is a diagram showing phenyl-Toyopearl column chromatography for purifying chitinase in GM13 strain culture.

도 5는 페닐-토요펄 칼럼 크로마토그래피를 통하여 분리된 분획들(Set Ⅰ, Set Ⅱ, Set Ⅲ)의 콜로이달 키틴에 대한 탁도 감소능을 나타낸 그림이다.FIG. 5 is a diagram showing the turbidity reduction ability of colloidal chitin of the fractions (Set I, Set II, Set III) separated by phenyl-Toyopearl column chromatography.

도 6은 GM13 균주의 배양 상등액과 페닐-토요펄 칼럼 크로마토그래피를 통하여 분획된 단백질들을 전기영동하여 코마시블루 염색(가)과 글리콜 키틴 활성염색(나)을 한 것이다.Figure 6 shows the coomassie blue staining (g) and glycol chitin active staining (b) by electrophoresis of the protein fractionated through the culture supernatant of the GM13 strain and phenyl-Toyopearl column chromatography.

도 7은 순수정제된 엔도키티나아제의 최적 온도(가)와 최적 pH(나)를 나타낸 그림이다.7 is a diagram showing the optimum temperature (a) and the optimum pH (b) of the purified purified endokinase.

도 8은 본 발명의 페닐-토요펄 칼럼 크로마토그래피를 통하여 분리된 분획들(Set Ⅰ, Set Ⅱ, Set Ⅲ 키티나아제)을 이용하여 콜로이달 키틴으로부터 생성된 반응산물을 나타낸 박층 크로마토그래피(TLC) 그림이다.FIG. 8 is a thin layer chromatography (TLC) showing a reaction product generated from colloidal chitin using fractions (Set I, Set II, Set III chitinase) separated through phenyl-Toyopearl column chromatography of the present invention. ) Picture.

본 발명은 키틴 분해활성을 갖는 미생물 및 이로부터 분리한 키틴분해효소에 관한 것으로, 보다 상세하게는 토양으로부터 분리한 신규한 셀룰로모나스 속 G13 균주가 생산하는 엑도키티나아제 및 엔소키티나아제를 이용하여 생리활성이 높은고중합도의 키틴 올리고당을 생산하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to microorganisms having chitin-degrading activity and chitinases isolated therefrom, and more particularly, to ectokinase and exochitinases produced by the novel cellulosic genus G13 strain isolated from soil. It relates to a method for producing high polymerization degree chitin oligosaccharides with high bioactivity.

키티나아제의 분리정제는 기존에 밝혀진 키티나아제의 성질을 이용하여 다양한 크로마토그래피 방법에 의한 단백질 분리방법을 그대로 사용하거나 실험 목적에 맞게 약간 변형하여 사용가능하다. 크로마토그래피 방법에 의해 순수 분리한 본 발명 키티나아제의 순도 검정은 전기영동법을 이용하여 증명하였으며. 표준분자량 물질과 함께 이동시켜 이동거리를 비교함으로써 키티나아제 분자량을 결정하였다.Separation and purification of chitinases can be performed using protein separation methods by various chromatographic methods using the properties of chitinases that have been known, or by modifying them slightly to suit experimental purposes. Purity assay of the chitinase of the present invention purely separated by chromatography method was demonstrated using electrophoresis. The chitinase molecular weight was determined by moving with standard molecular weight material and comparing the travel distance.

본 발명에서 키틴분해효소를 분리하기 위하여 사용된 셀룰로모나스 속 G13균주는 토양에서 분리한 신규한 균주로, 토양에서 수집한 시료를 멸균 증류수에 현탁시킨 후 4℃에서 하룻밤 정치시키고 상등액을 적절히 희석하여 MCG 평판배지(1 리터당 콜로이달 키틴 5 g; 효모 추출물 6.7 g; Na2HPO412.8 g; KH2PO45 g; NaCl 0.5 g; (NH4)2SO41 g; 포도당 10 g)에 도말한 후, 30℃에서 정치배양하면서 MCG 평판배지위에서 분해환을 비교적 빨리 형성시키는 것과 분해환의 크기가 상대적으로 큰 균주를 1차적으로 선발하고, 상기 선발된 1차 분리균주를 MCG 액체배지에서 5일간 진탕배양한 후 원심분리하여 균체를 제거하고 배양상등액의 키티나아제 활성을 측정한 결과 키티나아제 활성이 가장 높은 것으로 나타난 균주를 셀룰로모나스 속 GM13(Cellulomonassp. GM13)으로 명명하고 생명공학연구원 내 유전자 은행에 2001년 2월 5일자로 기탁하였다(수탁번호 KCTC 18073P).Cellulose genus G13 used to isolate chitinase in the present invention is a novel strain isolated from the soil, the samples collected from the soil suspended in sterile distilled water and then overnight at 4 ℃ and appropriately diluted supernatant MCG plate media (5 g colloidal chitin per liter; 6.7 g yeast extract; 12.8 g Na 2 HPO 4 ; 5 g KH 2 PO 4 ; NaCl 0.5 g; (NH 4 ) 2 SO 4 1 g; glucose 10 g) After plating at 30 ° C., the strains were formed relatively rapidly on the MCG plate medium and the strains having a relatively large size of the degraded rings were selected first, and the first isolated strains were selected from the MCG liquid medium. After 5 days of shaking culture, the cells were removed by centrifugation, and the chitinase activity of the culture supernatant was measured. The strain showing the highest chitinase activity was named GM13 ( Cellulomonas sp. GM13). It was deposited on February 5, 2001 in the Gene Bank of the Institute of Biotechnology (Accession No. KCTC 18073P).

본 발명 셀룰로모나스 GM13 균주의 키티나아제는 기질인 키틴에 의해서 생산이 유도되나, 포도당에 의해서는 그 생산이 억제되는 것으로 나타났으며, 이 중 엔도키티나아제는 다른 엑소키티나아제에 비해서 키틴 분해초기에 다량 생산되는 것으로 나타났다.Chitinase of the present cellulomonas GM13 strain is produced by chitin as a substrate, but the production of glucose is suppressed, and among these, endokinase is compared with other exokinase. Large amounts of chitin have been shown to be produced early in the breakdown.

본 발명 G13 균주의 온도에 따른 키티나아제 생산성을 조사한 결과 30℃ 배양에서 가장 높은 키티나아제 생산성을 나타냈으며, 25℃, 37℃, 40℃에서 배양했을 때는 각각 30℃ 배양에서의 키티나아제 생산성과 비교하여 약 91%, 43%, 0% 생산성을 나타내었다.As a result of investigating the productivity of chitinase according to the temperature of the G13 strain of the present invention, it showed the highest productivity of chitinase at 30 ° C. culture, and the culture of chitinase at 30 ° C. when cultured at 25 ° C., 37 ° C. and 40 ° C., respectively. Compared with the productivity, about 91%, 43%, 0% productivity was shown.

본 발명 G13 균주의 pH에 따른 키티나아제 생산성을 조사한 결과 배지의 초기 pH가 7.0인 경우가 가장 높은 키티나아제 생산성을 나타냈으며, pH 5.0, 6.0, 8.0, 9.0에서 배양했을 때는 각각 pH 7.0 배양에서의 키티나아제 생산성과 비교하여 약 0%, 88%, 82%, 65% 생산성을 나타내었다.According to the chitinase productivity according to the pH of the G13 strain of the present invention, the initial pH of the medium showed the highest chitinase productivity, and when cultured at pH 5.0, 6.0, 8.0, and 9.0, each cultured at pH 7.0. It showed about 0%, 88%, 82%, 65% productivity compared to chitinase productivity.

한편, 공지된 대부분의 키티나아제 생산균주들은 콜로이달 상태로 팽창화시키지 않은 결정성 키틴인 게껍질 키틴과 powder 키틴을 이용하지 못한다고 알려져 있으나 본 발명의 GM13 균주는 상기와 같은 결정성 키틴을 탄소원으로 이용할 수 있는 특성을 보였으며, powder 키틴을 탄소원으로 사용했을 때가 콜로이달 키틴을 탄소원으로 사용했을 때 보다 더 높은 키티나아제 생산성을 나타내었다.On the other hand, most known chitinase producing strains are known to be unable to use the crystalline chitin, the crab shell chitin and the powder chitin, which are not expanded to the colloidal state, but the GM13 strain of the present invention uses the above crystalline chitin as a carbon source. It showed usable properties and showed higher chitinase productivity when powder chitin was used as carbon source than when colloidal chitin was used as carbon source.

또한 powder 키틴의 농도를 달리하여 키티나아제 생산성을 조사해 보았더니 powder 키틴의 농도가 1.5%(w/v)일 때가 최고의 키티나아제 생산성을 나타내었다.In addition, chitinase productivity was examined by varying the concentration of powder chitin. When the concentration of powder chitin was 1.5% (w / v), it showed the highest productivity of chitinase.

본 발명 G13 균주의 질소원에 따른 키티나아제 생산성을 조사한 결과 시험한 질소원 중 pharmamedia를 질소원으로 첨가하였을 때가 가장 높은 키티나아제 생산성을 나타내었다.As a result of investigating the productivity of chitinase according to the nitrogen source of the G13 strain of the present invention, when the pharmamedia was added to the nitrogen source among the tested nitrogen sources, the chitinase productivity was the highest.

본 발명 G13 균주가 생산하는 키티나아제의 종류를 전기영동한 결과 63 kDa, 50 kDa, 37 kDa, 33 kDa, 20 kDa 크기의 5 종류의 키티나아제 활성 밴드를 나타내기 때문에 적어도 5종의 키티나아제를 생산한다는 것을 알 수 있었으며, 토요-펄 크로마토그래피를 수행하여 분획한 첫 번째 분획(Set Ⅰ)의 경우에는 엔도키티나아제 활성은 전혀 없고 키티나아제 활성만을 나타내었으며, 두 번째 분획(Set Ⅱ)의 경우에는 낮은 엔도키티나아제 활성을 보였으나, 세번째 분획(Set Ⅲ)의 경우는 키티나아제 활성뿐만 아니라 매우 높은 엔도키티나아제 활성을 보여 콜로이달 키틴의 탁도를 현저히 감소시켰다. 상기 정제된 분자량 63 kDa의 세번째 분획(Set Ⅲ) 키티나아제를 엔도키티나아제로 분류하고 반응 최적 온도와 최적 pH를 조사한 결과, 최적 반응온도는 60℃였으며, 최적 pH는 7.0이었다. 기질 특이성을 조사한 결과 콜로이달 키틴과 3당 이상의N-아세틸-키토올리고당들에 대해서 높은 활성을 나타냄을 알 수 있었다.Electrophoresis of the kind of chitinase produced by the G13 strain of the present invention resulted in at least five kinase activity bands of 63 kDa, 50 kDa, 37 kDa, 33 kDa, and 20 kDa. It was found that Naase is produced. The first fraction (Set I) fractionated by Toyo-Pear Chromatography showed no endokinase activity but only chitinase activity, and the second fraction ( In the case of Set II), low endokinase activity was shown, but in the third fraction (Set III), the turbidity of colloidal chitin was markedly decreased as well as chitinase activity. The third fraction (Set III) chitinase of the purified molecular weight 63 kDa was classified as endokinase, and the optimum reaction temperature and pH were investigated, and the optimum reaction temperature was 60 ° C., and the optimum pH was 7.0. As a result of examining substrate specificity, it was found that high activity of colloidal chitin and N -acetyl-chito-oligosaccharides of 3 or more sugars.

TLC 방법에 의해 본 발명 G13 균주가 생산하는 키티나아제들에 의한 콜로이달 키틴의 반응산물을 분석해 보았을 때, 콜로이달 키틴을 분해하여 NAG 2당체를 가장 많이 생성하였을 뿐만 아니라, 소량의 NAG 3당체, 4당체, 5당체, 6당체도 생성함을 알 수 있었다. 공지의 키티나아제들은 키틴을 분해하여 NAG 3당체 이상의 고중합도 올리고당을 생성하는 예가 극히 드물기 때문에 본 발명의 키티나아제는 생리활성이 높은 고중합도의 키틴 올리고당 생산에 유용할 것으로 판단되었다.When analyzing the reaction products of colloidal chitin by chitinases produced by the G13 strain of the present invention by TLC method, colloidal chitin was not only decomposed to produce the most NAG disaccharide, but also a small amount of NAG trisaccharide. It was also found that tetrasaccharide, pentasaccharide, and six sugars were also produced. Since the known chitinases rarely produce high-polymerization oligosaccharides of NAG trisaccharide or higher by degrading chitin, it was determined that the chitinase of the present invention would be useful for producing high-polymerization chitin oligosaccharides having high bioactivity.

한편, GM13 균주를 0.5%(w/v) 콜로이달 키틴이 첨가된 MC배지에서 배양을 한후에 배양 상등액과 세포 추출물의 엑소키티나아제 활성을 측정해본 결과 배양상등액에서는 엑소키티나아제 활성이 검출되지 않은 반면에 세포 추출물에서 엑소키티나아제 활성이 검출되었으며, 특히 키틴 무첨가 LB배지(1 리터 당; 박토 트립톤, 10 g; 효모 추출물, 5 g; NaCl, 5 g)에서 배양한 세포 추출물이 높은 엑소키티나아제 생산성을 나타내어, 지금까지 보고된 키틴 첨가에 의해 그 생산성이 높아지는 유도성 엑소키티나아제들과는 다름을 알 수 있어 본 발명의 세포 내 엑소키티나아제는 지금까지 보고된 적이 없는 신규한 키티나아제로 판단되었다.On the other hand, after culturing GM13 strain in MC medium to which 0.5% (w / v) colloidal chitin was added, exocytinase activity of the culture supernatant and cell extract was measured. On the other hand, exochitinase activity was detected in cell extracts, especially in cell extracts cultured in chitin-free LB medium (per liter; Bakto tryptone, 10 g; yeast extract, 5 g; NaCl, 5 g). Exokininase productivity is shown to be different from inducible exokinases whose productivity is increased by the addition of chitin reported so far, so that the intracellular exokinase of the present invention has been reported so far. It was judged as chitinase.

본 발명 키티나아제 단백질들의 키틴분해 활성을 이용한 다양한 산업적 응용이 가능하다. 본 발명 키나아제를 이용하여 제조한 수용성 저분자 키토산, 키틴 및 이들의 올리고당은 식품, 화장품, 의약품, 농업분야 등의 분야에 광범위하게 이용할 수 있다. 예컨대, 본 발명 키티나아제를 택일적 또는 조합적으로 선택하여 실제 NAG 단량체 및/또는 키틴올리고당을 제조함으로써 건강음료 및 식품개발 등에 이용할 수도 있으며, 키틴분해 활성을 이용하여 작물에 병을 유발하는 곰팡이나 선충 등을 방제하기 위한 생물농약이나 키티나아제 유전자로 형질전환된 키틴 내성 형질전환 식물 개발, 의약품 등에 이용될 수도 있다.Various industrial applications are possible using the chitinase activity of the chitinase proteins of the invention. The water-soluble low molecular chitosan, chitin and oligosaccharides thereof prepared using the kinase of the present invention can be widely used in the fields of food, cosmetics, medicine, agriculture and the like. For example, the chitinase of the present invention may be selected or used in combination to manufacture actual NAG monomers and / or chitin oligosaccharides, which may be used for health drinks and food development, and fungi causing disease in crops using chitin decomposition activity. It can also be used in biopesticides for the control of nematodes, development of chitin-resistant transformed plants transformed with chitinase genes, and medicines.

본 발명은 토양으로부터 셀룰로모나스 속 GM13 균주의 분리 및 동정 단계; 배지와 배양조건에 따른 GM13 균주의 키티나아제 생산성 조사 단계; GM13 균주의 배양액으로부터 정제된 키티나아제의 특성 조사 단계; GM13 균주가 생산하는 엑소키티나아제의 생산성 조사 단계로 이루어진다.The present invention comprises the steps of isolation and identification of GM13 strain of Cellulomonas from soil; Chitinase productivity of GM13 strain according to culture medium and culture conditions; Characterizing the chitinase purified from the culture medium of the GM13 strain; This step consists in examining the productivity of exokinase produced by GM13 strain.

이하, 본 발명의 균주, 키틴분해 활성을 갖는 키티나아제 효소의 정제 및 효소의 특성 등을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 다만 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 목적일 뿐, 본 발명의 권리범위는 하기 실시에에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the strain of the present invention, purification of chitinase enzymes having chitinase activity, and characteristics of the enzymes will be described in more detail with reference to Examples. However, the following examples are merely for the purpose of illustrating the present invention, the scope of the present invention is not limited to the following embodiments.

실시예 1 : 셀룰로모나스 속 GM13 균주의 분리 및 동정Example 1 Isolation and Identification of GM13 Strains of Cellulomonas Species

경남 남해안 일대의 토양에서 수집한 시료 1 g 정도를 30 ㎖ 멸균증류수에 현탁시킨 후 4℃에서 하룻밤 정치시키고 상등액을 적절히 희석하여 MCG 평판배지(1리터 당 콜로이달 키틴 5 g; 효모 추출물 6.7 g; Na2HPO412.8 g; KH2PO45 g; NaCl 0.5 g; (NH4)2SO41 g; 포도당 10 g)에 도말하였다. 30℃에서 정치배양하면서 MCG 평판배지위에서 분해환을 비교적 빨리 형성시키는 것과 분해환의 크기가 상대적으로 큰 균주를 1차적으로 선발하였다. 1차 분리균주를 MCG 액체배지에서 5일간 진탕배양한 후 원심분리하여 균체를 제거하고 배양상등액의 키티나아제 활성을 측정하여 활성이 제일 높게 나타나는 GM13 균주를 최종 선발하였다.About 1 g of the sample collected from the soil of the south coast of Gyeongnam was suspended in 30 ml sterile distilled water, and then allowed to stand overnight at 4 ° C., and the supernatant was diluted appropriately. 12.8 g Na 2 HPO 4 ; 5 g KH 2 PO 4 ; 0.5 g NaCl; (NH 4 ) 2 SO 4 1 g; glucose 10 g). During stationary culture at 30 ° C., strains were formed relatively rapidly on MCG plate media and strains with relatively large size of the degraded rings were selected first. The primary isolate was shaken and cultured in MCG liquid medium for 5 days, centrifuged to remove the cells, and the final selection of the GM13 strain with the highest activity was performed by measuring the chitinase activity of the culture supernatant.

이때, 키티나아제 활성은 1%(w/v) 콜로이달 키틴에 적당량의 효소를 첨가하여 50℃에서 30분간 반응시킨 후에 반응산물의 환원당을 디니트로 살리실릭산(dinitrosalicylic acid: DNS) 방법 (참조: G. L. Miller, Analytical Chemistry, 31: 426-428(1959))으로 측정하여 결정하였다. 본 방법에 의한 키티나아제 활성 단위(unit, U)는 시간당 1 μmole의 NAG를 생산하는 효소의 양으로 정의하였다. 그리고 엔도키티나아제 활성은 0.05%(w/v) 콜로이달 키틴에 적당량의 효소를 첨가하여 50℃에서 반응시킨 후에 510 nm에서 흡광도를 측정하여 반응액의 탁도가 감소되는 정도로 활성을 결정하였으며, 활성단위는 분당 반응액의 탁도를 0.1감소시키는 효소의 양으로 정의하였다.At this time, the chitinase activity is 1% (w / v) colloidal chitin by adding an appropriate amount of enzyme and reacted for 30 minutes at 50 ℃ and then the reducing sugar of the reaction product of dinitrosalilic acid (dinitrosalicylic acid: DNS) method ( See GL Miller, Analytical Chemistry, 31: 426-428 (1959). The chitinase active unit (unit, U) by this method was defined as the amount of enzyme that produced 1 μmole NAG per hour. And the endokinase activity was determined by adding an appropriate amount of enzyme to 0.05% (w / v) colloidal chitin at 50 ° C. and measuring the absorbance at 510 nm to reduce the turbidity of the reaction solution. The active unit was defined as the amount of enzyme that decreases the turbidity of the reaction solution per minute by 0.1.

토양으로부터 분리한 GM13 균주의 형태학적, 생화학적 특성을 조사해 본 결과는 하기 표 1 및 표 2에 나타난 바와 같았으며 버기의 방법(참조: Bergey's Manual of Determinative Bacteriology, 8th edition, Springer-Verlag Co. (1974))에 따라 셀룰로모나스 속(Cellulomonassp.) 세균으로 동정하였다. 또한 더욱 정확한 동정을 위하여 분리균주의 16S rDNA를 클로닝한 후에 염기서열을 분석하고 계통도를 작성하였다(도 1 및 도 2). 이들 결과를 토대로 본 발명의 키티나아제 생산 균주는 공지의 키티나아제 생산 균주들과는 다른 미생물학적 특성을 가진 신규한 균주이며, 셀룰로모나스 속에 속하는 것으로 밝혀졌다. 따라서 본 발명의 신규한 토양분리 균주를 셀룰로모나스 속 GM13(Cellulomonassp. GM13)으로 명명하고 생명공학연구원 내 유전자 은행에 2001년 2월 5일자로 기탁하였다(수탁번호 KCTC 18073P).The morphological and biochemical characteristics of GM13 strains isolated from soils were shown in Tables 1 and 2 below, and the method of buggy (see Bergey's Manual of Determinative Bacteriology, 8th edition, Springer-Verlag Co. 1974) was identified as Cellulomonas sp. In addition, for more accurate identification, 16S rDNA of the isolate was cloned, and then the nucleotide sequence was analyzed and a phylogenetic tree was prepared (FIGS. 1 and 2). Based on these results, the chitinase producing strain of the present invention was found to be a novel strain having different microbiological characteristics from known chitinase producing strains and belonging to the genus Cellulomonas. Therefore, the novel soil isolation strain of the present invention was named Cellulomonas sp. GM13, and was deposited on February 5, 2001 in the Gene Bank of the Institute of Biotechnology (Accession No. KCTC 18073P).

실시예 2 : 배지와 배양조건에 따른 셀룰로모나스 속 GM13 균주의 키티나아제 생산성 조사Example 2: Investigation of the productivity of chitinase of GM13 strain of Cellulomonas according to medium and culture conditions

실시예 2-1. 콜로이달 키틴 첨가에 의한 키티나아제 생산성 변화 조사Example 2-1. Investigation of Changes in Chitinase Productivity by Colloidal Chitin Addition

현재까지 보고된 모든 키티나아제들은 기질로서 사용되는 키틴이 배지 내에 존재해야 대량 생산되는 유도성 효소(inducible enzyme)로 알려져 있다. 따라서 본 발명의 GM13 균주에서도 키티나아제 생산이 키틴에 의해 유도되는지 여부를 알아보기 위해서 GM13 균주를 MCG배지, MC배지(MCG 배지에서 포도당이 1% 대신에 0.05% 첨가된 배지), MG배지(MCG배지에서 키틴이 제외된 배지)에 각각 접종하고 30℃에서 진탕배양하면서 12시간 간격으로 시료를 분취하였다. 그 후에 균체를 제거하고 배양 상등액의 키티나아제 활성과 엔도키티나아제 활성을 측정하였다.All the chitinases reported to date are known as inducible enzymes in which mass production of chitin used as a substrate is required in the medium. Therefore, GM13 strains in the GM13 strain of the present invention to determine whether chitinase production is induced by chitin, MCG medium, MC medium (0.05% medium instead of glucose in MCG medium), MG medium ( Samples were inoculated in each MCG medium) and inoculated in a chitin-excluded medium) and shaken at 30 ° C for 12 hours. After that, the cells were removed, and the chitinase activity and the endokinase activity of the culture supernatant were measured.

실험 결과 MC배지에서는 키티나아제 활성과 엔도키티나아제 활성이 배양시간이 지남에 따라 점차적으로 증가하여 36시간 배양시 각각 13 U/㎖과 2.2 U/㎖을 보였다.Experimental results showed that the chitinase activity and endokinase activity in MC medium gradually increased over the incubation time, and showed 13 U / mL and 2.2 U / mL, respectively.

반면에 MG배지의 경우 36시간 배양 후 4.4 U/㎖과 0.0 U/㎖로 나타났고, MCG배지의 경우에는 각각 12 U/㎖과 1.28 U/㎖으로 나타났다. 이 결과로부터 GM13 균주의 키티나아제 생산은 기질인 키틴에 의해서 유도되며, 포도당에 의해서 키티나아제 생산이 억제된다는 것을 알 수 있었다.On the other hand, MG medium showed 4.4 U / mL and 0.0 U / mL after 36 hours of incubation, and MC U medium showed 12 U / mL and 1.28 U / mL, respectively. These results indicate that chitinase production of the GM13 strain is induced by the substrate chitin, and inhibited the production of chitinase by glucose.

한편, GM13 균주를 MC배지에서 배양했을 때 도 3에 도시된 바와 같이 키티나아제 활성은 54시간째 최대를 보였으며 엔도키티나아제 활성은 48시간째에 최대를 보였다. 세포외 단백질의 경우에는 36시간부터 42시간 사이에 급격한 증가를 보였고 그 이후로는 큰 변화가 없었다. 키티나아제 활성에 대한 엔도키티나아제 활성의 비를 조사하면 42시간째에 최고가 됨을 알 수 있어 엔도키티나아제는 다른 엑소키티나아제에 비해서 키틴 분해초기에 다량 생산된다는 것을 알 수 있었다.On the other hand, when the GM13 strain was cultured in MC medium, as shown in FIG. 3, the chitinase activity showed a maximum at 54 hours and the endotokinase activity showed a maximum at 48 hours. In the case of extracellular protein, there was a sharp increase between 36 and 42 hours and there was no significant change since then. Examining the ratio of endokinase activity to chitinase activity showed the highest value at 42 hours, indicating that endokinase was produced in the early stages of chitin digestion compared to other exokinase.

실시예 2-2. 배양온도와 배양 pH에 따른 키티나아제 생산성 조사Example 2-2. Investigation of productivity of chitinase according to culture temperature and pH

GM13 균주를 MC배지에 접종하여 25℃, 30℃, 37℃, 40℃의 4가지 배양온도에서 5일간 진탕배양한 후에 키티나아제 생산성을 조사하였다. 그 결과, 30℃에서 배양한 경우가 가장 높은 키티나아제 생산성을 나타냈으며, 25℃, 37℃, 40℃에서 배양했을 때는 각각 30℃ 배양에서의 키티나아제 생산성과 비교하여 약 91%, 43%, 0% 생산성을 나타냈다.GM13 strains were inoculated in MC medium and shaken for 5 days at four culture temperatures of 25 ° C., 30 ° C., 37 ° C. and 40 ° C., followed by chitinase productivity. As a result, incubation at 30 ° C. showed the highest chitinase productivity, and when incubated at 25 ° C., 37 ° C. and 40 ° C., respectively, about 91%, 43 %, 0% productivity.

또한 MC배지의 초기 pH를 5.0, 6.0, 7.0, 8.0, 9.0의 5가지로 조정한 후에 GM13 균주를 접종하고 30℃에서 3일간 배양하여 키티나아제 생산성을 조사한 결과, 배지의 초기 pH가 7.0인 경우가 가장 높은 키티나아제 생산성을 나타냈으며, pH 5.0, 6.0, 8.0, 9.0에서 배양했을 때는 각각 pH 7.0 배양에서의 키티나아제 생산성과 비교하여 약 0%, 88%, 82%, 65% 생산성을 나타냈다.In addition, after adjusting the initial pH of the MC medium to five kinds of 5.0, 6.0, 7.0, 8.0, 9.0 and inoculated GM13 strain and incubated at 30 ℃ for 3 days to investigate the chitinase productivity, the initial pH of the medium was 7.0 Cases showed the highest productivity of chitinase, and when cultured at pH 5.0, 6.0, 8.0, and 9.0, they were approximately 0%, 88%, 82%, and 65% more productive than the chitinase productivity at pH 7.0 culture, respectively. Indicated.

실시예 2-3. 탄소원에 따른 키티나아제 생산성 조사Example 2-3. Investigation of productivity of chitinase according to carbon source

키티나아제 생산 유도물질(inducer)로써 MC배지 내에 첨가되는 0.5%(w/v) 콜로이달 키틴 대신에 게껍질에서 추출한 덩어리 형태의 게껍질 키틴(crab shell chitin)과 이것을 미세하게 분말화시킨 powder 키틴(powder chitin)을 각각 0.5%(w/v)되게 첨가한 후에 GM13 균주의 키티나아제 생산성을 조사하였다.Crab shell chitin extracted from crab shell and finely powdered powder instead of 0.5% (w / v) colloidal chitin added into MC medium as chitinase production inducer Chitinase productivity of GM13 strain was investigated after adding chitin (powder chitin) to 0.5% (w / v), respectively.

그 결과, 기존의 공지된 대부분의 키티나아제 생산균주들은 콜로이달 상태로 팽창화시키지 않은 결정성 키틴인 게껍질 키틴과 powder 키틴을 이용하지 못한다고 알려져 있으나 본 발명의 GM13 균주는 상기와 같은 결정성 키틴을 탄소원으로 이용할 수 있는 특성을 보였으며, powder 키틴을 탄소원으로 사용했을 때가 콜로이달 키틴을 탄소원으로 사용했을 때 보다 더 높은 키티나아제 생산성을 나타냈다. 특히, powder 키틴의 농도를 달리하여 키티나아제 생산성을 조사해 보았더니 하기 표3에 나타낸 바와 같이 powder 키틴의 농도가 1.5%(w/v)일 때가 최고의 키티나아제 생산성을 나타냈다.As a result, most known chitinase producing strains are known to not use the crystalline chitin, crab shell chitin and powder chitin, which have not been expanded into a colloidal state, but the GM13 strain of the present invention has the same crystalline chitin as described above. It showed the characteristics that can be used as a carbon source, the use of powder chitin as a carbon source showed higher chitinase productivity than when using the colloidal chitin as a carbon source. In particular, the chitinase productivity was examined by varying the concentration of powder chitin. As shown in Table 3, the highest chitinase productivity was obtained when the concentration of powder chitin was 1.5% (w / v).

실시예 2-4. 질소원에 따른 키티나아제 생산성 조사Example 2-4. Investigation of the productivity of chitinase by nitrogen source

0.5%(w/v) powder 키틴을 탄소원으로 하는 MC배지에 0.5%(w/v) 효모 추출물 대신에 여러 종류의 질소원을 0.5%(w/v)가 되게 첨가하여 각 질소원에 따른 키티나아제의 생산성을 조사하였다.0.5% (w / v) powder Chitinase was added to the MC medium using chitin as a carbon source by adding various nitrogen sources to 0.5% (w / v) instead of 0.5% (w / v) yeast extract. The productivity of the was investigated.

하기 표 4에 나타낸 바와 같이 pharmamedia를 질소원으로 첨가하였을 때가 가장 높은 키티나아제 생산성을 나타냈다.As shown in Table 4, the highest chitinase productivity was obtained when pharmamedia was added as a nitrogen source.

실시예 3 : 셀룰로모나스 속 GM13 균주 배양액으로부터 키티나아제의 분리 정제Example 3 Isolation and Purification of Chitinase from Cellulose

GM13 균주 배양액으로부터 하기 표 4에 나타낸 과정에 의하여 키티나아제를정제하였다. 특히, 1 M 황산암모늄이 첨가된 10 mM 인산나트륨 완충용액(sodium phosphate, pH 6.8)에 녹아 있는 키티나아제 시료를 동일한 완충용액으로 평형화된 페닐-토요펄 칼럼에 흡착시킨 후에 1 M에서 0 M까지의 황산암노늄 직선농도구배에 의해 흡착된 효소를 용출하였을 때, 0.2 M과 0 M 황산암모늄 농도범위에서 키티나아제 활성을 가지는 세 종류의 분획을 얻을 수 있었다(도 4).Chitinase was purified from the GM13 strain culture by the procedure shown in Table 4 below. In particular, a sample of chitinase dissolved in 10 mM sodium phosphate (pH 6.8) with 1 M ammonium sulfate was adsorbed onto a phenyl-Toyopearl column equilibrated with the same buffer, followed by 0 M at 1 M. When the enzyme adsorbed by the ammonium sulfate linear concentration tool was eluted, three kinds of fractions having chitinase activity in the concentration range of 0.2 M and 0 M ammonium sulfate were obtained (FIG. 4).

그런데 상기 표 5와 도 5에서 보는 바와 같이 첫 번째 분획(Set Ⅰ)의 경우에는 엔도키티나아제 활성(즉, 키틴의 탁도 감소능)은 전혀 없고 키티나아제 활성만을 나타내었으며, 두 번째 분획(Set Ⅱ)의 경우에는 낮은 엔도키티나아제 활성을 보였다. 그러나 세번째 분획(Set Ⅲ)의 경우는 키티나아제 활성뿐만 아니라 매우 높은 엔도키티나아제 활성을 보여 콜로이달 키틴의 탁도를 현저히 감소시켰다.However, as shown in Table 5 and FIG. 5, in the first fraction (Set I), there was no endokinase activity (ie, turbidity reducing ability of chitin), but only chitinase activity, and the second fraction ( Set II) showed low endokinase activity. However, in the third fraction (Set III), the turbidity of colloidal chitin was markedly decreased by showing not only chitinase activity but also very high endokinase activity.

GM13 균주의 배양 상등액을 전기영동한 후 코마시 블루 염색과 글리콜 키틴 활성염색을 하였을 때, 63 kDa, 50 kDa, 37 kDa, 33 kDa, 20 kDa 크기의 5 종류의 키티나아제 활성 밴드를 나타내기 때문에 GM13 균주는 적어도 5종의 키티나아제를 생산한다는 것을 알 수 있었다(도 6).When cultured supernatant of GM13 strain was electrophoresed and then Coomassie blue staining and glycol chitin activation staining, 5 kinds of chitinase activity bands of 63 kDa, 50 kDa, 37 kDa, 33 kDa, 20 kDa Therefore, it can be seen that the GM13 strain produces at least five chitinases (FIG. 6).

그런데, 엔도키티나아제 활성이 높았던 Set Ⅲ 키티나아제의 경우에 코마시 블루 염색과 활성염색을 수행하였을 때, 63 kDa 크기의 키티나아제 밴드만 나타나므로 키티나아제가 순수분리되었음을 알 수 있었다. 반면에 엔도키티나아제 활성이 전혀 없었던 Set Ⅰ 키티나아제의 경우 63 kDa 키티나아제를 제외한 50 kDa, 37 kDa, 33 kDa, 20 kDa 등 4종류의 키티나아제를 포함하고 있었다. 이들 결과로 미루어보아 Set Ⅲ 키티나아제는 엔도키티나아제라고 유추된다. 또한 Set Ⅲ 효소를 이용하여 4-methylumbelliferyl(MU)-(NAG)2와 4-MU-(NAG)3의 분해력을 비교해 보았을 때, Set Ⅲ 효소는 4-MU-(GlcNAc)3에 대한 반응성이 4-MU-(GlcNAc)2에 대한 반응성보다 약 3.5배 높은 것을 알 수 있었다. 이들 결과와 키틴 탁도 감소능 등을 고려하여 Set Ⅲ 키티나아제를 엔도키티나아제로 분류하였다.By the way, when Coomassie blue staining and active staining were performed for Set III chitinase, which had high endokinase activity, only a 63 kDa chitinase band appeared, indicating that the chitinase was purely separated. On the other hand, the Set I chitinase, which had no endokinase activity, contained four kinds of chitinases except 50 kDa, 37 kDa, 33 kDa, and 20 kDa, except for 63 kDa chitinase. These results suggest that Set III chitinase is an endokinase. Also, when comparing the degradability of 4-methylumbelliferyl (MU)-(NAG) 2 and 4-MU- (NAG) 3 using the Set III enzyme, the Set III enzyme was not reactive with 4-MU- (GlcNAc) 3 . It was found that about 3.5 times higher than the reactivity for 4-MU- (GlcNAc) 2 . Considering these results and the ability to reduce chitin turbidity, Set III chitinases were classified as endokinase.

실시예 4. GM13 균주 배양액으로부터 순수정제된 엔도키티나아제의 특성 분석Example 4 Characterization of Endotokinase Purified from GM13 Strain Cultures

실시예 4-1. 엔도키티나아제의 N-말단 아미노산 서열Example 4-1. N-terminal amino acid sequence of endokinase

63 kDa 분자량을 갖는 Set Ⅲ 키티나아제의 N-말단 아미노산을 조사한 결과, 알라닌-글리신-트레오닌-페닐알라닌-트레오닌-알라닌-트레오닌-페닐알라닌 순으로 나타났다.Examination of the N-terminal amino acid of Set III chitinase with 63 kDa molecular weight showed alanine-glycine-threonine-phenylalanine-threonine-alanine-threonine-phenylalanine in order.

실시예 4-2. 엔도키티나아제의 최적 온도와 최적 pH열 안정성Example 4-2. Optimum Temperature and Optimum pH Thermal Stability of Endokinase

순수정제된 엔도키티나아제의 최적 반응온도와 최적 pH를 알아보기 위해서 다양한 온도와 pH 조건에서 효소활성을 측정한 결과, 도 7의 (가)에 도시된 바와같이 정제된 효소의 최적 반응온도는 60℃였으며, 최적 pH는 7.0이었다(도 7(나)).In order to determine the optimum reaction temperature and the optimum pH of the purified purified endokinase, the enzyme activity was measured at various temperatures and pH conditions. As shown in (a) of FIG. 7, the optimum reaction temperature of the purified enzyme was It was 60 ℃, the optimum pH was 7.0 (Fig. 7 (b)).

실시예 4-3. 엔도키티나아제의 기질 특이성Example 4-3. Substrate Specificity of Endokinase

표 6에 나타낸 바와 같이 정제된 엔도키티나아제는 콜로이달 키틴과 3당 이상의N-아세틸-키토올리고당들에 대해서 높은 활성을 나타냈다. 그리고 글리콜 키틴에 대해서는 낮은 활성을 보였으나, 게껍질 키틴(crab shell chitin)이나 키토산,N-아세틸-키토바이오스에 대해서는 활성을 나타내지 않았다.As shown in Table 6, purified endokinase showed high activity against colloidal chitin and three or more N -acetyl-chitooligosaccharides. Although it showed low activity for glycol chitin, it did not show activity for crab shell chitin, chitosan, and N -acetyl-chitobiose.

실시예 4-4. 콜로이달 키틴의 분해산물 분석Example 4-4. Degradation Product Analysis of Colloidal Chitin

박층 크로마토그래피(TLC) 방법에 의해 실시예 3의 키티나아제들에 의한 콜로이달 키틴의 반응산물을 분석해 보았을 때(도 8), 엔도키티나아제(Set Ⅲ 키티나아제)와 Set Ⅱ 키티나아제는 콜로이달 키틴을 분해하여 NAG 2당체를 가장 많이 생성하였다. 또한 반응산물로써 NAG도 많이 생성되었을 뿐만 아니라 소량의 NAG 3당체, 4당체, 5당체, 6당체도 관찰되었다. 그런데 공지의 키티나아제들은 키틴을 분해하여 NAG 3당체 이상의 고중합도 올리고당을 생성하는 예가 극히 드물기 때문에본 발명의 키티나아제는 생리활성이 높은 고중합도의 키틴 올리고당 생산에 유용할 것으로 판단되었다.When the reaction product of the colloidal chitin by the chitinases of Example 3 was analyzed by thin layer chromatography (TLC) method (FIG. 8), the endocytase (Set III chitinase) and the Set II chitinaa were analyzed. Zease decomposed the colloidal chitin to produce the most NAG disaccharide. In addition, a large amount of NAG was produced as a reaction product, and a small amount of NAG trisaccharide, tetrasaccharide, pentasaccharide, and hexasaccharide were also observed. However, since the known chitinases rarely produce high-polymerization oligosaccharides of NAG trisaccharide or higher by decomposing chitin, it was determined that the chitinase of the present invention would be useful for producing high-polymerization chitin oligosaccharides having high bioactivity.

한편, 엔도키티나아제 활성을 전혀 나타내지 않았던 Set Ⅰ키티나아제는 콜로이달 키틴을 분해하여 반응산물로써 NAG와 NAG 2당체만을 생성하고 3당 이상의 올리고당은 생성하지 못하였다.On the other hand, Set I chitinase, which did not show any endocytase activity, produced only NAG and NAG disaccharides as a reaction product by degrading colloidal chitin, and did not produce oligosaccharides of three or more sugars.

실시예 5. GM13 균주가 생산하는 엑소키티나아제의 생산성 조사Example 5. Investigation of productivity of exokinase produced by GM13 strain

GM13 균주를 0.5%(w/v) 콜로이달 키틴이 첨가된 MC배지에서 배양을 한 후에 배양 상등액과 세포 추출물의 엑소키티나아제 활성을 측정해보았다. 이때 엑소키티나아제 활성은 50 mM 인산나트륨 완충용액(pH 6.8)에 엑소키티나아제 활성 측정을 위한 인공기질인p-nitrophenyl-β-D-N-acetylglucosamine을 2 mM되게 첨가한 것을 기질로 사용하였다. 이 기질용액 0.2 ㎖에 효소용액 0.2 ㎖을 첨가한 후에 50℃에서 15분간 반응시켰다. 그 후에 0.1 M glycine-NaOH 완충용액(pH 10.5) 1 ㎖을 첨가하여 효소반응을 중지시키고 흡광도 420 nm에서 가수분해시 방출되는p-nitrophenol 양을 측정하였다. 효소단위(unit)는 분당 1 μ mole의p-nitrophenol을 생성하는 효소의 양으로 정의하였다.After culturing the GM13 strain in MC medium to which 0.5% (w / v) colloidal chitin was added, the exokinase activity of the culture supernatant and the cell extract was measured. At this time, the exokininase activity was added to 50 mM sodium phosphate buffer (pH 6.8) to add 2 mM of p -nitrophenyl-β-DN-acetylglucosamine, an artificial substrate for measuring exokinase activity. After 0.2 ml of enzyme solution was added to 0.2 ml of this substrate solution, the mixture was reacted at 50 ° C for 15 minutes. Thereafter, 1 ml of 0.1 M glycine-NaOH buffer (pH 10.5) was added to stop the enzymatic reaction, and the amount of p- nitrophenol released upon hydrolysis at 420 nm was measured. Enzyme units were defined as the amount of enzyme that produced 1 μ mole of p- nitrophenol per minute.

상기의 방법으로 엑소키티나아제 활성을 측정한 결과, 배양 상등액에서는 엑소키티나아제 활성이 검출되지 않은 반면에 세포 추출물에서 엑소키티나아제 활성이 검출되었다. 특히, 키틴이 첨가되지 않은 LB배지(1 리터 당; 박토 트립톤, 10 g; 효모 추출물, 5 g; NaCl, 5 g)에서 배양을 하여 얻은 GM13 균주의 세포 추출액의 경우에 1.37 unit/㎖의 높은 엑소키티나아제 생산성을 나타냈다. 그런데 지금까지 보고된 엑소키티나아제들은 대부분 배지 내에 첨가된 키틴에 의해 생산성이 증가되는 유도성 효소이었며, 그람양성세균에서 세포 내에 존재하는 엑소키티나아제가 아직까지 보고된 적이 없었다. 따라서 본 발명의 세포 내 엑소키티나아제는 지금까지 보고된 적이 없는 신규한 키티나아제로 판단되었다. 세포추출물을 Superose 12HR 칼럼을 통과시키고 활성분획을 전기영동하여 순수 분리 정제된 엑소키티나아제를 코마시 염색과 4-MU-GlcNAc(4-methylumbelliferyl-N-acetyl-β-D-glucosamine) 활성 염색을 한 결과 그 분자량이 약 54,000 달톤임을 알 수 있었다.As a result of measuring the exokinase activity by the above method, the exokinase activity was not detected in the culture supernatant, while the exokinase activity was detected in the cell extract. In particular, 1.37 unit / ml for the cell extract of GM13 strain obtained by culturing in LB medium (per liter; Bakto tryptone, 10 g; yeast extract, 5 g; NaCl, 5 g) without chitin added High exochitinase productivity was shown. By the way, most of the reported exokinases were inducible enzymes whose productivity was increased by the addition of chitin added in the medium, and no exokinase present in cells in Gram-positive bacteria has been reported. Therefore, the intracellular exokinase of the present invention was determined to be a novel chitinase that has not been reported so far. Passing the cell extract was Superose 12HR column when the active fraction purified by electrophoretic separation of pure exo kitty the coma better stain and 4-MU-GlcNAc (4- methylumbelliferyl- N -acetyl-β-D-glucosamine) activity staining The molecular weight was found to be about 54,000 Daltons.

이상 상세히 설명한 바와 같이, 토양으로부터 분리한 본 발명 신규한 셀룰로모나스 속 GM13 균주가 생산하는 키티나아제는 키틴 분해능이 뛰어나며 NAG 2당체뿐만 아니라 고중합도의 올리고당도 생성하는 것이 확인되었는 바, GM13 균주가 생산하는 키티나아제는 키틴 올리고당과 NAG 생산에 유용하게 사용할 수 있을 것이다.As described in detail above, the chitinase produced by the novel cellulomonas genus GM13 strain isolated from the soil has been shown to be excellent in chitin resolution and to produce oligosaccharides of high polymerization as well as NAG disaccharides. The chitinase produced will be useful for the production of chitin oligosaccharides and NAG.

Claims (7)

키틴 분해 활성을 갖는 키티나아제 생성능을 갖는 셀룰로모나스 속 G13 균주(KCTC18073P).Cellulose genus G13 strain (KCTC18073P) having chitinase producing ability with chitin degrading activity. 상기 제 1항 균주를 키틴이 함유된 배지에서 배양하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 키티나아제 제조방법.The method according to claim 1, wherein the strain comprises the step of culturing in a medium containing chitin. 상기 1항 방법에 의해 제조된 전기영동 측정결과 분자량이 63 kDa, 50 kDa, 37 kDa, 33 kDa 및 20 kDa인 키티나아제 또는 이들 혼합물로부터 구성된 군으로부터 선택된 키티나아제.A chitinase selected from the group consisting of chitinases or mixtures thereof having molecular weights of 63 kDa, 50 kDa, 37 kDa, 33 kDa and 20 kDa as a result of the electrophoresis measurement prepared by the method of claim 1. 제3항에 있어서, 전기영동 측정결과 분자량이 대략 63kDa, 최적 pH 7.0, 최적 온도 60℃, N-말단 아미노산 서열이 알라닌-글리신-트레오닌-페닐알라닌-트레오닌-알라닌-트레오닌-페닐알라닌인 것을 특징으로 하는 엔도키티나아제.According to the electrophoresis measurement, the molecular weight is approximately 63kDa, optimum pH 7.0, optimum temperature 60 ℃, N-terminal amino acid sequence is characterized in that the alanine-glycine-threonine-phenylalanine-threonine-alanine-threonine-phenylalanine Endokinase. 제3항에 있어서, GM13 균주의 세포 내에 생산되는 분자량(전기영동) 약 54kDa의 엑소키티나아제.4. The exokinase of claim 3, wherein the molecular weight (electrophoresis) produced in the cells of the GM13 strain is about 54 kDa. 상기 제3항의 키티나아제를 이용하여 키틴으로부터 키틴올리고당 또는 NAG를제조하는 방법.A method of producing chitin oligosaccharides or NAG from chitin using the chitinase of claim 3. 상기 제2항 방법에 의해 제조된 키티나아제를 포함한 것을 특징으로 하는 균주 배양물 또는 조성물.A strain culture or composition comprising a chitinase prepared by the method of claim 2.
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