KR20030068803A - Rhodococcus sp. strain DK17 with metabolic versatility to degrade a wide variety of substituted benzenes and terpenes - Google Patents

Rhodococcus sp. strain DK17 with metabolic versatility to degrade a wide variety of substituted benzenes and terpenes Download PDF

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Abstract

PURPOSE: A microorganism Rhodococcus sp. strain DK17 with metabolic versatility to degrade a wide variety of substituted benzenes and terpenes is provided, thereby effectively purifying the polluted environment without causing the second environmental pollution. CONSTITUTION: A microorganism Rhodococcus sp. strain DK17(KCCM 10332) has the activity to degrade alkyl benzenes, phenols, phthalates or terpenes, wherein the alkyl benzene compound is selected from the group consisting of o-xylene, ethylbenzene, isopropylbenzene, propylbenzene, butylbenzene, pentylbenzene, hexylbenzene, toluene and benzene; the phenol compound is selected from the group consisting of phenol, o-cresol, m-cresol and p-cresol; and the phthalate compound is selected from the group consisting of phthalate or terephthalate; the terpene compound is limonene. 2,4-dimethylresorcinol, 2,5-dimethylhydroquinone or 3,4-dichlorocatechol is prepared by culturing Rhodococcus sp. DK17(KCCM 10332) together with m-xylene, p-xylene or 1,2-dichlorobenzene.

Description

다양한 구조의 치환 벤젠화합물 및 테르펜 생분해능이 우수한 다기능 세균인 로도코커스 속 균주 DK17{Rhodococcus sp. strain DK17 with metabolic versatility to degrade a wide variety of substituted benzenes and terpenes}Substituted benzene compounds of various structures and terpene strains D.17 {Rhodococcus sp. strain DK17 with metabolic versatility to degrade a wide variety of substituted benzenes and terpenes}

본 발명은 독성 유기화합물을 분해할 수 있는 신규한 로도코커스 속 균주 DK17(Rhodococcussp. strain DK17)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는o-자일렌, 에틸벤젠, 이소프로필벤젠, 프로필벤젠, 부틸벤젠, 펜틸벤젠, 헥실벤젠, 톨루엔 및 벤젠을 포함하는 알킬벤젠류 화합물, 페놀,o-크레솔,m-크레솔 및p-크레솔을 포함하는 페놀 화합물, 프탈레이트 및 테레프탈레이트를 포함하는 프탈레이트 화합물 또는 리모넨을 포함하는 테르펜 화합물을 분해할 수 있는 신규한 로도코커스 속 균주 DK17, 상기 미생물을 이용하여 독성 유기화합물을 분해하는 방법 및 상기 미생물을 함유하는 폐수, 하수 또는 토양 처리제에 관한 것이다.The present invention relates to a novel Rhodococcus sp. Strain DK17 which can decompose toxic organic compounds, and more particularly, o -xylene, ethylbenzene, isopropylbenzene, propylbenzene, butylbenzene. , Alkylbenzene compounds including pentylbenzene, hexylbenzene, toluene and benzene, phenol compounds including phenol, o -cresol, m -cresol and p- cresol, phthalate compounds including phthalate and terephthalate or A novel Rhodococcus strain DK17 capable of decomposing terpene compounds including limonene, a method for decomposing toxic organic compounds using the microorganisms, and a wastewater, sewage or soil treatment agent containing the microorganisms.

방향족 화합물(aromatic compound)은 산업 활동 과정에서 사용된 후 방출되거나 산업 활동 과정에서 부산물로 발생되는 유해한 물질로서, 이들은 안정된 자연 환경에 유해한 영향을 미쳐서 생태계를 파괴하며 인체에도 치명적인 영향을 미칠 수 있다. 이러한 방향족 화합물 중에서 메틸벤젠(methylbenzene)은 화학물, 약제, 페인트 및 에나멜의 생산을 포함하여 산업적으로 널리 사용되고 있으며(Fishbein,Sci. Total Environ. 1985, 43:165-183; Patty,Toxicology,1963) 환경 오염의 주된 물질로 알려져 있다(Barbieri et al.,Biodegradation, 1993, 4:71-80). 또한, 상기의 독성 유기화합물은 폐수 및 하수의 정화 과정에 사용되는 미생물에도 유해한 영향을 미쳐서 정수 과정이 효율적으로 일어나지 못하게 할 수도 있다. 따라서, 물리적 방법 및 화학적 방법 등을 이용해서 이러한 물질들을 분해 또는 제거하기 위한 기술들이 연구되어 왔으며, 그 중 미생물을 이용하는 생분해 방법은 부수적인 오염 물질이 발생되지 않으므로 이에 대한 연구가 많이 진행되고 있는 실정이다.Aromatic compounds are harmful substances that are released after use in industrial activities or are generated as by-products during industrial activities. They can have a detrimental effect on the stable natural environment, destroying ecosystems and have a devastating effect on the human body. Among these aromatic compounds, methylbenzene is widely used industrially, including the production of chemicals, drugs, paints and enamels (Fishbein, Sci. Total Environ . 1985, 43: 165-183; Patty, Toxicology, 1963). It is known as the main substance of environmental pollution (Barbieri et al., Biodegradation , 1993, 4: 71-80). In addition, the toxic organic compounds may also have a harmful effect on the microorganisms used for the purification of wastewater and sewage, which may prevent the water purification process from occurring efficiently. Therefore, techniques for decomposing or removing these substances by using physical and chemical methods have been studied, and biodegradation methods using microorganisms among them have not been concomitant to generate contaminants. to be.

한편, 3가지 자일렌 이성질체를 포함한 서로 다른 메틸 벤젠을 탄소원 및 에너지원으로 사용하여 성장할 수 있는 몇몇 박테리아 균주가 알려져 있는데, 자일렌을 분해하는 박테리아는 보통m-자일렌 및p-자일렌을 둘 다 분해할 수 있는 박테리아와o-자일렌만을 분해할 수 있는 박테리아로 나뉘게 된다. 하지만 상기 박테리아 가운데서 2가지 기능을 모두 수행할 수 있는 박테리아도 드물게 존재한다. 자일렌 이성질체에서 성장할 수 있는 박테리아를 선별하는데 있어서는방향족환(aromatic ring)에서 메틸 그룹의 위치가 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다(Barbieri et al.,Biodegradation, 1993, 4:71-80; Davis et al.,Can. J. Microbiol., 1968, 14:1005-1009).On the other hand, several bacterial strains are known that can be grown using different methyl benzenes, including three xylene isomers, as carbon and energy sources, and bacteria that break down xylene usually have m -xylene and p -xylene. They are divided into bacteria that can break down and bacteria that can only break down o -xylene. However, among the bacteria, there are rare bacteria that can perform both functions. The location of methyl groups in aromatic rings is known to play an important role in screening bacteria that can grow in xylene isomers (Barbieri et al., Biodegradation , 1993, 4: 71-80; Davis et al. , Can.J. Microbiol ., 1968, 14: 1005-1009).

지난 몇 십년 동안 많은 연구자들이 생화학 및 분자 수준에서m-자일렌 및p-자일렌의 물질대사를 밝히려 노력해 왔고, 상기 물질대사 경로의 자세한 부분이 밝혀지고 있다(Assinder and Willams,Adv. Microbiol. Physiol., 1990, 31:1-69; Burlage et al.,Appl. Environ. Microbiol., 1989, 55:1323-28; Davey and Gibson.,J. Bacteriol., 1974, 119:923-929; Gibson et al.,J. Bacteriol., 1974, 119:930-936; Kunz and Chapman,J. Bacteriol.,1981, 146:179-191; Worsey and Williams,J. Bacteriol., 1975, 124:7-13; Zylstra,Molecular environmental biology, 1994). 그러나o-자일렌의 분해 기작에 대해서는 아직까지 명확히 밝혀지지 않고 있다. 여러 종류의 미생물은 서로 다른 물질대사 경로를 갖고 있을 것으로 추정되고 있는데, 노카디아 속(Nocardiasp.) 균주(Gibson and Subramanian,Microbial degradation of aromatic hydrocarbons, 1984) 및 로도코커스 속(Rhodococcussp.) 균주 C125(원래는 코리네박테리움(Corynebacterium) 균주 C125, van der Meer et al., 1992에서 개명되었음)는 초기 방향족 디옥시제나제(dioxygenase)를 통해o-자일렌을 시스-디하이드로디올(cis-dihydrodiol)로 변형시키는 것으로 알려져 있으나 이에 대한 직접적인 증거는 없는 실정이다.Over the last few decades, many researchers have tried to elucidate the metabolism of m -xylene and p -xylene at the biochemical and molecular levels, and details of the metabolic pathways are being identified (Assinder and Willams, Adv. Microbiol. Physiol , 1990, 31: 1-69; Burlage et al., Appl. Environ.Microbiol., 1989, 55: 1323-28; Davey and Gibson., J. Bacteriol ., 1974, 119: 923-929; Gibson et. al., J. Bacteriol. , 1974, 119: 930-936; Kunz and Chapman, J. Bacteriol., 1981, 146: 179-191; Worsey and Williams, J. Bacteriol ., 1975, 124: 7-13; Zylstra, Molecular environmental biology , 1994). However, the mechanism of degradation of o -xylene is not yet clear. Several microorganisms are thought to have different metabolic pathways, including Nocardia sp. Strains (Gibson and Subramanian, Microbial degradation of aromatic hydrocarbons , 1984) and Rhodococcus sp. C125 (originally Corynebacterium strain C125, renamed in van der Meer et al., 1992) is the initial aromatic dioxygenase that converts o -xylene to cis-dihydrodiol ( cis). -dihydrodiol), but there is no direct evidence of this.

로도코커스 속 균주 B3에서는 모노옥시제나제에 의해 시작되는 두가지 경로가 동시에 일어나는 것으로 밝혀졌는데, 하나의 경로는 2-메틸벤조산(2-methylbenzoic acid)을 거쳐서 3-메틸카테콜(3-methylcatechol)로 산화되는 2-메틸벤질알콜(2-methylbenzylalcohol)을 형성하는 메틸 그룹의 산화에 관련되어 있다. 다른 하나의 경로는 방향족환의 직접적인 산화에 의해 시작되어 2,3-디메틸페놀을 형성하는 것으로 생각되고 있으나, 산화 산물인 디메틸카테콜은 아직 밝혀지지 않았다(Bickerdike et al.,Microbiology, 1997, 143:2321-29). 슈도모나스 스투트제리(Pseudomonas stutzeri) 균주 OX1에서는o-자일렌은 방향족환의 2번 연속적인 일산화(monooxidation) 과정을 통해 분해되어 2,3-디메틸페놀 및 3,4-디메틸페놀을 동시에 형성하고, 이들은 각각 3,4-디메틸카테콜 및 4,5-디메틸카테콜로 변환된다(Baggi et al.,Appl. Environ. Microbiol., 1987, 64:2473-78; Bertoni et al.,Appl. Environ. Microbiol., 1996, 62:3704-3711).In Rhodococcus strain B3, two pathways, initiated by monooxygenase, have been found to occur simultaneously. One route passes through 2-methylbenzoic acid to 3-methylcatechol. It is involved in the oxidation of methyl groups to form 2-methylbenzylalcohol which is oxidized. The other pathway is thought to be initiated by the direct oxidation of the aromatic ring to form 2,3-dimethylphenol, but the oxidation product dimethylcatechol has not yet been identified (Bickerdike et al., Microbiology , 1997, 143: 2321-29). In Pseudomonas stutzeri strain OX1, o -xylene is decomposed through two consecutive monooxidation processes of aromatic rings to form 2,3-dimethylphenol and 3,4-dimethylphenol simultaneously. Converted to 3,4-dimethylcatechol and 4,5-dimethylcatechol, respectively (Baggi et al., Appl. Environ. Microbiol ., 1987, 64: 2473-78; Bertoni et al., Appl. Environ.Microbiol . , 1996, 62: 3704-3711).

로도코커스 속은 여러 가지 방향족 하이드로카본의 분해를 포함한 다양한 범위의 대사 활성을 나타내는 박테리아 그룹인데(Warhurst and Fewson,Crit. Rev. Biotechnol., 1994, 14:29-73), 로도코커스 균주들이 톨루엔 및 바이페닐에서 성장할 수 있다는 능력이 있는 것으로 알려져 있지만, 상기 로도코커스 속에 의한o-자일렌의 물질대사에 대해서는 거의 알려져 있지 않다(Vanderberg et al.,Appl. Microbiol. Biotechnol., 2000, 53:447-452; Warhurst and Fewson,Crit. Rev.Biotechnol., 1994, 14:29-73; Masai et al.,Appl. Environ. Microbiol.,1995, 61:2079-2085; Wang et al.,Gene,1995, 164:117-122; Asturias and Timmis,J. Bacteriol., 1993, 175:4631-4640).The genus Rhodococcus is a group of bacteria that exhibits a wide range of metabolic activity, including degradation of various aromatic hydrocarbons (Warhurst and Fewson, Crit. Rev. Biotechnol ., 1994, 14: 29-73). It is known to have the ability to grow in phenyl, but little is known about the metabolism of o -xylene by the genus Rhodococcus (Vanderberg et al., Appl. Microbiol. Biotechnol ., 2000, 53: 447-452 Warhurst and Fewson, Crit. Rev. Biotechnol ., 1994, 14: 29-73; Masai et al., Appl.Environ.Microbiol ., 1995, 61: 2079-2085; Wang et al., Gene, 1995, 164 : 117-122; Asturias and Timmis, J. Bacteriol ., 1993, 175: 4631-4640).

이에, 본 발명자들은 알킬벤젠류 화합물, 페놀 화합물, 프탈레이트 화합물 또는 테르펜 화합물과 같은 독성 유기화합물을 탄소원 및 에너지원으로 하여 성장할 수 있는 신규한 로도코커스 균주를 분리하고, 상기 균주를 이용하여 독성 유기화합물을 분해하는 방법을 발명함으로써 본 발명을 완성하였다.Accordingly, the present inventors isolate a novel Rhodococcus strain capable of growing using a toxic organic compound such as an alkylbenzene compound, a phenol compound, a phthalate compound or a terpene compound as a carbon source and an energy source, and using the strain, the toxic organic compound The present invention has been completed by inventing a method of decomposing

본 발명의 목적은 알킬벤젠류 화합물, 페놀 화합물, 프탈레이트 화합물 또는 테르펜 화합물의 분해활성을 갖는 신규한 로도코커스 속 균주 DK17, 상기 미생물을 이용하여 독성 유기화합물을 분해하는 방법 및 상기 미생물을 함유하는 폐수, 하수 또는 토양 처리제를 제공하는 것이다.An object of the present invention is a novel Rhodococcus strain DK17 having a decomposing activity of an alkylbenzene compound, a phenol compound, a phthalate compound or a terpene compound, a method for decomposing toxic organic compounds using the microorganism, and a wastewater containing the microorganism. To provide sewage or soil treatment.

도 1a는 돌연변이 균주 DK180을o-자일렌과 함께 24시간 배양하는 동안 생성된 대사물의 전체 이온 크로마토그램을 나타낸 것이고, 1A shows the total ion chromatogram of metabolites generated during 24 hours incubation of mutant strain DK180 with o -xylene,

도 1b는 도 1a의 크로마토그램에서 19분에 나타나는 대사산물의 질량 스펙트럼과 절단 패턴을 나타낸 것이고, Figure 1b shows the mass spectrum and cleavage pattern of the metabolite at 19 minutes in the chromatogram of Figure 1a,

도 2a는 돌연변이 균주 DK180을 톨루엔과 함께 24시간 배양했을 때 생성되는 대사물의 HPLC 용출 프로파일을 나타낸 것이고, Figure 2a shows the HPLC elution profile of the metabolite produced when mutant strain DK180 is incubated with toluene for 24 hours,

도 2b는 도 2a에서 18.7분에 나타나는 대사산물의 질량 스펙트럼을 나타낸 것이고, Figure 2b shows the mass spectrum of the metabolite appearing at 18.7 minutes in Figure 2a,

도 2c는 도 2a에서 19.9분에 나타나는 대사산물의 질량 스펙트럼을 나타낸 것이고, Figure 2c shows the mass spectrum of the metabolite appearing at 19.9 minutes in Figure 2a,

도 3은 로도코커스 속 균주 DK17을m-자일렌과 함께 배양하였을 때 2,4-디메틸리소시놀이 생성된 것을 NMR로 확인한 것이고, FIG. 3 shows NMR that 2,4-dimethyllysono was produced when Rhodococcus strain DK17 was incubated with m -xylene.

도 4는 로도코커스 속 균주 DK17을p-자일렌과 함께 배양하였을 때 2,5-디메틸하이드로퀴논이 생성된 것을 NMR로 확인한 것이고, FIG. 4 shows NMR that 2,5-dimethylhydroquinone was produced when Rhodococcus strain DK17 was incubated with p -xylene.

도 5는 로도코커스 속 균주 DK17을 1,2-디클로로벤젠과 함께 배양하였을 때 3,4-디클로로카테콜이 생성된 것을 NMR로 확인한 것이고, FIG. 5 shows NMR that 3,4-dichlorocatechol was produced when Rhodococcus strain DK17 was incubated with 1,2-dichlorobenzene.

도 6은 로도코커스 속 균주 DK17, DK176 및 DK180으로부터 준비된 지놈 DNA의 PFGE(pulsed field gel electrophoresis) 프로파일을 나타낸 사진이다. Figure 6 is a photograph showing the pulsed field gel electrophoresis (PFGE) profile of the genome DNA prepared from Rhodococcus strains DK17, DK176 and DK180.

레인 1: λ 래더, 레인 2: 로도코커스 속 균주 DK17,Lane 1: λ ladder, lane 2: Rhodococcus strain DK17,

레인 3: 로도코커스 속 균주 DK176, 레인 3: 로도코커스 속 균주 DK180Lane 3: Rhodococcus strain DK176, Lane 3: Rhodococcus strain DK180

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 알킬벤젠류 화합물, 페놀 화합물, 프탈레이트 화합물 또는 테르펜 화합물의 분해활성을 갖는 신규한 로도코커스 속(Rhodococcussp.) 균주 DK17을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a novel Rhodococcus sp. Strain DK17 having a decomposing activity of an alkylbenzene compound, a phenol compound, a phthalate compound or a terpene compound.

또한, 본 발명은 상기 로도코커스 속 균주 DK17을 이용하여 알킬벤젠류 화합물, 페놀 화합물, 프탈레이트 화합물 또는 테르펜 화합물을 분해하는 방법을 제공한다.The present invention also provides a method for decomposing an alkylbenzene compound, a phenol compound, a phthalate compound or a terpene compound using the Rhodococcus strain DK17.

또한, 본 발명은 상기 로도코커스 속 균주 DK17을 함유하는 폐수, 하수 또는 토양 처리제를 제공한다.In addition, the present invention provides a wastewater, sewage or soil treatment containing the Rhodococcus strain DK17.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 알킬벤젠류 화합물, 페놀 화합물, 프탈레이트 화합물 또는 테르펜 화합물의 분해활성을 갖는 신규한 로도코커스 속 균주 DK17을 제공한다.The present invention provides a novel Rhodococcus strain DK17 having a decomposing activity of an alkylbenzene compound, a phenol compound, a phthalate compound or a terpene compound.

본 발명에서 제공하는 신규 미생물인 로도코커스 속 균주 DK17의 형태, 생리학적 특성 및 분자 생물학적 특성을 중심으로 한 균학적 성질은 하기와 같다.The microbial properties of the Rhodococcus strain DK17, a novel microorganism provided by the present invention, based on the morphological, physiological and molecular biological characteristics are as follows.

본 발명의 로도코커스 속 균주 DK17은 그램-양성의 호기성 세균으로, 성장 기질에 의존하여 다양한 세포형태를 보인다. 예를 들어, 로도코커스 속 균주 DK17을 글루코스에서 성장하는 동안에는 짧은 막대 모양이고,o-자일렌에서 성장하는 동안에는 균사(mycelium)가 아닌 가지 형태(branching)를 보인다. 상기 균주의 성장 적정 온도로는 20 내지 37℃인 것이 바람직하고, 30℃인 것이 더욱 바람직하고, pH는 6.0 내지 8.0인 것이 바람직하다. 효소활성에 있어서는 옥시다제(oxidase)-음성, 카탈라제(catalase)-양성 박테리아로 나타난다. 또한, 상기 균주는 인돌(indole)을 인디고(indigo)로 산화시키는 옥시제나제(oxygenase)가 존재한다.Rhodococcus strain DK17 of the present invention is a Gram-positive aerobic bacterium and shows various cell types depending on growth substrate. For example, Rhodococcus strain DK17 has a short rod shape during growth in glucose and branching rather than mycelium during growth in o -xylene. As a growth titration temperature of the said strain, it is preferable that it is 20-37 degreeC, It is more preferable that it is 30 degreeC, It is preferable that pH is 6.0-8.0. In enzyme activity, it appears as oxidase-negative and catalase-positive bacteria. In addition, the strain contains an oxygenase that oxidizes indole to indigo.

본 발명의 로도코커스 속 균주 DK17의 16S rRNA 유전자는서열번호 1로 기재되는 염기서열(GenBank accession number : AF468521)을 갖는다. 상기 염기서열을진뱅크(GenBank) 또는 리보좀 데이터베이스 프로젝트 데이터베이스를 사용하여 염기서열을 비교 분석하여 보면, DK17 16S rRNA 유전자 염기서열은 여러 다른 로도코커스 종들과 매우 높은 상동성을 보이고, 로도코커스 오파쿠스(R. opacus)와 96%의 높은 상동성을 보인다.16S rRNA gene of Rhodococcus sp DK17 of the present invention is a nucleotide sequence described in SEQ ID NO: 1 has a (GenBank accession number AF468521). Comparing the sequences using GenBank or Ribosome Database Project Database, the DK17 16S rRNA gene sequence shows very high homology with several other Rhodococcus species, and Rhodococcus opacus ( R. opacus ) and 96% homology.

본 발명의 로도코커스 속 균주 DK17은 로도코커스 속 표준 균주들과 생리학적 특징이 다를 뿐만 아니라 방향족 화합물을 분해하는 능력이 뛰어나며, 특히o-자일렌을 포함하여 에틸벤젠, 이소프로필벤젠, 프로필벤젠, 부틸벤젠, 펜틸벤젠, 헥실벤젠, 톨루엔 및 벤젠을 포함하는 알킬벤젠류 화합물, 페놀,o-크레솔,m-크레솔 및p-크레솔을 포함하는 페놀 화합물, 프탈레이트 및 테레프탈레이트를 포함하는 프탈레이트 화합물 또는 리모넨을 포함하는 테르펜 화합물 등을 분해한다. 본 발명에서 로도코커스 속 균주 DK17이 분해하는 유기화합물은 반드시 상기에만 한정되는 것은 아니다.Rhodococcus strain DK17 of the present invention is not only different in physiological characteristics from standard strains of Rhodococcus, but also has an excellent ability to decompose aromatic compounds, especially o -xylene, including ethylbenzene, isopropylbenzene, propylbenzene, Alkylbenzene compounds including butylbenzene, pentylbenzene, hexylbenzene, toluene and benzene, phenols including phenol, o -cresol, m -cresol and p -cresol, phthalates including phthalate and terephthalate The compound or terpene compound containing limonene is decomposed. In the present invention, the organic compound decomposed by Rhodococcus strain DK17 is not necessarily limited to the above.

본 발명자들은 상기 알킬벤젠류 화합물, 페놀 화합물, 프탈레이트 화합물 또는 테르펜 화합물의 분해활성을 갖는 신규한 균주, 로도코커스 속 균주 DK17(Rhodococcussp. strain DK17)을 한국미생물보존센터에 2001년 11월 20일자로 기탁하였다(수탁번호 : KCCM 10332).The inventors of the novel strain, Rhodococcus sp. Strain DK17, Rhodococcus sp. Strain DK17 having a degrading activity of the above alkylbenzene compounds, phenol compounds, phthalate compounds or terpene compounds, dated November 20, 2001 It was deposited (accession number: KCCM 10332).

또한, 본 발명은 로도코커스 속 균주 DK17의 돌연변이 균주인 로도코커스 속 균주 DK176 및 로도코커스 속 균주 DK180을 제공한다.The present invention also provides a mutant strain of Rhodococcus strain DK17, Rhodococcus strain DK176 and Rhodococcus strain DK180.

상기 로도코커스 속 균주 DK176 및 로도코커스 속 균주 DK180은 변형된 칼톤의 방법(UV light 조사)에 의해 제조되었다(Carlton and Brown,Gene mutation, 1981). 로도코커스 속 균주 DK17을 이용하여 UV 돌연변이를 유도한 결과,o-자일렌에서 성장능력이 없는 선별된 돌연변이 균주들 중o-자일렌 존재 하에서 글루코스에서 성장할 때 인돌(indole)을 인디고(indigo)로 변환시키는 능력을 상실하고, 페놀에서는 성장할 수 있으나 에틸벤젠, 이소프로필벤젠, 톨루엔 또는 벤젠에서 성장할 수 없는 균주를 "로도코커스 속 균주 DK176"이라 명명하였다(표 2참조).The Rhodococcus strain DK176 and Rhodococcus strain DK180 were prepared by modified Carlton method (UV light irradiation) (Carlton and Brown, Gene mutation , 1981). Rhodococcus After inducing UV mutations using sp DK17, o-xylene and o of the selected mutants with no ability to grow strain-indole (indole) when under xylene presence grow on glucose as Indigo (indigo) A strain that lost the ability to convert and could grow in phenol but could not grow in ethylbenzene, isopropylbenzene, toluene or benzene was named "Rhodococcus strain DK176" (see Table 2 ).

상기 UV 돌연변이체 중에서 두 번째 부류는 벤젠 및 페놀에서는 여전히 성장할 수 있는데, 알킬벤젠류에서는 성장할 수 없는 균주를 "로도코커스 속 균주 DK180"이라 명명하였다(표 2참고).The second class of UV mutants could still grow in benzene and phenol, but the strains that could not grow in alkylbenzenes were named “Rhodococcus strain DK180” (see Table 2 ).

또한, 본 발명은 상기 로도코커스 속 균주 DK17을 이용하여 알킬벤젠류 화합물, 페놀 화합물, 프탈레이트 화합물 또는 테르펜 화합물을 분해하는 방법을 제공한다.The present invention also provides a method for decomposing an alkylbenzene compound, a phenol compound, a phthalate compound or a terpene compound using the Rhodococcus strain DK17.

본 발명의 분해방법은 상기 독성 유기화합물이 존재하는 곳에 본 발명의 로도코커스 속 균주 DK17을 배양함으로써 이루어진다.The degradation method of the present invention is achieved by culturing Rhodococcus strain DK17 of the present invention where the toxic organic compound is present.

본 발명의 로도코커스 속 균주 DK17를 이용하여 상기와 같은 화합물을 효과적으로 분해할 수 있는 최적조건으로는 20 내지 37℃인 것이 바람직하고, 30℃인 것이 더욱 바람직하고, pH는 6.0 내지 8.0인 것이 바람직하다.The optimum conditions for effectively decomposing such compounds using Rhodococcus strain DK17 of the present invention is preferably 20 to 37 ℃, more preferably 30 ℃, pH is preferably 6.0 to 8.0. Do.

본 발명의 균주가 분해할 수 있는 화합물로는o-자일렌, 에틸벤젠, 이소프로필벤젠, 프로필벤젠, 부틸벤젠, 펜틸벤젠, 헥실벤젠, 톨루엔 및 벤젠으로 구성되는알킬벤젠류 화합물, 페놀,o-크레솔,m-크레솔 및p-크레솔로 구성되는 페놀 화합물, 프탈레이트 및 테레프탈레이트로 구성되는 프탈레이트 화합물 및 리모넨과 같은 테르펜 화합물 등이 있으며, 특히o-자일렌, 에틸벤젠 및 테레프탈레이트에 대한 분해활성이 뛰어나다.Compounds that can be decomposed by the strain of the present invention include o -xylene, ethylbenzene, isopropylbenzene, propylbenzene, butylbenzene, pentylbenzene, hexylbenzene, toluene and benzene alkylbenzene compounds composed of benzene, phenol, o Phenolic compounds consisting of -cresol, m -cresol and p -cresol, phthalate compounds consisting of phthalate and terephthalate and terpene compounds such as limonene, and the like, in particular for o -xylene, ethylbenzene and terephthalate Excellent decomposition activity

또한, 본 발명은 상기 로도코커스 속 균주 DK17을m-자일렌,p-자일렌 또는 1,2-디클로로벤젠과 함께 배양하여 2,4-디메틸리소시놀(2,4-dimethylresorcinol), 2,5-디메틸하이드로퀴논(2,5-dimethylhydroquinone) 또는 3,4-디클로로카테콜(3,4-dichlorocatechol)을 제조하는 방법을 제공한다.In addition, the present invention by incubating the Rhodococcus strain DK17 with m -xylene, p -xylene or 1,2-dichlorobenzene to 2,4-dimethylresorcinol (2,4-dimethylresorcinol), 2, Provided are methods for preparing 5-dimethylhydroquinone (2,5-dimethylhydroquinone) or 3,4-dichlorocatechol.

본 발명의 로도코커스 속 균주 DK17을m-자일렌 또는p-자일렌의 존재 하에 배양하면 로도코커스 속 균주 DK17에 의해 상기 화합물이 각각 산화되어 2,4-디메틸리소시놀 또는 2,5-디메틸하이드로퀴논이 생성된다(반응식 1, 반응식 2;도 3, 도 4참조). 또한, 1,2-디클로로벤젠의 존재 하에 로도코커스 속 균주 DK17을 배양하면 상기 화합물이 산화되어 3,4-디클로로카테콜이 생성된다(반응식 3;도 5참조).When the Rhodococcus strain DK17 of the present invention is cultured in the presence of m -xylene or p -xylene, the compound is oxidized by the Rhodococcus strain DK17, respectively, to form 2,4-dimethylrisosocin or 2,5-dimethyl. Hydroquinone is produced (Scheme 1, Scheme 2; see FIG. 3, FIG. 4 ). In addition, culturing Rhodococcus strain DK17 in the presence of 1,2-dichlorobenzene causes the compound to be oxidized to produce 3,4-dichlorocatechol (Scheme 3; see FIG. 5 ).

또한, 본 발명은 로도코커스 속 균주 DK180을o-자일렌 또는 톨루엔과 함께배양하여 3,4-디메틸카테콜(3,4-dimethylcatechol) 또는 3-메틸카테콜 및 4-메틸카테콜을 제조하는 방법을 제공한다.In addition, the present invention is cultured Rhodococcus strain DK180 with o -xylene or toluene to prepare 3,4-dimethylcatechol (3,4-dimethylcatechol) or 3-methylcatechol and 4-methylcatechol Provide a method.

본 발명의 로도코커스 속 균주 DK180을o-자일렌의 존재 하에 배양하면o-자일렌이 산화되어 3,4-디메틸카테콜이 생성된다(반응식 4,도 1참조). 또한, 톨루엔의 존재 하에 로도코커스 속 균주 DK180을 배양하면 상기 화합물이 산화되어 3-메틸카테콜 또는 4-메틸카테콜이 생성된다(반응식 5,도 2참조).When cultured in the presence of o-xylene - - the Rhodococcus sp DK180 of the present invention, o-xylene is oxidized 3,4-dimethyl catechol is produced (see Scheme 4, Fig. 1). In addition, culturing Rhodococcus strain DK180 in the presence of toluene oxidizes the compound to produce 3-methylcatechol or 4-methylcatechol (see Scheme 5, Figure 2 ).

또한, 본 발명은 상기 로도코커스 속 균주 DK17을 함유하는 폐수, 하수 또는 토양 처리제를 제공한다.In addition, the present invention provides a wastewater, sewage or soil treatment containing the Rhodococcus strain DK17.

본 발명의 처리제는 알킬벤젠류 화합물, 페놀 화합물, 프탈레이트 화합물 또는 테르펜 화합물에 의해 오염된 폐수, 하수 또는 토양을 정화하기 위해 사용할 수 있으며, 본 발명의 미생물 및 제법적으로 가능한 첨가물을 포함한다. 본 발명의 미생물 및 첨가물을 포함한 처리제는 상기 미생물의 배양액으로 직접 도말, 살포하거나, 상기 미생물의 배양액을 규조토, 퍼라이트 등에 흡착시켜 살포하는 방법을 이용할 수 있다. 상기 처리제는 본 발명의 신규 균주인 로도코커스 속 균주 DK17을 유효성분으로 포함하는데, 첨가물에 포함된 채로 공급될 수 있으나 장기간 보존을 위해 별도로 보관하다가 사용직전에 혼합하여 사용할 수도 있다. 이를 위해 상기 처리제에 사용될 미생물은 장기간 안정적으로 보존하기 위해 글리세롤 성분을 포함하여 -80℃에 보관하거나 멸균된 10% 탈지유에 현탁하여 동결건조하여 보관한다. 상기 처리제에 포함되는 기타 첨가물은 일반적으로 미생물을 이용한 생물학적 처리제 제조 분야에서 알려진 부형제, 안정제 및 첨가제를 포함하거나 규조토, 퍼라이트, 황토 등의 흡착제를 사용할 수 있다.The treating agent of the present invention can be used to purify wastewater, sewage or soil contaminated by alkylbenzene compounds, phenol compounds, phthalate compounds or terpene compounds, and includes the microorganisms of the present invention and pharmaceutically acceptable additives. The treatment agent including the microorganism and the additive of the present invention may be directly smeared or sprayed with the culture medium of the microorganism, or the method of spraying the culture medium of the microorganism by adsorbing diatomaceous earth, perlite, or the like may be used. The treatment agent includes a novel strain of Rhodococcus strain DK17 of the present invention as an active ingredient, which may be supplied as an additive but may be stored separately for long-term storage and mixed before use. To this end, the microorganisms to be used in the treatment agent are stored at -80 ° C, including glycerol components, or suspended in sterile 10% skim milk to be freeze-dried for long term stability. Other additives included in the treatment agent may include excipients, stabilizers, and additives generally known in the biological treatment agent manufacturing field using microorganisms, or may use an adsorbent such as diatomaceous earth, perlite, loess, and the like.

이하, 본 발명을 실시예 의해 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of examples.

단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.However, the following examples are merely to illustrate the invention, but the content of the present invention is not limited to the following examples.

<실시예 1><Example 1> oo -자일렌의 분해활성을 갖는 균주의 분리Isolation of Strains with Degradation Activity of Xylene

본 발명자들은 방향족 화합물의 분해활성을 갖는 균주를 분리하기 위하여, 유일한 탄소원 및 에너지원으로o-자일렌을 기질로 이용하여 성장하는 균주를 분리하였다. 구체적으로, 여천(한국) 공단의 기름으로 오염된 토양으로부터o-자일렌 분해 균주를 부유(enrichment) 방법을 사용하여 분리하였다. 이를 위하여, 먼저 50 ㎖의 MSB(mineral salts basal) 배지를 포함하는 250 ㎖ 플라스크에 상기 토양 5 g을 첨가하였다(Stainer et al.,J. Gen. Microbiol., 1966, 43:159-271). 유일한 탄소원 및 에너지원으로 글래스벌브(glass bulb)에서 증기상태로o-자일렌을 제공하였다. 상기 플라스크를 200 rpm으로 흔들며 30℃에서 48시간 동안 배양하였고, 배양액 5 ㎖를 50 ㎖의 신선한 MSB 배지에 옮겨 이틀 동안 배양하였다. 이틀 동안 배양한 배양액은 연속 희석하여 MSB 아가 플레이트에 도말하였다. 플레이트를 솜마개로 막은 유리 바이알에서 증기상태로 제공되는o-자일렌의 존재하에 30℃로 배양하였고, 가장 빨리 성장하는o-자일렌 분해 미생물을 선별하였다.The present inventors separated the growing strain using o -xylene as a substrate as the sole carbon source and energy source to isolate strains having a decomposition activity of aromatic compounds. Specifically, o -xylene decomposed strains were separated from soil contaminated with oil of Yeocheon (Korea) Industrial Complex using an enrichment method. To this end, 5 g of the soil was first added to a 250 ml flask containing 50 ml of MSB (mineral salts basal) medium (Stainer et al., J. Gen. Microbiol ., 1966, 43: 159-271). The only carbon and energy source provided o -xylene in the vapor state of the glass bulb. The flask was shaken at 200 rpm and incubated for 48 hours at 30 ° C., and 5 ml of the culture was transferred to 50 ml of fresh MSB medium for 2 days. Cultures incubated for 2 days were serially diluted and plated on MSB agar plates. The plates were incubated at 30 ° C. in the presence of o -xylene provided in steam in glass vials with cotton plugs, and the fastest growing o -xylene degrading microorganisms were selected.

그 결과, 본 발명자들은 유일한 탄소원 및 에너지원으로o-자일렌을 기질로 사용하여 성장하며 성장 속도가 빠른 균주를 선별하였고, 상기 균주를 "DK17"이라 명명하였다.As a result, the present inventors selected strains which grew rapidly using o -xylene as a substrate as the only carbon and energy source, and named the strain "DK17".

DK17은 그램-양성의 호기성 세균으로 효소 활성에 있어서는 옥시다제-음성, 카탈라제-양성을 나타냈으며, 성장 적정 온도는 30℃이고, 성장 적정 pH는 6.0 내지 8.0이었다. 또한, DK17은 성장 기질에 의존하여 다양한 세포형태를 보였다. 예를 들어, DK17을 글루코스에서 성장하는 동안에는 짧은 막대 모양이었고o-자일렌에서 성장하는 동안에는 균사(mycelium)가 아닌 가지 형태(branching)를 보였다.DK17 is a gram-positive aerobic bacterium and exhibited oxidase-negative and catalase-positive in enzyme activity. The growth titration temperature was 30 ° C., and the growth titration pH was 6.0 to 8.0. In addition, DK17 showed various cell types depending on growth substrate. For example, DK17 showed a short rod during growth in glucose and branching rather than mycelium during growth in o -xylene.

본 발명자들은 상기에서 선별한 DK17을 분류학적으로 확인하기 위하여, DK17의 16S rRNA 유전자를 증폭하였고, 상기 PCR 산물의 염기서열을 분석하였다.The present inventors amplified the 16S rRNA gene of DK17, and analyzed the nucleotide sequence of the PCR product in order to identify the above-selected DK17.

그 결과, DK17의 16S rRNA 유전자는서열번호 1로 기재되는 염기서열을 갖는 것으로 나타났다.As a result, the 16S rRNA gene of DK17 was found to have the nucleotide sequence set forth in SEQ ID NO: 1 .

본 발명자들은 상기에서 밝혀낸 16S rRNA 유전자의 염기서열을 진뱅크(Altschul et al.,J. Mol. Biol., 1990, 215:403-410) 또는 리보좀 데이터베이스 프로젝트 데이터베이스를 사용하여 다른 균주의 염기서열과 분석하여 보면, DK17 16S rRNA 유전자 염기서열은 여러 다른 로도코커스 종들과 매우 높은 상동성을 보였으며, 특히 로도코커스 오파쿠스(R. opacus)와 96%의 높은 상동성을 보였다. 상기 결과로부터, 상기에서 분리해낸o-자일렌 분해활성을 갖는 DK17은 로도코커스 속으로 확인되었다.The inventors have identified the base sequence of the 16S rRNA gene identified above by using GenBank (Altschul et al., J. Mol. Biol ., 1990, 215: 403-410) or a ribosomal database project database. In the analysis, the DK17 16S rRNA gene sequence showed very high homology with several other Rhodococcus species, especially 96% homology with R. opacus . From the above results, DK17 having o -xylene decomposing activity isolated above was identified as Rhodococcus.

이에, 본 발명자들은 상기에서 선별한 신규한 균주를 "로도코커스 속 균주 DK17(Rhodococcussp. strain DK17)"이라 명명하고, 이를 한국미생물보존센터에 2001년 11월 20일자로 기탁하였다(수탁번호 : KCCM 10332)Accordingly, the present inventors named the novel strain selected above as " Rhodococcus sp. Strain DK17" and deposited it on November 20, 2001 with the Korea Microorganism Conservation Center (Accession No .: KCCM 10332)

<실시예 2> 로도코커스 속 균주 DK17의 유기화합물 분해활성 분석Example 2 Degradation Activity of Organic Compounds of Rhodococcus Strain DK17

본 발명자들은 상기 실시예 1에서 분리한 로도코커스 속 균주 DK17이o-자일렌을 포함하여 다른 유기화합물에 대해서도 분해활성을 갖는지 알아보기 위하여, 알킬벤젠류 화합물, 페놀 화합물, 프탈레이트 화합물 또는 테르펜 화합물을 유일한 탄소원 및 에너지원으로 하여 MSB 플레이트에서 콜로니 형성의 속도를 측정하여 분해활성을 분석하였다. 휘발성 유기화합물(알킬벤젠류 화합물, 페놀 화합물, 및 테르펜 화합물)의 경우에는 플레이트를 솜마개로 막은 유리 바이알이 들어 있는 밀폐용기 내에 정치시키고 증기상태로 제공되는 유기화합물의 존재 하에 30℃에서 배양하였다. 분말 상태로 존재하는 유기화합물(프탈레이트 화합물)은 증류수로 녹인 후 최종 5 mM의 농도로 MSB 플레이트에 포함시켜서 30℃에서 배양하였다. 직경 1.0 ㎜ 이상의 콜로니를 형성하는데 소요되는 시간에 따라 성장 유무 및 속도를 판별하였다.The inventors of the present invention, in order to determine whether the strain DK17 genus Rhodococcus isolated in Example 1 has a degrading activity against other organic compounds, including o -xylene, the alkylbenzene compounds, phenol compounds, phthalate compounds or terpene compounds Degradation activity was analyzed by measuring the rate of colony formation in MSB plates as the only carbon and energy source. In the case of volatile organic compounds (alkylbenzene compounds, phenol compounds, and terpene compounds), the plates were left in a sealed container containing glass vials with cotton plugs and incubated at 30 ° C. in the presence of organic compounds provided in a vapor state. The organic compound (phthalate compound) present in the powder state was dissolved in distilled water and incubated at 30 ° C. in an MSB plate at a final concentration of 5 mM. Growth and speed were determined according to the time taken to form colonies of 1.0 mm or more in diameter.

그 결과, 로도코커스 속 균주 DK17은o-자일렌에서 잘 자랐고, 노란색 화합물을 콜로니 주위에 생성하였으며, 3일이 되기 전에 1.0 ㎜ 크기의 콜로니를 형성하였다(표 1).o-자일렌이 증기상태로 제공된 MSB 액체 배지에서 로도코커스 속 균주 DK17의 더블링 시간은 2.4 시간이었다. 또한, 로도코커스 속 균주 DK17은 에틸벤젠, 이소프로필벤젠, 프로필벤젠, 부틸벤젠, 펜틸벤젠, 헥실벤젠, 톨루엔 및 벤젠에서도 성장할 수 있었으나,m-자일렌 및p-자일렌과 같은 다른 자일렌 이성질체를 성장기질로 사용하지는 않는 것으로 나타났다.As a result, Rhodococcus strain DK17 grew well in o -xylene and produced yellow compound around colonies, forming colonies of 1.0 mm size before 3 days ( Table 1 ). The doubling time of Rhodococcus strain DK17 in MSB liquid medium provided with o -xylene vapor was 2.4 hours. Rhodococcus strain DK17 could also be grown in ethylbenzene, isopropylbenzene, propylbenzene, butylbenzene, pentylbenzene, hexylbenzene, toluene and benzene, but other xylene isomers such as m -xylene and p -xylene Was not used as a growth substrate.

또한, 로도코커스 속 균주 DK17은 페놀,o-크레솔,m-크레솔 및p-크레솔을 포함하는 페놀 화합물에서도 잘 성장하였고, 프탈레이트 및 테레프탈레이트를 포함하는 프탈레이트 화합물 또는 리모넨을 포함하는 테르펜 화합물에서도 잘 성장하였다. 그러나 이소프탈레이트에서는 로도코커스 속 균주 DK17이 성장할 수 없었다(표 1).Rhodococcus strain DK17 also grew well in phenolic compounds including phenol, o -cresol, m -cresol and p -cresol, and phthalate compounds including phthalates and terephthalates or terpenes including limonene Grows well at. However, Rhodococcus strain DK17 could not grow in isophthalate ( Table 1 ).

화합물compound 성장growth 알킬벤젠(Alkylbenzenes)Alkylbenzenes o-자일렌(o-Xylene) o- xylene (o -Xylene) ++++a ++++ a m-자일렌(m-Xylene) m- xylene (m -Xylene) -b -b p-자일렌(p-Xylene) p- xylene (p -Xylene) -- 에틸벤젠(Ethylbenzene)Ethylbenzene ++++++ 이소프로필벤젠(Isopropylbenzene)Isopropylbenzene ++++++ 프로필벤젠(Propylbenzene)Propylbenzene ++++++ 부틸벤젠(Butylbenzene)Butylbenzene ++++++ 펜틸벤젠(Pentylbenzene)Pentylbenzene ++++ 헥실벤젠(Hexylbenzene)Hexylbenzene ++ 톨루엔(Toluene)Toluene ++++ 벤젠(Benzene)Benzene ++ 페놀(Phenolics)Phenolics 페놀(Phenol)Phenolic o-크레졸(o-Cresol) o - cresol (o -Cresol) ++++++ m-크레졸(m-Cresol) m - cresol (m -Cresol) ++++ p-크레졸(p-Cresol) p - cresol (p -Cresol) ++++++ 프랄레이트(Phthalates)Phthalates 프탈레이트(Phthalate)Phthalate ++++++ 이소프탈레이트(Isophthalate)Isophthalate -- 테레프탈레이트(Terephthalate)Terephthalate ++++++++ 테르펜(Terpenes)Terpenes 리모넨(Limonene)Limonene ++

a: 4, 3, 2 및 1개의 + 표시는 각각 3, 5, 7 및 9일 안에 1.0 ㎜ 직경의 콜로니를 형성하는 것을 표시.a: 4, 3, 2 and 1 + marks indicate forming colonies of 1.0 mm diameter in 3, 5, 7 and 9 days, respectively.

b: - 표시는 탄소원 및 에너지원으로 사용되어질 수 없음을 표시.b:-indicates that it cannot be used as a carbon and energy source.

<실시예 3><Example 3> oo -자일렌 분해의 대사경로 분석Metabolic Pathway Analysis of Xylene Decomposition

본 발명자들은o-자일렌 분해에 대한 대사경로를 밝히기 위하여,o-자일렌의 잠재적 중간대사산물에서의 로도코커스 속 균주 DK17의 성장능을 분석하였다. 본 발명의 로도코커스 속 균주 DK17은o-자일렌의 메틸그룹 산화 유도체인 2-메틸벤질알콜, 2-메틸벤질알데히드 및 2-메틸벤조산 뿐만 아니라 방향족환의 직접적인 산화에 의해 생성되는 하이드록실화 유도체인 2,3-디메틸페놀 및 3,4-디메틸페놀에서 성장하지 못했다. 기존에 로도코커스 속 균주 B3가 2-메틸벤질알콜, 2-메틸벤질알데히드 및 3,4-디메틸페놀에서 성장하지 못하는 것은 위의 중간대사산물에 의한 세포에 대한 독성 때문이고 이는 글루코스에서 균주의 성장이 상기 화합물에 의해 완전히 방해되었기 때문이라고 보고되었다(Bickerdike et al.,Microbiology,1997, 143:2321-2329). 로도코커스 속 균주 DK17이 2-메틸벤질아데히드, 2,3-디메틸페놀 또는 3,4-디메틸페놀이 0.1% 농도로 존재할 때 글루코스에서 성장할 때에도 이와 비슷한 저해 효과가 관찰되었으나, 2-메틸벤질알콜 또는 2-메틸벤조산에 의해서는 저해효과가 없음에도 불구하고 상기 두 물질을 성장기질로 이용하지 못하였다.The inventors analyzed the growth capacity of Rhodococcus strain DK17 in a potential intermediate metabolite of o -xylene to elucidate the metabolic pathway for o -xylene degradation. Rhodococcus strain DK17 of the present invention is a hydroxylated derivative produced by direct oxidation of an aromatic ring as well as 2-methylbenzyl alcohol, 2-methylbenzylaldehyde and 2-methylbenzoic acid, which are methyl group oxidized derivatives of o -xylene. It did not grow in 2,3-dimethylphenol and 3,4-dimethylphenol. Previously, Rhodococcus strain B3 failed to grow in 2-methylbenzyl alcohol, 2-methylbenzylaldehyde, and 3,4-dimethylphenol due to its toxicity to cells caused by the above metabolites, which caused the growth of the strain in glucose. It has been reported that this was completely inhibited by this compound (Bickerdike et al., Microbiology, 1997, 143: 2321-2329). A similar inhibitory effect was observed when Rhodococcus strain DK17 was grown in glucose when 2-methylbenzylaldehyde, 2,3-dimethylphenol or 3,4-dimethylphenol was present at a concentration of 0.1%, but 2-methylbenzyl alcohol Or, although there is no inhibitory effect by 2-methylbenzoic acid, the two substances were not used as growth substrates.

상기 결과로부터 본 발명의 로도코커스 속 균주 DK17은 성장기질로 2-메틸벤질알콜 또는 2-메틸벤조산을 사용하지 못한다는 것을 확인하였다.From the above results, it was confirmed that Rhodococcus strain DK17 of the present invention cannot use 2-methylbenzyl alcohol or 2-methylbenzoic acid as a growth substrate.

<실시예 4> 돌연변이 균주의 제조 및Example 4 Preparation of Mutant Strains oo -자일렌 분해의 대사경로 분석Metabolic Pathway Analysis of Xylene Decomposition

본 발명자들은o-자일렌 분해에 대한 로도코커스 속 균주 DK17의 대사경로를 보다 더 분석하기 위하여, 로도코커스 속 균주 DK17에 대한 UV 돌연변이체를 제조하였다. 구체적으로, UV 돌연변이체의 생성은 칼톤의 방법을 조금 변형하여 수행하였다(Carlton and Brown,Gene mutation, 1981, p224-225). 배양한 세포를 원심분리하고 0.1 M MgSO4로 두 번 세척한 다음 동일한 용액으로 다시 현탁하였다. 0.1 M MgSO4로 연속 희석한 후 각각의 세포 현탁액을 멸균된 글래스 페트리 플레이트에 옮기고, 열려진 페트리 플레이트의 22 ㎝ 위에서 90초 동안 254 nm UV에 노출시켰다. 처리된 세포 현탁액은 20 mM 글루코스(이하 "마스터 플레이트"라 칭한다)를 포함하는 MSB 아가 플레이트에 도말하고, 30℃의 어두운 곳에서 배양하였다. 이쑤시개를 이용하여 상기 마스터 플레이트로에서 형성된 콜로니를 MSB 플레이트로 옮기고, 이를o-자일렌이 포화된 공기에서 배양하면서 유일한 탄소원 및 에너지원으로o-자일렌을 이용하여 성장하는지를 조사하였다.We have prepared UV mutants for Rhodococcus strain DK17 to further analyze the metabolic pathways of Rhodococcus strain DK17 for o -xylene degradation. Specifically, the generation of UV mutants was performed by slightly modifying Carlton's method (Carlton and Brown, Gene mutation , 1981, p224-225). The cultured cells were centrifuged, washed twice with 0.1 M MgSO 4 and then suspended again with the same solution. After serial dilution with 0.1 M MgSO 4 , each cell suspension was transferred to sterile glass petri plates and exposed to 254 nm UV for 90 seconds on 22 cm of open petri plates. Treated cell suspensions were plated on MSB agar plates containing 20 mM glucose (hereinafter referred to as "master plates") and incubated in the dark at 30 ° C. Using a toothpick, transferred to the colonies formed on the MSB to the master plate to plate, this o-examined whether the growth using a xylene-o-xylene is the sole carbon and energy source, while cultured in a saturated air.

상기 UV 돌연변이를 유도한 결과,o-자일렌에서 성장능이 없는 선별된 54개의 돌연변이 균주 중에서 49개의 균주가o-자일렌 증기 존재 하에서 글루코스에서 성장할 때 인돌(indole)을 인디고(indigo)로 변환시키는 능력을 상실하였고 이는 초기 옥시제나제가 손상된 것을 나타낸다(Ensley et al.,Science, 1983, 222:167-169; Eaton and Timmis,J. Bacteriol., 1986, 168:123-131). 이들 중에서 DK176 돌연변이 균주는 페놀에서는 여전히 성장할 수 있는데, 에틸벤젠, 이소프로필벤젠, 톨루엔 또는 벤젠에서 성장할 수 없었다(표 2). 상기 결과는 로도코커스 속 균주 DK17에 의한 에틸벤젠, 이소프로필벤젠, 벤젠, 톨루엔 및o-자일렌의 대사에서 초기 단계에는 동일한 옥시제나제가 관여한다는 것을 나타낸다.Converting the indole (indole) when grown in glucose under xylene vapor present in the indigo (indigo) - After a derive the UV mutation, o - 49 strains among the selected 54 mutant strain no ability grown in xylene o Loss of capacity, indicating impaired early oxygenase (Ensley et al., Science , 1983, 222: 167-169; Eaton and Timmis, J. Bacteriol ., 1986, 168: 123-131). Of these, the DK176 mutant strain could still grow in phenol, but not in ethylbenzene, isopropylbenzene, toluene or benzene ( Table 2 ). The results indicate that the same oxygenase is involved in the early stages in the metabolism of ethylbenzene, isopropylbenzene, benzene, toluene and o -xylene by Rhodococcus strain DK17.

상기 UV 돌연변이체 중에서 두 번째 부류의 DK180 돌연변이 균주는 벤젠 및 페놀에서는 여전히 성장할 수 있는데, 알킬벤젠에서는 성장할 수 없었다(표 2). 메틸벤젠이 메틸카테콜로 변화되는 동안 벤젠의 호기성 분해는 카테콜을 거쳐서 진행된다. 따라서, 로도코커스 속 균주 DK180이o-자일렌 또는 톨루엔에서 성장하지 못하는 것은 상기 균주에서 메틸카테콜을 분해하는 단계의 효소가 파괴된 것을 나타낸다.The second class of DK180 mutant strains of these UV mutants could still grow in benzene and phenol, but not in alkylbenzene ( Table 2 ). While methylbenzene is converted to methylcatechol, aerobic decomposition of benzene proceeds via catechol. Thus, failure of Rhodococcus strain DK180 to grow in o -xylene or toluene indicates that the enzyme in the step of decomposing methylcatechol in the strain is destroyed.

상기 결과는 로도코커스 속 균주 DK17에 의한 알킬벤젠류의 초기 산화 과정에서는 일반적인 옥시제나제가 작용하지만 (메틸)카테콜의 분해를 위해서는 적어도 두 개의 다른 경로를 갖는다는 것을 나타낸다.The results indicate that the normal oxidase process works during the initial oxidation of alkylbenzenes by Rhodococcus strain DK17 but has at least two different pathways for the decomposition of (methyl) catechol.

화합물compound DK17DK17 DK176DK176 DK180DK180 o-자일렌 o -xylene ++++a ++++ a __ -- m-자일렌 m -xylene -b -b -- -- p-자일렌 p -xylene -- -- -- 에틸벤젠Ethylbenzene ++++++ -- -- 이소프로필벤젠Isopropylbenzene ++++++ -- -- 톨루엔toluene ++++ -- -- 벤젠benzene ++ -- ++ 페놀phenol ++++++ ++++++ ++++++

a: 4, 3, 2 및 1개의 + 표시는 각각 3, 5, 7 및 9일 안에 1.0 ㎜ 직경의 콜로니를 형성하는 것을 표시.a: 4, 3, 2 and 1 + marks indicate forming colonies of 1.0 mm diameter in 3, 5, 7 and 9 days, respectively.

b: - 표시는 탄소원 및 에너지원으로 사용되어질 수 없음을 표시.b:-indicates that it cannot be used as a carbon and energy source.

<실시예 5> DK17 및 DK180 균주에서 메타- 및 오르소-절단 디옥시제나제의 유도Example 5 Induction of meta- and ortho-cutting deoxygenase in DK17 and DK180 strains

메틸카테콜은 알킬 치환 때문에 오르소-절단 경로보다도 메타-절단 경로에 의해 보다 더 효율적으로 대사되는 것으로 알려져 있다(Harayama et al.,J. Bacteriol., 1987, 169:558-564). 따라서, 본 발명자들은 정상 DK17 균주 및 돌연변이 균주 DK180은o-자일렌, 톨루엔 또는 벤젠의 존재 하에서 성장하는 동안 어떤 타입의 환-절단 디옥시제나제가 생리학적으로 유도되는지 분석하여 보았다.Methylcatechol is known to be metabolized more efficiently by the meta-cleavage pathway than the ortho-cleavage route because of alkyl substitution (Harayama et al., J. Bacteriol. , 1987, 169: 558-564). Thus, we analyzed what type of ring-cut dioxygenase was physiologically induced during normal DK17 strain and mutant strain DK180 in the presence of o -xylene, toluene or benzene.

구체적으로, 20 mM 글루코스에서 배양된 DK17 및 DK180 세포를 수확하고 이를 200 ㎖의 신선한 MSB 배지에 재 현탁하였다. 환-절단 경로를 유도하기 위하여,o-자일렌, 톨루엔 또는 벤젠을 최종 농도가 0.1%가 되게 직접 첨가하고 이를 30℃에서 12시간 동안 배양하였다. 유도된 세포를 수확하고 이를 절반 정도 부피의 1X PBS(phosphate-buffered saline; 140 mM NaCl, 2.7 mM KCl, 10 mM NaHPO4, 1.8 mM KH2PO4[pH 7.4])로 세척하고, 5 ㎖의 50 mM MOPS(1 mM ascorbic acid, 10% 아세톤, 10% 글리세롤 및 100 uM FeSO4, pH 7.8)로 현탁하고 초음파로 분쇄하였다. 분쇄되지 않은 세포 및 세포 찌꺼기를 10,000 x g로 30분 동안 원심분리하여 제거하였고, 남은 상등액은 효소 용액으로 사용하였다.Specifically, DK17 and DK180 cells cultured in 20 mM glucose were harvested and resuspended in 200 ml fresh MSB medium. To induce the ring-cutting pathway, o -xylene, toluene or benzene was added directly to a final concentration of 0.1% and it was incubated at 30 ° C. for 12 hours. The induced cells were harvested and washed with about half the volume of 1 × PBS (phosphate-buffered saline; 140 mM NaCl, 2.7 mM KCl, 10 mM NaHPO 4 , 1.8 mM KH 2 PO 4 [pH 7.4]), and 5 ml of Suspended in 50 mM MOPS (1 mM ascorbic acid, 10% acetone, 10% glycerol and 100 uM FeSO 4 , pH 7.8) and triturated by ultrasound. Unmilled cells and cell debris were removed by centrifugation at 10,000 × g for 30 minutes and the remaining supernatant was used as enzyme solution.

카테콜 2,3-디옥시제나제(C23O) 활성은 하기 기질로부터 형성된 각각의 메타-절단 산물의 최대 흡광 파장에서 흡광도의 증가를 측정하여 분석하였다; 카테콜, λmax= 375 nm 및 ε = 33,400 ㎝-1M-1; 3-메틸카테콜, λmax= 388 nm 및 ε = 13,800 ㎝-1M-1; 4-메틸카테콜, λmax= 382 nm 및 ε = 28,100 ㎝-1M-1(Bayly et al.,Biochem. J.,1966, 101:293-301). 반응 혼합물은 100 mM 포스페이트 버퍼(pH 7.4) 및 최종 농도가 0.4 mM인 적절한 기질을 포함하고 있다. 카테콜 1,2-디옥시제나제(C12O)의 활성은 하기의 기질로부터 형성된 각각의 오르소-절단 산물의 최대 흡광 파장에서 흡광도의 증가를 측정하여 분석하였다; 시스,시스-뮤코네이트에 대해서는 260 nm: ε = 16,800 ㎝-1M-1; 2-메틸-시스,시스-뮤코네이트에 대해서는260 nm: ε = 18,000 ㎝-1M-1; 3-메틸-시스,시스-뮤코네이트에 대해서는 255 nm: ε = 14,300 ㎝-1M-1(Dorn and Knackmuss,Biochem. J.,1978, 85-94). 단백질 함량은 브래드포드 방법(Bradford,Anal. Biochem.,1976, 72:248-254)에 따라 소혈청알부민을 표준단백질로 하여 측정하였다. 효소 활성의 1 유니트는 1 umol 산물/min/㎎(단백질)으로 정의하였다.Catechol 2,3-dioxygenase (C23O) activity was analyzed by measuring the increase in absorbance at the maximum absorption wavelength of each meta-cut product formed from the following substrate; Catechol, λ max = 375 nm and ε = 33,400 cm −1 M −1 ; 3-methylcatechol, λ max = 388 nm and ε = 13,800 cm −1 M −1 ; 4-methylcatechol, λ max = 382 nm and ε = 28,100 cm −1 M −1 (Bayly et al., Biochem. J., 1966, 101: 293-301). The reaction mixture contains 100 mM phosphate buffer (pH 7.4) and a suitable substrate with a final concentration of 0.4 mM. The activity of catechol 1,2-deoxygenase (C12O) was analyzed by measuring the increase in absorbance at the maximum absorption wavelength of each ortho-cutting product formed from the following substrates; For cis, cis-muconate 260 nm: ε = 16,800 cm -1 M -1 ; For 2-methyl-cis, cis-muconate 260 nm: ε = 18,000 cm -1 M -1 ; For 3-methyl-cis, cis-muconate 255 nm: ε = 14,300 cm -1 M -1 (Dorn and Knackmuss, Biochem. J., 1978, 85-94). Protein content was determined using bovine serum albumin as the standard protein according to the Bradford method (Bradford, Anal. Biochem., 1976, 72: 248-254). One unit of enzyme activity was defined as 1 umol product / min / mg (protein).

그 결과, 정상 로도코커스 속 균주 DK17이o-자일렌, 톨루엔 또는 벤젠에서 성장할 때 상기 세포에서는 많은 양의 메타-절단 디옥시제나제(C23O) 활성이 검출되었으나, 동일한 조건에서 돌연변이 균주 DK180에서는 메타-절단 디옥시제나제 활성이 검출되지 않았다(표 3). 검출된 메타-절단 디옥시제나제는 3-메틸카테콜에 대해 가장 높은 활성을 갖고, 4-메틸카테콜에 대해서도 높은 활성을 가지지만(3-메틸카테콜의 30.5% 수준), 카테콜에 대해서는 매우 낮은 활성을 보였다(3-메틸카테콜의 1.9% 수준). 벤젠, 톨루엔 및o-자일렌에서 활성의 비가 동일하기 때문에 동일 메타-절단 효소가 상기 3가지 기질의 존재 하에서 유도되는 것은 명백하다.As a result, a large amount of meta-cutting deoxygenase (C23O) activity was detected in the cells when the normal Rhodococcus strain DK17 was grown in o -xylene, toluene or benzene, but under the same conditions, No cleavage deoxygenase activity was detected ( Table 3 ). Meta-cleaved deoxygenase detected had the highest activity for 3-methylcatechol and high activity for 4-methylcatechol (30.5% level of 3-methylcatechol), but not for catechol. Showed very low activity (a level of 1.9% of 3-methylcatechol). It is clear that the same meta-cleaving enzyme is induced in the presence of these three substrates because of the same ratio of activity in benzene, toluene and o -xylene.

균주Strain 유도자Inductance 효소 활성 (U/㎎ of 단백질)a Enzyme activity (U / mg of protein) a 카테콜Catechol 3-메틸카테콜3-methylcatechol 4-메틸카테콜4-methylcatechol DK17DK17 글루코스Glucose NDb ND b NDND NDND o-자일렌 o -xylene 32.0 ± 1.832.0 ± 1.8 1,666.3 ± 71.11,666.3 ± 71.1 507.9 ± 11.1507.9 ± 11.1 톨루엔toluene 15.8 ± 2.315.8 ± 2.3 818.6 ± 78.9818.6 ± 78.9 253.9 ± 29.9253.9 ± 29.9 벤젠benzene 6.8 ± 2.36.8 ± 2.3 226.3 ± 27.3226.3 ± 27.3 60.1 ± 10.760.1 ± 10.7 DK180DK180 o-자일렌 o -xylene NDND NDND NDND 톨루엔toluene NDND NDND NDND 벤젠benzene NDND NDND NDND

a: 적어도 3번 이상의 독립된 실험에서 평균 효소 활성을 표시,a: displays average enzyme activity in at least three independent experiments,

b: 검출되지 않음b: not detected

그러나, 로도코커스 속 균주 DK17이 벤젠의 존재 하에서 성장할 때에만 오르소-절단 디옥시제나제(C12O)가 유도되었으며(표 4), 또한 정상 및 메타-절단 디옥시제나제 활성이 없는 돌연변이 균주 DK180에서 동일한 수준으로 유도되었다. 이것은 카테콜에 대해 메타-절단 디옥시제나제의 저수준 활성과 벤젠의 존재 하에서 메타-절단 디옥시제나제 유도의 감소된 수준과 함께 벤젠에서 로도코커스 속 균주 DK17 및 로도코커스 속 균주 DK180을 성장시킬 때 카테콜을 통해 같은 양의 대사 유동(flux)이 생긴다는 것을 나타낸다. 이것은 돌연변이 균주에서 다른 하류 경로를 통한 대사의 새로운 경로가 아니다.However, ortho-cutting deoxygenase (C12O) was induced only when Rhodococcus strain DK17 grew in the presence of benzene ( Table 4 ), and also mutant strain DK180 without normal and meta-cutting deoxygenase activity. To the same level. This would lead to the growth of Rhodococcus strains DK17 and Rhodococcus strain DK180 in benzene with low levels of meta-cutting deoxygenase against catechol and reduced levels of meta-cutting deoxygenase induction in the presence of benzene. When catechol, the same amount of metabolic flux occurs. This is not a new pathway of metabolism through other downstream pathways in mutant strains.

상기 효소 분석 데이터는 로도코커스 속 균주 DK180이o-자일렌에서 성장하지 못하는 것이 메타-절단 디옥시제나제를 코딩하는 유전자에 돌연변이가 생긴 결과라는 것을 증명하였다.The enzyme analysis data demonstrated that the failure of Rhodococcus strain DK180 to grow in o -xylene was a result of mutation of the gene encoding meta-cleaved deoxygenase.

균주Strain 유도자Inductance 효소 활성 (U/㎎ of 단백질)a Enzyme activity (U / mg of protein) a 카테콜Catechol 3-메틸카테콜3-methylcatechol 4-메틸카테콜4-methylcatechol DK17DK17 글루코스Glucose NDb ND b NDND NDND o-자일렌 o -xylene NDND NDND NDND 톨루엔toluene NDND NDND NDND 벤젠benzene 577.0 ± 5.6577.0 ± 5.6 55.1 ± 7.255.1 ± 7.2 156.7 ± 13.5156.7 ± 13.5 DK180DK180 벤젠benzene 480.3 ± 18.9480.3 ± 18.9 63.6 ± 14.763.6 ± 14.7 185.5 ± 24.8185.5 ± 24.8

a: 적어도 3번 이상의 독립된 실험에서 평균 효소 활성을 표시,a: displays average enzyme activity in at least three independent experiments,

b: 검출되지 않음b: not detected

<실시예 6> DK17 및 DK180 균주를 이용한 화합물의 제조Example 6 Preparation of Compound Using DK17 and DK180 Strains

<6-1> 로도코커스 속 균주 DK180을 이용한 화합물의 제조<6-1> Preparation of Compound Using Rhodococcus strain DK180

본 발명자들은 로도코커스 속 균주 DK180을o-자일렌 또는 톨루엔과 함께 배양하여, 3,4-디메틸카테콜 또는 3-메틸카테콜 및 4-메틸카테콜을 제조하였다.We incubated Rhodococcus strain DK180 with o -xylene or toluene to prepare 3,4-dimethylcatechol or 3-methylcatechol and 4-methylcatechol.

구체적으로, UV에 의해 생성된 돌연변이 균주 DK180을 20 mM 글루코스가 포함된 MSB 배지에 30℃에서 흔들면서 하룻밤 동안 배양하였다. 배양액 10 ㎖를 5 mM 글루코스를 포함하는 400 ㎖의 신선한 배지에 옮기고 이를 증기 상태로 제공되는o-자일렌 또는 톨루엔의 존재 하에 같은 조건으로 24시간 동안 배양하였다. 세포를 10,000 x g에서 30분 동안 원심분리하여 제거하고, 상등액을 동일한 부피의 에틸 아세테이트로 두 번 추출하였다. 회전 증발기에 의해 농축한 후, 소량의 메탄올로 녹이고 HPLC(high pressure liquid chromatography)에 의해 분석하였다. HPLC 분석은 5 ㎛ ZORBAX 컬럼(4.6X250 ㎜)으로 장착된 HPLC 기기(Hewlett-Packard model 1100 HPLC)를 가지고 수행하였다. 이동상(mobile phase)은 1.0 ㎖/min의 유속에서 메탄올-물(5:95 - 95:5)의 45분 직선 변화도(gradient)이었다. 대사산물의GC-MS(gas chromatography-mass spectrometry) 분석은 융합 실리카 모세관 컬럼(HP-5, 0.25X30 ㎜, 0.25 ㎛ 필름 두께)에 적합한 6890 가스 크로마토그램에 연결된 질량 스펙트로미터(Hewlett-Packard 5973, electron impact ionization, 70eV)에 의해 수행하였다. GC는 다음 조건에서 수행하였다: 1 ㎖ He/min, 온-컬럼 주입 모드; 오븐 온도, 2분 동안 60℃; 온도 변화도 220℃까지 5℃/min, 이후 220℃. 주입 전에 샘플을 피리딘에서 각각 트리메틸시릴 에테르(TMSi), 메탄보로네이트(MB) 또는 페난스렌보로네이트(PB) 유도체를 생성하게 하는N-메틸-N-트리메틸시릴트리플루오로아세타미드, 메탄보론산 또는 9-페난스렌보론산을 80℃에서 30분 동안 처리하였다. NMR 분석 전에o-자일렌 대사산물을 안정화시키기 위하여 아세틸화하였다. 건조된 산물은 아세틱 언하이드라이드(1 ㎖) 및 피리딘(2 ㎖)에 녹이고, 실온에서 하룻밤 동안 배양하였다. 그 다음 상기 산물을 HCl 용액으로 pH 7.0으로 맞추고, 30 ㎖n-헥산으로 추출하였다.n-헥산을 제거한 후, 대사산물의 아세테이트를 모아서 용출 용매로n-헥산-이소프로판올의 혼합물로 1 ㎖/min의 유속에서 정상(normal phase) HPLC(6X150 ㎜, Senshu Pak Aquasil SS-532N)에 적용하였다(0-5 min; 100%n-헥산, 5-25 min;n-헥산에서 5% 이소-프로판올까지의 변화도; 그 다음에는n-헥산에서 5% 이소-프로판올). 샘플을 DCDl3에 녹이고, 테트라메틸시란을 내부 표준용매로 사용하여 300 MHz1H NMR(Varian Gemini 2000)로 분석하였다.Specifically, mutant strain DK180 produced by UV was incubated overnight at 30 ° C. in MSB medium containing 20 mM glucose. 10 ml of the culture was transferred to 400 ml fresh medium containing 5 mM glucose and incubated for 24 hours under the same conditions in the presence of o -xylene or toluene provided in the vapor state. Cells were removed by centrifugation at 10,000 × g for 30 minutes and the supernatant was extracted twice with the same volume of ethyl acetate. After concentration by rotary evaporator, it was dissolved in a small amount of methanol and analyzed by HPLC (high pressure liquid chromatography). HPLC analysis was performed with an HPLC instrument (Hewlett-Packard model 1100 HPLC) mounted on a 5 μm ZORBAX column (4.6 × 250 mm). The mobile phase was a 45 minute gradient of methanol-water (5: 95-95: 5) at a flow rate of 1.0 ml / min. Gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) analysis of metabolites was performed by mass spectrometry (Hewlett-Packard 5973, linked to a 6890 gas chromatogram suitable for fused silica capillary columns (HP-5, 0.25X30 mm, 0.25 μm film thickness). electron impact ionization (70 eV). GC was performed under the following conditions: 1 mL He / min, on-column injection mode; Oven temperature, 60 ° C. for 2 minutes; The temperature change was also 5 ° C./min up to 220 ° C., followed by 220 ° C. Prior to injection, the samples were subjected to N -methyl- N -trimethylsilyltrifluoroacetamide, methane, which resulted in pyridine to produce trimethylsilyl ether (TMSi), methaneboronate (MB) or phenanthreneboronate (PB) derivatives, respectively. Boronic acid or 9-phenanthreneboronic acid was treated at 80 ° C. for 30 minutes. Acetylation was performed to stabilize the o -xylene metabolite prior to NMR analysis. The dried product was dissolved in acetic anhydride (1 mL) and pyridine (2 mL) and incubated overnight at room temperature. The product was then adjusted to pH 7.0 with HCl solution and extracted with 30 mL n -hexane. After removal of n -hexane, the acetate of the metabolite was collected and applied to normal phase HPLC (6 × 150 mm, Senshu Pak Aquasil SS-532N) at a flow rate of 1 mL / min with a mixture of n -hexane-isopropanol as the elution solvent. (0-5 min; 100% n -hexane, 5-25 min; gradient from n -hexane to 5% iso-propanol; then n -hexane to 5% iso-propanol). The sample was dissolved in DCDl 3 and analyzed by 300 MHz 1 H NMR (Varian Gemini 2000) using tetramethylsilane as an internal standard solvent.

그 결과, 대사산물은m/z282에서 분자 이온 및 분자 이온의 분열에 의해 생성되는m/z193(M+-OTMSi) 주요 이온을 갖고 있고, 이는 원래의 대사산물이 디하이드록실레이트o-자일렌임을 암시한다. 디하이드록실기가 가까운 위치에 존재하는지 알아보기 위하여, 상기 대사산물을 가까운 곳에 위치하는 디하이드록실기와 작용했을 때만 보로네이트 유도체를 형성하는 메탄보론산 또는 9-페난스렌보론산으로 유도하였다. 두 개의 하이드록실기가o-자일렌에 결합되어 있는데, GC-MS에 의해 두 하이드록실기가 어떠한 위치로 존재하는지를 확인하였다. 메탄보론산과 9-페난스렌보론산은 인접하는 두 개의 하이드록실기가 존재해야만 메탄보로네이트 및 페난스렌보로네이트 유도체를 형성한다. GC-MS 데이터에 의해 두 하이드록실기는 인접해서 존재한다는 것이 확인되었다(도 1a).As a result, the metabolites m / z m / z 193 ( M + -OTMSi) generated by the fragmentation of molecular ions and molecular ions at 282 and has a major ion, which is originally a metabolite di hydroxyl rate of o - Implies xylene. To determine if a dihydroxyl group is present in the immediate position, the metabolite was derived with methaneboronic acid or 9-phenansrenboronic acid which form a boronate derivative only when it acts with a dihydroxyl group located nearby. Two hydroxyl groups are bound to o -xylene, and GC-MS confirmed the location of the two hydroxyl groups. Methaneboronic acid and 9-phenan styrene boronic acid must be present in two adjacent hydroxyl groups to form a methane boronate and phenanthrene boronate derivative. GC-MS data confirmed that the two hydroxyl groups were adjacent ( FIG. 1A ).

두 개의 하이드록실기는o-자일렌에 인접해서 결합되어 있는데, 그러면o-자일렌의 2개 메틸기와는 어떠한 위치에서 존재하는지 NMR 분석에 의해 알아보았다. 대사산물의 메탄보로네이트 및 페난스렌보로네이트 유도체에 대해 예상되는 분자 이온은 각각m/z162 및m/z324에서 연속적으로 측정되었다. 따라서, 19.0 min에서 나타나는 대사산물은 1,2-디하이드록시-3,4-디메틸-벤젠(3,4-디메틸카테콜)이거나 1,2-디하이드록시-4,5-디메틸-벤젠(4,5-디메틸카테콜)이다. 추출된 대사산물이 상온에서 매우 불안정하기 때문에 더 이상의 NMR 분석을 위한 주요 대사산물의 정제는 불가능하였다. 상기 문제를 해결하기 위하여 대사산물을 아세틸레이션으로 안정화시키고 정상(normal phase) HPLC에 의해 정제하여 300 MHz1H-NMR에 의해 분석하였다.표 5에 요약한 것처럼 주요 대사산물의 아세테이트 유도체는 6H(6개의프로톤)에 대해 δ2.27에서 단선(singlet)을 주고 이것은 디아세틸에서 2개의 등가(equivalent) 메틸을 할당하였으며,o-자일렌에서 파생된 2개의 메틸은 δ2.08(s, 3H) 및 δ2.32(s, 3H)에서 검출되었다. 상호 결합되어 있는 2개의 방향족 프로톤은 δ7.05(d,J=8.3 Hz) 및 δ6.92(d,J=8.3 Hz)에서 흡수되었는데, 이는 방향족 프로톤이 C-5 및 C-6에 부착되어 있음을 의미한다. GC-MS 및 NMR 데이터에 기초하여, 주요 대사산물이 3,4-디메틸카테콜로 밝혀졌다(반응식 4;도 1b).Two hydroxyl groups are o - there is coupled adjacent to the xylene, then o - is examined by NMR analysis exists in any position and two methyl groups in the xylene. The expected molecular ions for the methaneboronate and phenanthrenboronate derivatives of the metabolite were measured continuously at m / z 162 and m / z 324, respectively. Thus, the metabolite at 19.0 min is 1,2-dihydroxy-3,4-dimethyl-benzene (3,4-dimethylcatechol) or 1,2-dihydroxy-4,5-dimethyl-benzene ( 4,5-dimethylcatechol). Purification of the main metabolite for further NMR analysis was not possible because the extracted metabolite was very unstable at room temperature. To solve this problem metabolites were stabilized by acetylation and purified by normal phase HPLC and analyzed by 300 MHz 1 H-NMR. As summarized in Table 5 , the acetate derivatives of the major metabolites gave a singlet at δ2.27 for 6H (6 protons), which assigned two equivalent methyls in diacetyl, o -xylene Two methyls derived from were detected at δ2.08 (s, 3H) and δ2.32 (s, 3H). The two mutually bound aromatic protons were absorbed at δ7.05 (d, J = 8.3 Hz) and δ6.92 (d, J = 8.3 Hz), which attached the aromatic protons to C-5 and C-6 It means that there is. Based on GC-MS and NMR data, the main metabolite was found to be 3,4-dimethylcatechol (Scheme 4; FIG. 1B ).

<반응식 4><Scheme 4>

프로톤(s)Proton (s) ppmppm 2CH3-1,2-OAc2CH 3 -1,2-OAc 2.27(s)2.27 (s) CH3-3CH 3 -3 2.32(s)2.32 (s) CH3-4CH 3 -4 2.08(s)2.08 (s) H-5H-5 6.92(d,J=8.3 Hz)6.92 (d, J = 8.3 Hz) H-6H-6 7.05(d,J=8.3 Hz)7.05 (d, J = 8.3 Hz)

효소 분석 데이터(표 3참조)에서 밝힌 바와 같이, 톨루엔은o-자일렌과 같은 메타-절단 경로를 통해 분해된다. DK180에 의해 형성된 톨루엔의 에틸 아세테이트-추출 대사산물의 HPLC 용출 프로파일은도 2a에 나타내었다. 2개의 주요 피크는 18.7 min 및 19.9 min에서 용출되었다. 각 피크의 GC-MS 분석은 이들이 상업적으로 판매되는 화합물(authentic compound)과 같은 중량 스펙트럼 및 GC 보유 시간을 보여주었기 때문에 18.7 min 및 19.9 min에서 검출되는 중간대사산물은 3-메틸카테콜 및 4-메틸카테콜로 각각 확인되었다(반응식 5;도 2b도 2c).As shown in the enzyme assay data (see Table 3 ), toluene is degraded via meta-cutting pathways such as o -xylene. The HPLC elution profile of the ethyl acetate-extracted metabolite of toluene formed by DK180 is shown in FIG. 2A . Two major peaks eluted at 18.7 min and 19.9 min. GC-MS analysis of each peak showed the same weight spectra and GC retention times as commercial compounds, so the intermediate metabolites detected at 18.7 min and 19.9 min were 3-methylcatechol and 4- Identified as methylcatechol (Scheme 5; FIGS. 2B and 2C) .

<반응식 5>Scheme 5

<6-2> 로도코커스 속 균주 DK17을 이용한 화합물의 제조<6-2> Preparation of Compound Using Rhodococcus Strain DK17

본 발명자들은 상기 실시예<6-1>과 동일한 방법으로 로도코커스 속 균주 DK17을m-자일렌,p-자일렌 또는 1,2-디클로로벤젠과 함께 배양하여, 2,4-디메틸리소시놀, 2,5-디메틸하이드로퀴논 또는 3,4-디클로로카테콜을 제조하였다. 상기에서 제조된 화합물은 상기 실시예 <6-1>과 동일한 방법으로 GC-MS 분석 및 NMR 분석을 통하여 2,4-디메틸리소시놀(반응식 1;도 3), 2,5-디메틸하이드로퀴논(반응식 2;도 4) 또는 3,4-디클로로카테콜(반응식 3;도 5)임을 확인하였다.The present inventors incubated Rhodococcus strain DK17 with m -xylene, p -xylene or 1,2-dichlorobenzene in the same manner as in Example <6-1>, to provide 2,4-dimethylrisosinol , 2,5-dimethylhydroquinone or 3,4-dichlorocatechol was prepared. The compound prepared above was prepared in the same manner as in Example <6-1> using 2,4-dimethylisocinol (Scheme 1; FIG. 3 ), 2,5-dimethylhydroquinone through GC-MS analysis and NMR analysis . (Scheme 2; FIG. 4 ) or 3,4-dichlorocatechol (Scheme 3; FIG. 5 ).

<반응식 1><Scheme 1>

<반응식 2><Scheme 2>

<반응식 3><Scheme 3>

<실시예 7> DK17, DK176 및 DK180으로부터 지놈 DNA의 PFGE 분리Example 7 PFGE Separation of Genome DNA from DK17, DK176, and DK180

o-자일렌에서 성장하지 못하는 54개의 돌연변이 균주 중에서 흥미롭게도 DK176을 포함하는 49개의 돌연변이 균주는 동일한 표현형(초기 옥시제나제의 손실)을 나타낸다. 또한, 이러한 분류의 돌연변이 균주로부터는 복귀돌연변이체(revertant)를 얻을 수 없었다. 이는 DK17의 초기 옥시제나제 유전자가 플라스미드에 존재하며, UV에 의해 플라스미드가 손실된 것을 암시한다. 본 발명자들은 서로 다른 균주로부터 거대 플라스미드를 분리하기 위하여 지놈 DNA의PFGE(pulsed-field gel electrophoresis) 분석을 수행하였다.Of the 54 mutant strains that do not grow in o -xylene, interestingly, 49 mutant strains, including DK176, show the same phenotype (loss of early oxygenase). In addition, revertants could not be obtained from mutant strains of this classification. This suggests that the early oxygenase gene of DK17 is present in the plasmid and the plasmid is lost by UV. The present inventors performed PFGE (pulsed-field gel electrophoresis) analysis of genome DNA to separate large plasmids from different strains.

구체적으로, 지놈 DNA가 포함된 아가로스 플러그(plug)를 새키(Saeki) 방법을 조금 변형하여 준비하였다(Saeki et al.,Microbiology,1999, 145:1721-1730). 세균 배양액을 수확하고 이를 EET(0.1 M EDTA, 10 mM 에틸렌 글리콜-비스(β-아미노에틸 에테르)-N,N,N'N'-테트라아세트산, 10 mM Tris/HCl, pH 8.0)에 재 현탁하였고, 2.0%(w/v) 아가로스(low melting agrose)와 혼합하였다. 플러그를 라이소자임(2 ㎎/㎖), 프로테아제 K(2 ㎎/㎖) 및 소듐N-러로일사코신(0.5 ㎎/㎖)을 포함하는 TE 버퍼(50 mM Tris, 20 mM EDTA, pH 8.0)로 30℃에서 48시간 동안 배양한 후 1%(w/v) SDS를 포함하는 EET 버퍼를 사용하여 55℃에서 12시간 동안 배양하였다. 플러그를 TE 버퍼에서 3번 세척하고 동일한 버퍼에서 4℃로 보관하였다. PFGE는 바이오-래드사 시스템(Bio-Rad Laboratories CHEF DR III system)을 사용하여 수행하였다. 젤(0.5X TBE 버퍼[1X TBE는 89 mM 트리스 보레이트, 2.5 mM EDTA, pH 8.0]에서 1.0% 아가로스)은 14℃에서 6 V/㎝로 전기영동하였다. 펄스 지속은 16시간의 전기영동 동안 15에서 60초까지 증가시켰다.Specifically, agarose plugs containing genome DNA were prepared by slightly modifying the Saeki method (Saeki et al., Microbiology, 1999, 145: 1721-1730). Harvest bacterial culture and resuspend in EET (0.1 M EDTA, 10 mM ethylene glycol-bis ( β -aminoethyl ether) -N, N, N'N'- tetraacetic acid, 10 mM Tris / HCl, pH 8.0) And mixed with 2.0% (w / v) agarose (low melting agrose). Plug into TE buffer (50 mM Tris, 20 mM EDTA, pH 8.0) containing lysozyme (2 mg / ml), protease K (2 mg / ml) and sodium N -leroylsacocine (0.5 mg / ml) After incubation for 48 hours at 30 ℃ was incubated for 12 hours at 55 ℃ using EET buffer containing 1% (w / v) SDS. The plug was washed three times in TE buffer and stored at 4 ° C. in the same buffer. PFGE was performed using the Bio-Rad Laboratories CHEF DR III system. Gels (1.0% agarose in 0.5X TBE buffer [1X TBE was 89 mM tris borate, 2.5 mM EDTA, pH 8.0]) were electrophoresed at 14 V at 6 V / cm. Pulse duration increased from 15 to 60 seconds for 16 hours of electrophoresis.

그 결과,도 6에서 보는 바와 같이 본 발명의 로도코커스 속 균주 DK17은 적어도 2개의 거대 플라스미드, pDK1(약 380 Kb) 및 pDK2(약 330 Kb)를 포함하였다. 또한, 돌연변이 균주 DK176에서는 pDK2가 상실되어 있었다. 상기 결과는 초기 옥시제나제 및 메타-환 절단 옥시제나제에 대한 구조적 유전자들이 pDK2에 존재한다는 것을 나타낸다.As a result, as shown in Figure 6 Rhodococcus strain DK17 of the present invention contained at least two large plasmids, pDK1 (about 380 Kb) and pDK2 (about 330 Kb). In addition, pDK2 was lost in the mutant strain DK176. The results indicate that structural genes for early oxygenase and meta-ring cleavage oxygenase are present in pDK2.

상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 로도코커스 속 균주 DK17은 산업 활동 과정에서 자연환경에 유출되어 인체 및 생물체에 유해한 영향을 끼치고 나아가서는 환경오염을 일으키는 알킬벤젠 화합물, 페놀 화합물, 프탈레이트 화합물 또는 테르펜 화합물을 분해할 수 있는 특징을 가지고 있어, 상기 화합물에 의해 오염된 폐수, 하수 또는 토양 등에 상기 미생물을 적용하면 생분해 과정을 통하여 2차 환경오염 문제를 일으키지 않고 환경을 효율적으로 정화하는데 유용하게 사용될 수 있고, 이러한 생분해 과정에 관여하고 있는 주요 효소 및 유전자(예, aromatic oxygenase) 등은 고부가가치 화합물 생산을 위한 새로운 생물전환 (bioconversion) 시스템 개발에 응용될 수 있다.As described above, the Rhodococcus strain DK17 of the present invention is an alkylbenzene compound, a phenol compound, a phthalate compound or a terpene compound which is leaked into the natural environment during industrial activities and thus has a harmful effect on humans and organisms and further causes environmental pollution. Since the microorganism is applied to waste water, sewage or soil contaminated by the compound, it can be usefully used to efficiently clean the environment without causing secondary environmental pollution through biodegradation. Major enzymes and genes involved in this biodegradation process (eg aromatic oxygenase) can be applied to the development of new bioconversion systems for the production of high value-added compounds.

Claims (9)

알킬벤젠류 화합물, 페놀 화합물, 프탈레이트 화합물 또는 테르펜 화합물의 분해활성을 갖는 로도코커스 속(Rhodococcussp.) 균주 DK17(수탁번호 : KCCM 10332). Rhodococcus sp. Strain DK17 (Accession No .: KCCM 10332) having a decomposing activity of an alkylbenzene compound, a phenol compound, a phthalate compound or a terpene compound. 제 1항에 있어서, 상기 알킬벤젠류 화합물은o-자일렌, 에틸벤젠, 이소프로필벤젠, 프로필벤젠, 부틸벤젠, 펜틸벤젠, 헥실벤젠, 톨루엔 및 벤젠으로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 로도코커스 속 균주 DK17.The method of claim 1, wherein the alkylbenzene compounds are selected from the group consisting of o -xylene, ethylbenzene, isopropylbenzene, propylbenzene, butylbenzene, pentylbenzene, hexylbenzene, toluene and benzene Caucasus strain DK17. 제 1항에 있어서, 상기 페놀 화합물은 페놀,o-크레솔,m-크레솔 및p-크레솔로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 로도코커스 속 균주 DK17.The genus Rhodococcus strain DK17 according to claim 1, wherein the phenolic compound is selected from the group consisting of phenol, o -cresol, m -cresol and p -cresol. 제 1항에 있어서, 상기 프탈레이트 화합물은 프탈레이트 또는 테레프탈레이트인 것을 특징으로 하는 로도코커스 속 균주 DK17.The genus Rhodococcus strain DK17 according to claim 1, wherein the phthalate compound is phthalate or terephthalate. 제 1항에 있어서, 상기 테르펜 화합물은 리모넨인 것을 특징으로 하는 로도코커스 속 균주 DK17.The genus Rhodococcus strain DK17 according to claim 1, wherein the terpene compound is limonene. 제 1항의 로도코커스 속 균주 DK17을m-자일렌,p-자일렌 또는 1,2-디클로로벤젠과 함께 배양하여 2,4-디메틸리소시놀(2,4-dimethylresorcinol), 2,5-디메틸하이드로퀴논(2,5-dimethylhydroquinone) 또는 3,4-디클로로카테콜(3,4-dichlorocatechol)을 제조하는 방법.Rhodococcus strain DK17 of claim 1 was incubated with m -xylene, p -xylene or 1,2-dichlorobenzene to obtain 2,4-dimethylresorcinol, 2,5-dimethyl Method for preparing hydroquinone (2,5-dimethylhydroquinone) or 3,4-dichlorocatechol (3,4-dichlorocatechol). 제 1항의 로도코커스 속 균주 DK17을 UV로 돌연변이를 유발시키고 벤젠 또는 톨루엔의 분해활성을 갖는 로도코커스 속 균주 DK180.The Rhodococcus strain DK180 of claim 1, wherein the Rhodococcus strain DK17 is mutated by UV and has a degradation activity of benzene or toluene. 제 7항의 로도코커스 속 균주 DK180을o-자일렌 또는 톨루엔과 함께 배양하여 3,4-디메틸카테콜 또는 3-메틸카테콜 및 4-메틸카테콜을 제조하는 방법.A method for preparing 3,4-dimethylcatechol or 3-methylcatechol and 4-methylcatechol by incubating Rhodococcus strain DK180 of claim 7 with o -xylene or toluene. 제 1항의 로도코커스 속 균주 DK17을 함유하는 폐수, 하수 또는 토양 처리제.A wastewater, sewage or soil treatment comprising the Rhodococcus strain DK17 of claim 1.
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