KR20070082329A - Novel paenibacillus sp. hy-8 strain and xylanase isolated from it - Google Patents

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Abstract

A novel Paenibacillus sp. HY-8 strain and xylanase isolated from the same strain are provided to increase efficiency of fodder by decomposing cellulose in various plant fodder raw materials, so that the microorganism is useful as a fodder additive. The Paenibacillus sp. HY-8 strain(KCTC 10896BP) producing xylanase is isolated from insects. The xylanase is isolated from Paenibacillus sp. HY-8 strain(KCTC 10896BP), has the amino acid sequence of SEQ ID NO:5, and shows optimum activity at 45-60 deg.C and pH 6.0-6.5, and increased activity by addition of Ca, Zn, K, Mg, Na or Co. A gene encoding the xylanase has the nucleotide sequence of SEQ ID NO:4. A method for producing the xylanase comprises the steps of: (1) culturing Paenibacillus sp. HY-8 strain(KCTC 10896BP) or a microorganism transformed with a recombinant vector containing the xylanase gene, and centrifuging the cultured medium to obtain the supernatant containing coenzyme solution; (2) adding a precipitating agent into the coenzyme solution to induce precipitation of water-soluble proteins; and (3) centrifuging and purifying the precipitation-induced coenzyme solution, wherein the precipitating agent is ammonium sulfate, acetone, isopropanol, methanol, ethanol or polyethyleneglycol.

Description

신규한 패니바실러스 sp. HY-8 균주 및 이로부터 분리한 자일라나제{Novel Paenibacillus sp. HY-8 strain and xylanase isolated from it}New Fanibacilli sp. HV-8 strain and xylanase isolated therefrom [Novel Paenibacillus sp. HY-8 strain and xylanase isolated from it}

도 1은 패니바실러스 sp. HY-8(Paenibacillus sp. HY-8) 균주의 전자현미경 사진이고, 1 is a pannibacillus sp. Electron micrograph of the strain HY-8 ( Paenibacillus sp. HY-8),

도 2는 HY-8 균주로부터 분리한 자일라나제의 효소활성을 나타낸 그래프이고,2 is a graph showing the enzyme activity of xylanase isolated from HY-8 strain,

도 3은 HY-8 균주로부터 분리한 자일라나제를 컬럼 크로마토그래피로서 분리정제하는 과정과 아크릴아마이드 겔로 전기영동한 후 결과를 나타낸 그림이고,FIG. 3 is a diagram showing the results of the separation and purification of xylanase from HY-8 strain as column chromatography and electrophoresis with acrylamide gel. FIG.

도 4는 HY-8 균주로부터 분리한 자일라나제의 생화학적 특성을 나타낸 그래프이고,4 is a graph showing the biochemical properties of xylanase isolated from HY-8 strain,

도 5는 HY-8 균주로부터 분리한 자일라나제를 식물성 사료에 첨가했을 때, 자일란 분해에 의해 자일로즈가 생성되는 결과를 나타낸 그래프이다.Figure 5 is a graph showing the result of xylose generated by xylan decomposition when xylanase isolated from HY-8 strain is added to the plant feed.

본 발명은 신규한 패니바실러스 sp. HY-8(Paenibacillus sp. HY-8) 균주 및 상기 균주로부터 분리한 자일라나제(xylanase)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 곤충으로부터 분리한, 섬유소 분해능이 우수한 패니바실러스 sp. HY-8 균주 및 상기 균주로부터 분리한 자일라나제에 관한 것이다. The present invention is a novel F. ni. Sp. HY-8 ( Paenibacillus sp. HY-8) strain and xylanase (xylanase) isolated from the strain, and more specifically, isolated from insects, and excellent fibrinolytic ability of F. nirvana sp. HY-8 strain and xylanase isolated from said strain.

자일라나제(xylanase)는 미생물이 생산하는 다양한 효소 중의 하나로써, 헤미셀룰로즈(hemicellulose)의 주성분인 자일란(xylan)을 완전하게 분해하여 당화하기 위해서는 일반적으로 세 가지 종류의 효소 즉, 엔도자일라나제(endo-β-xylanase), 엑소자일라나제(exo-β-xylanase) 및 자일로시다제(β-xylosidase)가 함께 작용해야 하는 것으로 알려져 있으며 이들을 자일라나제계 효소로 통칭하고 있다 (Biely, P., Trends. Biotechnol., 3, 286-290, 1985). 현재 고급용지의 생산 및 폐지재생 (Beg, Q. 및 G. S. Hoondal., Appl. Micribiol. Biotechnol. 56, 326-338, 2001), 과일음료 및 맥주의 혼탁물 제거, 커피와 식물성 기름 및 전분의 추출 그리고 사료 효율 증대 등과 같이 다양한 용도로 사용되고 있다 (Bedford, M. R 및 Classen, H. L., Elsevier Amsterdam, 361-370, 1992; Wong, K. K. Y 및 Saddler, J. N.,Crit. Rev. Biotechnol. 12, 413-435, 1992). 최근에는 사료첨가용 효소로서 자일라나제의 유용성이 증대되고 있는데 이는 동물의 에너지 대사에 필요한 탄수화물과 소량의 단백질을 공급하는 사료용 곡물은 대부분의 동물이 이용하지 못하는 섬유질을 함유하고 있는데 자일라나제가 이 섬유질을 분해할 수 있기 때문이다. Xylanase is one of a variety of enzymes produced by microorganisms. To completely decompose and glycosylate xylan, the main component of hemicellulose, three types of enzymes, namely, endozylanase (endo-β-xylanase), exo-β-xylanase and xylosidase (β-xylosidase) are known to work together, these are collectively referred to as xylanase enzymes (Biely, P ., Trends. Biotechnol., 3 , 286-290, 1985). Production and Waste Reclamation of High-Quality Paper (Beg, Q. and GS Hoondal., Appl. Micribiol. Biotechnol . 56, 326-338, 2001), Destroying Fruit Beverages and Beer, Extracting Coffee and Vegetable Oil and Starch And for a variety of applications, such as increasing feed efficiency (Bedford, M. R and Classen, HL, Elsevier Amsterdam , 361-370, 1992; Wong, KK Y and Saddler, JN, Crit. Rev. Biotechnol . 12, 413- 435, 1992). Recently, the availability of xylanase as a feed additive is increasing, which means that feed grains that provide carbohydrates and small amounts of protein for animal energy metabolism contain fiber that most animals do not use. This is because the fiber can be broken down.

곡물중의 섬유질은 비전분성 다당류(nonstarch polysaccharides)와 리그닌 (lignin)으로 구성되며, 식물의 세포벽은 세포의 제일 바깥쪽의 셀룰로즈(cellulose) 층과 그 내부의 알곡 전체를 감싸며 자일란(xylan)이 주성분인 헤미셀룰로즈(hemicellulose) 및 베타-글루칸으로 구성된 비전분성 다당류와 리그닌이 합쳐져 이루어진다. 상기 비전분성 다당류는 가축의 소화효소에 의해 분해되지 않을 뿐만 아니라 곡물 중의 전분이나 단백질을 감싸고 있기 때문에 가축이 영양소를 이용하는 효율을 떨어뜨린다. 특히, 밀과 호밀의 세포벽에 다량 함유되어 있는 수용성 자일란은 소화관내에서 수분을 빨아들여 끈적끈적한 겔 상태가 되어 소화 효소가 영양소로 접근하는 것을 방해하고, 소화관 내 소화물의 흐름을 저해함에 따라, 미생물이 소화물에 부착하면서 이상발효를 일으켜 영양분의 손실을 가져오게 된다 (Kuhad, R. C. 및 Singh, A., Crit. Rev. Biotechnol. 13, 151-172, 1993). The fiber in the grain is composed of nonstarch polysaccharides and lignin, and the cell wall of the plant covers the outermost layer of cellulose and the whole grain inside the cell, with xylan being the main ingredient. A combination of lignin and non-starchy polysaccharides consisting of phosphorus hemicellulose and beta-glucan. The non-starch polysaccharide is not only degraded by the digestive enzymes of the livestock, but also encapsulates the starch or protein in the grain, thereby reducing the efficiency of the livestock using nutrients. In particular, the water-soluble xylan contained in the cell walls of wheat and rye absorbs moisture in the digestive tract and becomes a sticky gel, which prevents digestive enzymes from accessing nutrients and inhibits the flow of digestive products in the digestive tract. Adherence to the digest leads to abnormal fermentation resulting in loss of nutrients (Kuhad, RC and Singh, A., Crit. Rev. Biotechnol . 13, 151-172, 1993).

따라서, 자일라나제(xylanase)를 곡물 사료에 첨가하면 알곡을 감싸고 있는 헤미셀룰로즈 층을 가수분해하여 알곡내에 있는 영양분의 이용성을 높일 뿐만 아니라 가축의 장내 소화물의 상태를 개선시킬 수 있다. 특히, 헤미셀룰로즈 함량이 높은 소맥제품을 사료로 사용할 경우 가축에 연변이나 적리 현상이 일어나기 쉬운데 자일라나제는 이러한 현상을 예방할 수 있고, 사료로서의 가치를 높일 뿐 아니라 아니라 소맥제품의 품질의 편차를 개선하여 소맥제품을 안정적인 사료원료로 사용할 수 있게 하므로 사료첨가용 효소로 그 가치가 높다. 또한, 최근 선진국뿐 아니라 생활환경과 소득이 개선된 많은 국가의 국민들의 육류소비가 늘고 있어 자일라나제는 돼지나 닭과 같은 단위(單胃)동물의 사료첨가용 효소로 매우 중요하게 취급되고 있다 (Bedford. M. R., Animal Feed Science and Technology. 53, 145-155, 1995). Therefore, the addition of xylanase to the grain feed can hydrolyze the hemicellulose layer surrounding the grains, thereby increasing the availability of nutrients in the grains and improving the condition of the intestinal digest of livestock. In particular, when wheat products with high hemicellulose content are used for feed, it is easy to cause stool or redness in livestock. Xylanase can prevent this phenomenon and increase the value as a feed and also improve the quality variation of wheat products. As it enables wheat products to be used as a stable feedstock, its value is high as a feed additive enzyme. In addition, as the consumption of meat is increasing not only in developed countries but also in many countries with improved living conditions and incomes, xylanase is considered to be a very important enzyme as a feed additive for unit animals such as pigs and chickens. (Bedford. MR, Animal Feed Science and Technology . 53, 145-155, 1995).

지금까지 보고된 사료 첨가용 자일라나제의 생산에 사용되고 있는 미생물은 곰팡이를 들 수 있으며 곰팡이 중에서도 트리코더마(Trichoderma) 속 균주들이 주로 이용되어 왔는데 이들의 효소 생산성은 자일라나제를 생산하는 세균의 효소 생산성에 비해 대체로 우세하며 주로 산성조건에서 최대 활성을 나타낸다 (Tenkanen, H. 및 Poutanen, K., Enzyme. Microb. Technol. 14, 566-574, 1992). 그러나, 돼지나 닭의 소화기관의 생리적 조건은 부위별로 다르지만 자일라나제가 작용해야 할 소장 이후의 pH 조건은 6.5 부근이다. 따라서, pH 5.0 부근에서 활성이 높은 곰팡이 유래의 자일라나제보다는 산도가 중성 부근의 조건에서 활성이 높은 자일라나제가 사료첨가용 효소로 요구되고 있는 실정이다. 중성 부근에서 활성이 높은 산도를 가진 자일라나제를 생산하는 세균으로는 애로모나스(Aeromonas) 속, 바실러스(Bacillus) 속, 클로스트리디움(Clostridium) 속, 스트렙토마이세스(Streptomyces) 속 등에 속하는 다양한 종류의 세균이 있으며, 세균에 따라 생산하는 자일라나제의 반응특성도 다양하다. 또한, 상기에서 언급한 자일란(xylan)은 목초 헤미셀룰로즈에서는 30%의 당으로 구성되어 있으며, 콩과류 헤미셀룰로즈에서는 20%의 당으로 구성되어 있다. 콩과류 사료의 헤미셀룰로즈가 목초의 헤미셀룰로즈보다 더욱 복잡한 당복합체로 구성되어 있기 때문에 이를 분해하기 위해서 좀 더 복잡한 효소적 분해과정이 요구되고 있으므로 자일라나제와 같은 사료 첨가물의 개발이 더 절실히 요구된다. The microorganisms used to produce xylanase for feed addition have been reported to be fungi. Among the fungi, strains of Trichoderma genus have been mainly used, and their enzyme productivity is the enzyme productivity of bacteria that produce xylanase. It is generally superior to, and exhibits maximum activity mainly in acidic conditions (Tenkanen, H. and Poutanen, K., Enzyme. Microb. Technol . 14, 566-574, 1992). However, although the physiological conditions of the digestive tract of pigs and chickens vary from site to site, the post-intestine pH condition at which xylanase should act is around 6.5. Therefore, xylanase having a high activity in acidic conditions near neutral than xylanase derived from mold having high activity near pH 5.0 is required as an enzyme for feed addition. Bacteria producing xylene Rana claim having a high activity pH near neutral is difficulty Pseudomonas (Aeromonas) genus Bacillus (Bacillus) genus, Clostridium (Clostridium) genus Streptomyces (Streptomyces) variety belonging like in There are bacteria, and the reaction characteristics of xylanase produced by the bacteria also vary. In addition, the above-mentioned xylan is composed of 30% sugar in grass hemicellulose and 20% sugar in legume hemicellulose. Since hemicellulose in legume feed consists of more complex glycocomplex than herb hemicellulose, more complicated enzymatic digestion process is required to decompose it, so the development of feed additives such as xylanase is urgently needed. do.

현재 알려진 국내의 자일라나제 관련 특허로는 자일라나제를 생산하는 신규 한 스트렙토마이세스 속 WL-2 균주에 대한 특허(대한민국 공개특허 2001-0111986), 고초균 유래 엔도자일라나제의 신호서열 유전자를 포함한 재조합 플라스미드 및 그를 이용한 외래단백질의 제조방법에 관한 특허(대한미국 공개특허 2000-0034279), 바실러스 속 AMX-4 (Bacillus sp. AMX-4) 균주의 자일라나제(xylanase)를 코드하는 신규한 자일라나제 유전자(대한민국 공개특허 2003-0085679) 등이 있으나 실제로 국내에서 사료첨가물 등으로 사용되지 못하고 있는 실정이다.Currently known domestic xylanase-related patents include a patent for a novel Streptomyces genus JL-2 strain that produces xylanase (Korean Patent Laid-Open Patent 2001-0111986), a signal sequence gene of Bacillus subtilis endozylanase. Patent for a recombinant plasmid containing the method and a method for producing a foreign protein using the same (Korean Patent Laid-Open Publication No. 2000-0034279), a novel coding for xylanase of Bacillus sp. AMX-4 strain There is a xylanase gene (Korean Patent Publication No. 2003-0085679), but the situation is not actually used as feed additives in Korea.

한편, 곤충은 지구상에서 가장 번성한 생물군으로서 다양한 먹이습성과 높은 생물학적 다양성을 나타내고 있다. 최근 들어, 이러한 곤충의 생물특성을 고려한 곤충의 공생 미생물을 유용한 생물자원으로 활용하고자 하는 연구가 증가되고 있으며, 특히 곤충의 생육과 밀접한 관련이 있는 장내 미생물에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 실례로, 장내 미생물이 흰개미의 소화 및 영양에 관여하고 있다는 연구 (Breznak, J. A. 및 A. Brune., Ann. Rev. Entomoi. 39, 453-457, 1994)와 동물성 먹이를 포식하는 무당거미로부터 고효율의 단백질 분해효소 생산 균주를 분리하여 산업적으로 응용하고 있는 사례 (Lee, G. E. 및 H. Y. Park., Kor. J. Microbiol. 40, 269-274, 2004), 그리고 나비목, 딱정벌레목을 포함하는 여러 가지 곤충에서 분자생물학적 기법을 활용한 장내 미생물의 생태적 연구들이 발표되고 있다 (Markus, E 및 Friedrich, W., Appl. Environ. Microbiol. 69, 6659-6668. 2003; Nichole, A. 및 Handelsman, J., Appl. Environ. Microbiol. 70, 293-300, 2004). Insects, on the other hand, are the most flourishing biomes on the planet, showing a variety of food habits and high biodiversity. Recently, researches on utilizing the symbiotic microorganisms of insects in consideration of the biological characteristics of these insects as useful biological resources have been increasing, and researches on the intestinal microorganisms, which are closely related to the growth of insects, have been actively conducted. For example, studies have shown that intestinal microorganisms are involved in the digestion and nutrition of termites (Breznak, JA and A. Brune., Ann. Rev. Entomoi . 39, 453-457, 1994) and high efficiency from sugarless spiders that feed on animal food. Isolation of Protease-producing Strains for Industrial Application (Lee, GE and HY Park., Kor. J. Microbiol. 40, 269-274, 2004), and various insects including Lepidoptera and Coleoptera Ecological studies of intestinal microorganisms using molecular biological techniques have been published (Markus, E and Friedrich, W., Appl. Environ. Microbiol . 69, 6659-6668. 2003; Nichole, A. and Handelsman, J., appl. Environ. Microbiol. 70, 293-300, 2004).

이에, 본 발명자들은 식물의 잎이나 목피 등 자일란이 풍부한 식물을 먹이로 하는 다수의 곤충으로부터 고효율의 자일라나제 생산 균주를 선별하여 이로부터 분리된 자일라나제를 식물성 사료 원료에 처리한 후 환원당의 증가를 확인함으로써 본 발명을 완성하였다. Accordingly, the present inventors screened high-efficiency xylanase producing strains from a number of insects that feed on xylan-rich plants such as leaves and bark of plants, and treated the xylanase isolated therefrom to the plant feed material to reduce the sugar content. The present invention was completed by confirming the increase.

본 발명의 목적은 자일란이 풍부한 식물체를 먹이로 하는 곤충으로부터 선별한 패니바실러스 sp. HY-8 균주로부터 생산되는 자일라나제를 분리, 정제하여 식물성 사료 및 저급사료에 처리하여 사료효율을 증가시키는 것이다.An object of the present invention is selected from insects that feed on plants rich in xylans. It is to increase the feed efficiency by separating and purifying xylanase produced from the HY-8 strain and treating it with vegetable feed and low grade feed.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 신규한 패니바실러스 sp. HY-8(Paenibacillus sp. HY-8) 균주를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention is a novel Fanibacillus sp. HY-8 ( Paenibacillus sp. HY-8) strain is provided.

또한, 본 발명은 상기 균주로부터 생산되는 신규한 자일라나제 효소 및 이를 코딩하는 유전자를 제공한다.The present invention also provides a novel xylanase enzyme produced from the strain and a gene encoding the same.

또한, 본 발명은 패니바실러스 sp. HY-8 균주를 이용하여 자일라나제를 생산하는 방법을 제공한다.In addition, the present invention is Penicillus sp. Provided are methods for producing xylanase using the HY-8 strain.

아울러, 본 발명은 패니바실러스 sp. HY-8 균주를 포함하는 자일란 분해 증진용 사료첨가제를 제공한다.In addition, the present invention is Penicillus sp. Provided is a feed additive for improving xylan degradation including the HY-8 strain.

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

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 신규한 패니바실러스 sp. HY-8(Paenibacillus sp. HY-8) 균주를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention is a novel Fanibacillus sp. HY-8 ( Paenibacillus sp. HY-8) strain is provided.

본 발명의 미생물은 60여 종의 곤충 내장으로부터 세균 분리용 배지에 도말하여 형성된 세균 콜로니를 귀리 자일란이 함유된 제한 배지에 접종하여 배양한 후 배양상등액을 조효소액으로 사용하여 귀리 자일란의 분해능이 가장 우수한 균주를 선별하여 자일라나제를 생산하는 미생물을 선별하였다. 선별한 균주의 특성을 분석한 결과, 그람포지티브 간균(Gram-positive bacilli)으로 편모는 가지고 있지 않으며(도 1 참조) 16S rDNA의 부분 염기서열을 결정한 결과(서열번호 1), 패니바실러스 파불리, 패니바실러스 아밀리티쿠스 등의 균주와 98-99% 이상의 높은 상동성을 나타냄을 확인하였다. 이에 따라, 본 균주를 패니바실러스 sp.에 속하는 균주로 동정하여 “패니바실러스 sp. HY-8”로 명명하고 상기 균주는 2006년 1월 17일자로 국제기탁기관인 한국생명공학연구원 내 유전자은행에 기탁하였다(기탁번호; KCTC 10896BP).The microorganism of the present invention was inoculated with bacterial colonies formed by smearing a medium for separating bacteria from about 60 kinds of insect guts into a culture medium containing oat xylan, followed by culturing, and the culture supernatant was used as a coenzyme solution. Excellent strains were selected to select microorganisms that produce xylanase. Analysis of the characteristics of the selected strains, Gram-positive bacilli (Gram-positive bacilli) do not have flagella (see Fig. 1), the result of determining the partial sequence of the 16S rDNA (SEQ ID NO: 1), the Fanibacillus Pabuli, It was confirmed that it exhibits a high homology of 98-99% or more with strains such as Fanibacilli militicus. Accordingly, this strain was identified as a strain belonging to the F. ni. Sp. HY-8 ”and the strain was deposited on January 17, 2006 to the Gene Bank of Korea Biotechnology Research Institute, an international depository institution (accession number; KCTC 10896BP).

또한, 본 발명은 상기 균주로부터 생산되는 신규한 자일라나제 효소 및 이를 코딩하는 유전자를 제공한다.The present invention also provides a novel xylanase enzyme produced from the strain and a gene encoding the same.

본 발명자들은 분리, 동정한 패니바실러스 sp. HY-8 균주를 귀리 자일란을 포함하는 액체배지에서 배양한 후, 침전제(예: 황산암모늄)를 넣어 수용성 단백질을 침전시키고 이를 투석막으로 투석 후 컬럼으로 정제하여 자일라나제를 수득하였 다 (도 3 b,c). 순수분리된 자일라나제의 귀리 자일란에 대한 특이적인 활성은 147.8 U/mg이었으며, 회수율 19.5%, 순수분리 26.9 배로 측정되었다(표 1 참조).The inventors have isolated and identified Fanibacilli sp. After culturing the HY-8 strain in a liquid medium containing oat xylan, a precipitant (eg, ammonium sulfate) was added to precipitate a water-soluble protein, which was dialyzed with a dialysis membrane and purified by a column to obtain xylanase (FIG. 3). b, c). The specific activity of purely isolated xylanase against oat xylan was 147.8 U / mg, with a recovery of 19.5% and 26.9 times pure separation (see Table 1).

상기와 같이, 순수 분리한 자일라나제를 폴리아크릴아마이드 겔 전기영동법으로 분자량을 측정하고 (도 3a 참조) 순수분리 된 단백질을 트립신으로 처리한 다음 MS/MS 분석과 database 검색을 통하여 높은 상동성을 나타내는 다른 세균성 자일라나제를 탐색하고 이들 세균성 자일라나제의 비교를 통하여 상동성이 높은 부분을 기준으로 축퇴 프라이머(degenerate primer)를 제작하였으며 PCR과 DNA walking 기법을 활용하여 633개의 염기로 이루어진 자일라나제의 전사 해독틀을 갖는 211개의 아미노산 잔기로 구성된 분자량 22.9 kDa의 단백질(서열번호 4 및 5)을 규명하였다. As described above, the molecular weight of the purely isolated xylanase was measured by polyacrylamide gel electrophoresis (see FIG. 3A), and the purely isolated protein was treated with trypsin, followed by high homology through MS / MS analysis and database search. Degenerate primers were prepared based on high homology by searching for other bacterial xylanases and comparing these bacterial xylanases, and using 633 bases of xylana using PCR and DNA walking techniques. Proteins having a molecular weight of 22.9 kDa (SEQ ID NOs: 4 and 5) consisting of 211 amino acid residues having a transcriptional transcription framework were identified.

패니바실러스 sp. HY-8 균주가 생산하는 자일라나제는 세균성 자일라나제로 알려진 에로모나스 푼타타(Aeromonas punctata) 자일라나제와 88%의 가장 높은 아미노산 서열 상동성을 보였고, 지오바실러스 스테아로서모필러스(Geobacillus stearothermophillus) 및 패니바실러스 폴리믹사(Paenibacilus polymyxa)의 엔도-베타-1,4-자일라나제와 각각 88%, 87%의 상동성을 보이는 신규한 자일라나제로 밝혀졌다.Fanibacilli sp. Xylanase produced by the HY-8 strain showed the highest amino acid sequence homology of 88% with Aeromonas punctata xylanase, known as bacterial xylanase, and Geobacillus stearothermophillus . And novel xylanases showing 88% and 87% homology with endo-beta-1,4-xylanase from Paenibacilus polymyxa , respectively.

본 발명에서는 상기와 같이, 패니바실러스 sp. HY-8 균주로부터 분리한 자일라나제를 코딩하는 유전자의 염기서열을 밝혔으므로 당업계 공지된 통상의 방법을 이용하면 상기 유전자를 포함하는 재조합 벡터 및 재조합 벡터가 도입된 형질전환체를 제작할 수 있다.In the present invention, as described above, Fanibacillus sp. Since the nucleotide sequence of the gene encoding the xylanase isolated from the HY-8 strain has been revealed, a recombinant vector containing the gene and a transformant into which the recombinant vector is introduced can be prepared using conventional methods known in the art. .

이어, 자일라나제의 최적 반응조건을 조사한 결과, 온도조건은 46℃ 내지 60℃ 바람직하게는 50℃에서 최대 활성을 나타내었으며 산도는 pH 6.0-6.5에서 최대 활성을 나타내어 중성 pH에서도 활성이 높은 자일라나제임을 확인하였다(도 4a 및 4b 참조) 열에 대한 안정성을 조사하기 위하여 온도와 시간을 달리하며 정제 효소액을 각 온도에서 30분간 처리 후 잔존 효소활성을 측정한 결과, 50℃보다 낮은 온도에서는 효소활성이 안정하게 유지됨을 확인하였다(도 4c 참조). 또한, 총 9 종류의 금속이온을 첨가하였을때, 자일라나제의 활성은 Fe2+이온과 Cu2+이온의 첨가 시 활성이 감소되었으나, Ca, Zn, K, Mg, Na 등의 첨가 시에는 활성이 대체적으로 증가하였고, 특히 코발트 이온 존재 시 효소활성이 2배 이상 증가함을 확인하였다(도 4d 참조).Subsequently, as a result of investigating the optimum reaction conditions of xylanase, the temperature condition showed the maximum activity at 46 ℃ to 60 ℃ preferably 50 ℃ and the acidity showed the maximum activity at pH 6.0-6.5 so that the high activity even at neutral pH It was confirmed that it is lanase (see FIGS. 4A and 4B). In order to investigate the stability to heat, the enzyme activity was measured after varying the temperature and time and the purified enzyme solution was treated for 30 minutes at each temperature. It was confirmed that the activity remained stable (see FIG. 4C). In addition, when 9 kinds of metal ions were added, the activity of xylanase decreased when Fe 2+ and Cu 2+ ions were added, but when Ca, Zn, K, Mg, Na, etc. were added The activity was generally increased, especially in the presence of cobalt ions, the enzyme activity was confirmed to increase more than two times (see Figure 4d).

또한, 본 발명은 In addition, the present invention

1) 자일란을 포함하는 배지에서 제 1항의 패니바실러스 sp. HY-8 균주 또는 형질전환체를 배양한 후 원심분리하여 상층액인 조효소액을 수득하는 단계;1) In the medium containing xylan, claim 1 of the Pannibacillus sp. Culturing the HY-8 strain or the transformant followed by centrifugation to obtain a supernatant crude enzyme solution;

2) 단계 1에서 수득된 조효소액에 침전제를 가하여 수용성 단백질 침전을 유도하는 단계; 및2) adding a precipitant to the coenzyme liquid obtained in step 1 to induce water-soluble protein precipitation; And

3) 단계 2에서 침전을 유도한 조효소액을 원심분리 및 정제하는 단계를 포함하는 자일라나제 생산방법을 제공한다.3) It provides a xylanase production method comprising the step of centrifugation and purification of the crude enzyme solution induced precipitation in step 2.

단계 2의 침전제로는 황산 암모늄, 아세톤, 아이소프로판올, 메탄올, 에탄 올, 폴리에틸렌글리콜 등이 사용될 수 있다. As the precipitant of step 2, ammonium sulfate, acetone, isopropanol, methanol, ethanol, polyethylene glycol and the like may be used.

아울러, 본 발명은 패니바실러스 sp. HY-8 균주를 포함하는 자일란 분해 증진용 사료첨가제를 제공한다.In addition, the present invention is Penicillus sp. Provided is a feed additive for improving xylan degradation including the HY-8 strain.

본 발명의 자일라나제가 식물성 사료에 대한 첨가제로 적합한지를 조사하기 위해서, 자일란이 풍부한 식물성 사료인 대두박, 면실박, 채종박, 배아박, 소맥피, 대두, 야자박 및 루핀종실을 대상으로 본 발명의 자일라나제 처리 후, 효소활성에 의해 생성된 환원당의 양을 분석하였다. 그 결과, 대부분의 식물성 사료에 대해 자일란의 분해에 의한 환원당의 생성에 효과가 있음을 확인할 수 있었다. 음성 대조군으로는 효소를 첨가하지 않은 시험군에 대해 환원당을 조사한 다음 처리군에서 그 양을 빼는 방법으로 순수 자일라나제에 의해 생성된 환원당을 측정하였으며, 비교 대조군으로는 트리코더마(Trichoderma) 유래의 자일라나제를 동일 유니트로 첨가하여 처리군과 동일한 방법에 의해 생성된 환원당의 양을 측정하였다. 그 결과 도 5에서 보는 바와 같이, 본 발명의 패니바실러스 sp. HY-8 유래의 자일라나제는 면실박, 소맥피, 대두, 대두박, 야자박 및 루핀 등의 식물성 사료성분에 대해 대조군보다 우수한 자일란의 분해효과를 나타내었으며, 배아박에 대해서는 비교 대조군과 유사한 분해효과를 보였고, 채종박의 경우 비교 대조군이 조금 더 우수한 분해효과를 보였다(도 5 참조). 상기의 결과로부터 본 발명의 자일라나제는 자일란 분해를 촉진함으로써 식물성 사료를 포함하는 사료의 첨가제로 사용 가능함을 확인하였다.In order to investigate whether the xylanase of the present invention is suitable as an additive for vegetable feed, the present invention is applied to soybean meal, cottonseed meal, rapeseed gourd, embryo gourd, soybean meal, soybean, palm gourd and lupine seed which are rich in xylan After xylanase treatment, the amount of reducing sugar produced by enzymatic activity was analyzed. As a result, it was confirmed that most of the vegetable feed is effective in the production of reducing sugar by decomposition of xylan. As a negative control, the reducing sugar produced by pure xylanase was measured by irradiating the reducing sugar with respect to the test group without addition of the enzyme, and then subtracting the amount from the treated group. As a comparative control, xyl derived from Trichoderma Lanase was added in the same unit to measure the amount of reducing sugar produced by the same method as the treatment group. As a result, as shown in Figure 5, the Fanibacillus sp. Xylanase derived from HY-8 showed better decomposition of xylan than the control for vegetable feed components such as cottonseed, wheat buckwheat, soybean, soybean meal, palm and lupine. In the case of chaejongbak, the comparative control showed a slightly better degradation effect (see Figure 5). From the above results, it was confirmed that the xylanase of the present invention can be used as an additive of feed containing plant feed by promoting xylan decomposition.

이하, 본 발명을 실시예에 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 실시예에 의해서 한정되지는 않는다.However, the following examples are merely illustrative of the present invention, and the content of the present invention is not limited by the examples.

<실시예 1> 균주 분리 및 선별Example 1 Strain Isolation and Screening

본 발명자들은 자일라나제(xylanase)를 생산하는 세균의 분리를 위하여 대전 인근 야산에서 채집한 털두꺼비하늘소를 70%(w/w) 에탄올에 1-2분 정도 침지하여 충체표면의 오염원을 제거한 후, 충체에 묻어 있는 에탄올을 제거하기 위하여 멸균된 증류수로 2번 세척하였다. 세척한 충체는 해부한 후 핀셋으로 내장을 꺼내어 생리식염수(Phospate-buffered saline; 0.8% NaCl, 0.02% KCl, 0.144% Na2HPO4, 0.024% KH2PO4)에 넣고 분쇄하였으며, 여기서 수득한 추출물을 0.5% 귀리 자일란(Sigma Chem. Co.)을 첨가한 고체배지(5g/L yeast extract, 10g/L tryptone, 5g/L sodium chloride. 20g/L agar)에 도말하여 25℃에서 2일간 배양 후 Congo-red 염색법(Theater, R. M. 및 Wood, P. J., Appl. Environ. Microbiol. 43, 777-780, 1982)을 통해 자라난 콜로니 주변에 투명환(plaque)을 형성하는 균주를 1차적으로 선별하였다. The inventors of the present invention immersed for about 1 minute in 70% (w / w) ethanol for 1 minute to 70% (w / w) ethanol to remove the contaminant surface of the filling surface for the separation of bacteria producing xylanase (xylanase) In order to remove the ethanol from the carcass, it was washed twice with sterile distilled water. After washing, the carcasses were dissected and the intestines were taken out with tweezers and pulverized in physiological saline (Phospate-buffered saline; 0.8% NaCl, 0.02% KCl, 0.144% Na 2 HPO 4 , 0.024% KH 2 PO 4 ). The extract was spread on a solid medium (5 g / L yeast extract, 10 g / L tryptone, 5 g / L sodium chloride. 20 g / L agar) to which 0.5% oat xylan (Sigma Chem. Co.) was added and incubated at 25 ° C for 2 days. Strains that form plaque around colonies grown after congo-red staining (Theater, RM and Wood, PJ, Appl . Enviro n. Microbiol . 43, 777-780, 1982) It was.

상기의 방법으로 1차 선별된 균주들을 0.5% 귀리 자일란이 함유된 제한 배지(K2HPO4 7g/L, KH2PO4 2g/L, (NH4)2SO4 1g/L, MgSO4ㆍ7H2O 1.1g/L, 효모 추출물 0.6g/L) 3 ml에 접종하여 25℃의 진탕 배양기에서 48시간 배양 및 원심분리한 후 상등액을 회수하여 자일라나제 활성을 측정하고, 그 중 자일라나제 활성이 가장 우수한 균주를 최종적으로 선별하였다. 효소 활성은 DNS(dinitrosalicylic acid) 정량법(Miller, G. L., Anal. Chem., 55, 952-959, 1959)을 사용하였고, 구체적으로는 100㎕의 효소용액에 100㎕의 기질용액(1% 귀리 자일란이 포함된 50 mM 인산나트륨용액, pH 6.0)을 넣고 50℃에서 10분간 반응시킨 후 700㎕의 DNS(3,5-Dinitrosalicylic acid) 용액을 첨가한 다음 100℃에 5분간 처리한 후 흡광도 540 nm에서 측정하였다. 효소의 1유니트(unit)는 1분 동안에 1μmol의 환원당을 방출시키는 효소양으로 정하였다. Restriction medium containing 0.5% oat xylan was first selected by the above method (K 2 HPO 4 7g / L, KH 2 PO 4 2g / L, (NH 4 ) 2 SO 4 1g / L, MgSO 4 7H 2 O 1.1g / L, yeast extract 0.6g / L) inoculated in 3 ml and incubated for 48 hours in a shaking incubator at 25 ℃ and centrifuged to recover the supernatant to measure the xylanase activity, of which xylana The strain with the highest activity was finally selected. Enzyme activity was determined by DNS (dinitrosalicylic acid) assay (Miller, GL, Anal . Chem ., 55, 952-959, 1959), specifically 100 μl of enzyme solution in 100 μl of enzyme solution (1% oat xylan). Add 50 mM sodium phosphate solution, pH 6.0, and react for 10 minutes at 50 ° C., add 700 μl of DNS (3,5-Dinitrosalicylic acid) solution, and then treat the solution at 100 ° C. for 5 minutes, and then absorb 540 nm. Measured at One unit of enzyme was defined as the amount of enzyme that releases 1 μmol of reducing sugar in one minute.

<실시예 2> 균주 동정 및 특성 분석Example 2 Strain Identification and Characterization

본 발명자들은 상기 실시예 1에서 분리한 가장 높은 활성을 지닌 자일라나제를 생산하는 균주를 25℃에서 배양한 후 그람염색(gram staining) 및 포자염색(spore staining)(Cappuccino 및 Sherman, Microbiology a laboratory manual, 2nd edition, The Benjamin/Cummings Publishing Co.)을 실시한 결과, 포자를 생성하며 그람 양성균으로 확인되었다. 전자현미경으로 그 형태를 관찰한 결과, 도 1에서 볼 수 있듯이 1.1 ㎛의 세포크기와 2.5 ㎛ 내지 4 ㎛의 세포길이를 갖는 막대형(rod)이었으며 편모를 가지는 않는 운동성이 없는 간균으로 나타났다. 또한, 균주의 16S rDNA 염기서열 결정을 위하여 균주의 게놈 DNA를 분리하였으며(DNeasy Tissue kit, Qiagen) PCR을 위한 반응물은 다음과 같은 조성으로 50 ul의 반응을 실시하였 다. 1㎕의 전체 DNA (50-200ng/ul)에 10배의 Taq DNA 중합효소 완충액(MgCl2 첨가) 5㎕, 2.5mM의 dNTPs(dATP, dTTP, dCTP, dGTP) 5㎕, 3.2pmol의 정방향 프라이머(서열번호 6 및 7)를 각각 5㎕, 1-2 단위의 Taq DNA 중합효소(Promega, USA)를 첨가하여 최종 50ul 반응액이 되도록 증류수를 더하였다. 프라이머들은 진핵세균의 16S rDNA 부위에 해당하는 1465 bp의 뉴클레오티드 증폭을 위해 합성하였다. PCR 반응은 94℃에서 5분간의 변성(denaturation)을 수행한 후 94℃에서 30초의 변성, 65℃에서 30초의 어닐링(annealing), 72℃에서 3분의 연장(extension)을 30회 반복한 후 마지막으로 72℃에서 7분간 연장으로 마무리하고 4℃에서 유지되었다. The present inventors incubated the strain producing the highest activity xylanase isolated in Example 1 at 25 ° C., followed by gram staining and spore staining (Cappuccino and Sherman, Microbiology a laboratory manual, 2nd edition, The Benjamin / Cummings Publishing Co.) produced spores and was identified as Gram-positive bacteria. As a result of observing the morphology with an electron microscope, as shown in Figure 1, it was a rod having a cell size of 1.1 μm and a cell length of 2.5 μm to 4 μm. In addition, the genomic DNA of the strain was isolated to determine the 16S rDNA nucleotide sequence of the strain (DNeasy Tissue kit, Qiagen) and the reaction for PCR was 50 ul of the reaction with the following composition. 5 μl of 10-fold Taq DNA polymerase buffer (MgCl 2 added) to 1 μl of total DNA (50-200 ng / ul), 5 μl of 2.5 mM dNTPs (dATP, dTTP, dCTP, dGTP), forward of 3.2 p mol 5 μl of primers (SEQ ID NOs: 6 and 7) and 1-2 units of Taq DNA polymerase (Promega, USA) were added, and distilled water was added to the final 50ul reaction solution. Primers were synthesized for nucleotide amplification of 1465 bp corresponding to the 16S rDNA site of eukaryotic bacteria. PCR reaction was performed after 5 minutes of denaturation at 94 ° C, followed by 30 seconds of denaturation at 94 ° C, 30 seconds of annealing at 65 ° C, and 3 minutes of extension at 72 ° C. Finally it was finished by extension at 72 ° C. for 7 minutes and kept at 4 ° C.

그 결과 확보된 증폭단편의 부분염기서열을 결정하고 GenBank database 검색 결과, 패니바실러스 파블리, 패니바실러스 아밀리티쿠스 등의 균주와 98-99% 이상의 높은 상동성을 나타냄을 확인하였고, 본 균주를 패니바실러스 sp.에 속하는 것으로 동정하였으며 패니바실러스 sp. HY-8로 명명하였다. 상기 패니바실러스 sp. HY-8 균주는 2006년 1월 17일자로 국제기탁기관인 한국생명공학연구원 내 유전자 은행에 기탁하였다(기탁번호; KCTC 10896BP).As a result, the partial base sequence of the obtained amplified fragment was determined, and the genBank database search result showed that it showed a high homology of 98-99% or more with the strains of Fanibacillus Pavli and Fanibacillus amiliticus. Was identified as belonging to Bacillus sp. Named HY-8. Said Fanibacillus sp. The HY-8 strain was deposited on January 17, 2006 to the Gene Bank of Korea Research Institute of Bioscience and Biotechnology (Accession No .; KCTC 10896BP).

<실시예 3> 자일라나제의 특성 분석Example 3 Characterization of Xylanase

<3-1> 자일라나제의 분리 및 정제<3-1> Isolation and Purification of Xylanase

본 발명자들은 상기 실시예에서 분리, 동정한 패니바실러스 sp. HY-8 균주가 생산하는 자일라나제를 하기와 같이 순수 분리하였다. 구체적으로, K2HPO4 7g/L, KH2PO4 2g/L, (NH4)2SO4 1g/L, MgSO4ㆍ7H2O 1.1g/L, 효모 추출물 0.6g/L, 귀리 자일란 3g/L(Sigma Chem. Co.)로 구성되는 액체배지에서 48시간 배양한 후 원심분리하여 회수한 상층액에 황산암모늄 분말을 70% 포화되게 첨가한 다음 원심분리하여 침전물을 회수하였다. 상기의 침전물에 50 mM 인산나트륨(pH 6.0) 완충액을 가하여 침전물을 용해시킨 다음, 12,000 rpm에서 10분간 원심분리하여 불용성 침전을 제거한 다음 50 mM sodium phosphate buffer(pH 6.0)로 4℃에서 24시간 투석(Spectrum, MW cutoff 12 kDa)하여 조효소액을 얻었다. 효소의 칼럼 크로마토그래피를 위하여 FPLC system (Amersham-Pharmacia Biotech)을 사용하였다. 우선 Hiload superdex 200 겔 크로파토그래피 (Amersham Pharmacia Biotech Inc) 컬럼을 이용하여 조효소액을 분자의 크기에 따라 2.5ml/mim의 유속으로 용출하였다 (도 3A 참고). 효소 활성 분획만을 취하여 20 mM MES buffer(pH 7.6)로 평형화된 Mono S HR 5/5 이온교환수지(Amersham Pharmacia Biotech Inc) 컬럼을 이용하여 1ml/min의 유속으로 NaCl의 농도를 0-0.5M까지 농도구배로서 용출한 다음 (도 3B 참고), 효소 활성 분획만을 취하여 정제여부를 SDS-PAGE로 확인하였다(도 3C 참고). 활성 분획을 동결건조하여 -20℃에 보관하며 사용하였다. The present inventors have identified and identified the Pannibacillus sp. Xylanase produced by the HY-8 strain was purified as follows. Specifically, K 2 HPO 4 7g / L, KH 2 PO 4 2g / L, (NH 4 ) 2 SO 4 1g / L, MgSO 4 7H 2 O 1.1g / L, yeast extract 0.6g / L, oat xylan After incubation for 48 hours in a liquid medium consisting of 3g / L (Sigma Chem. Co.) and added to the supernatant recovered by centrifugation 70% saturated ammonium sulfate powder and then centrifuged to recover the precipitate. 50 mM sodium phosphate (pH 6.0) buffer was added to the precipitate to dissolve the precipitate, followed by centrifugation at 12,000 rpm for 10 minutes to remove insoluble precipitate, followed by dialysis at 4 ° C for 24 hours with 50 mM sodium phosphate buffer (pH 6.0). (Spectrum, MW cutoff 12 kDa) to obtain a crude enzyme solution. The FPLC system (Amersham-Pharmacia Biotech) was used for column chromatography of the enzyme. First, the coenzyme solution was eluted at a flow rate of 2.5 ml / mim according to the size of the molecule using a Hiload superdex 200 gel chromatography (Amersham Pharmacia Biotech Inc) column (see FIG. 3A). The concentration of NaCl was reduced to 0-0.5M at a flow rate of 1 ml / min using Mono S HR 5/5 ion exchange resin (Amersham Pharmacia Biotech Inc) column equilibrated with 20 mM MES buffer, pH 7.6 After eluting as a concentration gradient (see FIG. 3B), only the enzyme active fractions were taken and purified by SDS-PAGE (see FIG. 3C). The active fractions were lyophilized and used at -20 ° C.

<3-2> 자일라나제의 효소 활성 측정<3-2> Determination of enzyme activity of xylanase

상기 실시예 <3-1>의 정제 단계에서 회수한 각각의 시료로부터 자일라나제 효소 활성을 측정하였다. 단백질 함량은 브래드포드 방법(Bradford, M. M., Anal. Biochem, 86, 142-146, 1997)을 이용하여 측정하였고, 표준 단백질로는 BSA(bovine serum albumin)를 사용하였다. 최종적으로 1L 배양액으로부터 순수 분리된 자일라나제의 귀리 자일란에 대한 특이적인 활성은 147.8 U/mg이었으며, 회수율 19.5%, 순수분리 26.9 배로 정제되었으며 각 분리정제단계의 전체 효소활성과 특이적 효소활성, 정제도 및 회수율을 표 1에 나타내었다.Xylanase enzyme activity was measured from each sample recovered in the purification step of Example <3-1>. Protein content was measured using the Bradford method (Bradford, MM, Anal . Biochem , 86, 142-146, 1997), and BSA (bovine serum albumin) was used as a standard protein. Finally, the specific activity for oat xylan of pure xylase isolated from 1 L culture was 147.8 U / mg, and the yield was purified to 19.5%, 26.9 times pure separation, and total enzymatic activity and specific enzyme activity of each purification step. Purity and recovery are shown in Table 1.

Figure 112006011388450-PAT00001
Figure 112006011388450-PAT00001

<3-3> 자일라나제의 분자량 및 아미노산 서열 결정<3-3> Molecular weight and amino acid sequence determination of xylanase

본 발명자들은 상기 실시예 <3-1>에서 순수 분리된 자일라나제를 폴리아크릴아마이드 겔 전기영동법으로 분자량을 측정하였다. 도 3c에서 레인 1(lane 1)은 크기를 알고 있는 마커 단백질이고, 레인 2(lane 2)는 배양 상등액을, 레인 3(lane 3)은 Mono S 컬럼을 거쳐 최종적으로 정제된 자일라나제 단백질을 나타낸 것이다. SDS-PAGE에 의한 분자량을 측정한 결과, 본 발명의 자일라나제는 약 22.5 kDa의 분자량을 지닌 것으로 나타났다(도 3c).The present inventors measured the molecular weight of xylanase purely separated in Example <3-1> by polyacrylamide gel electrophoresis. In FIG. 3C, lane 1 is a marker protein of known size, lane 2 is a culture supernatant, and lane 3 is a finally purified xylanase protein via a Mono S column. It is shown. The molecular weight measured by SDS-PAGE showed that the xylanase of the present invention had a molecular weight of about 22.5 kDa (FIG. 3C).

또한, 상기의 분리된 자일라나제의 클로닝을 위해 단백질 분해효소인 트립신으로 처리한 다음, 기초과학지원연구원에 의뢰하여 MS/MS 분석과 (Q-TOF, Micromass, UK) database 검색을 실시한 결과 애로모나스 푼타타 (Aeromonas punctata) 자일라나제와 높은 상동성을 나타내는 트립신 분해 단편을 확인할 수 있었다. 이 결과를 바탕으로 NCBI에서 제공하는 세균성 자일나나제 서열을 내려 받아 상동성이 높은 여러 세균성 자일라나제의 서열을 비교하여 높은 아미노산 보존 서열을 중심으로 축퇴성 프라이머(degenerate primer)를 제작하였고(서열번호 2 및 3), PCR과 DNA walking 기법 (DNA walking speedup kit, Seegene ver 2.1)을 통해 패니바실러스 sp. HY-8 자일라나제의 전체 염기서열과 아미노산서열을 결정하였다. PCR 증폭 조건은 PCR Premix kit(Bioneer)를 사용하여 상기에 기재된 프라미어 쌍과 주형을 94℃에서 5분 동안 변성시키고, 94℃에서 30초, 52℃에서 40초 및 72℃에서 1분간 30회 반응시키고, 72℃에서 7분간 연장시켜 반응을 종결하였다. In addition, the cloning of the isolated xylanase was treated with trypsin, a protease, and then commissioned by the Korea Basic Science Research Institute for MS / MS analysis and (Q-TOF, Micromass, UK) database search. Trypsin digestion fragments showing high homology with Aeromonas punctata xylanase were identified. Based on this result, the bacterial xylanase sequence provided by NCBI was downloaded, and the sequences of various bacterial xylanases with high homology were compared to prepare degenerate primers based on the high amino acid conserved sequence (sequence). Nos. 2 and 3) through the PCR and DNA walking technique (DNA walking speedup kit, Seegene ver 2.1). The total nucleotide sequence and amino acid sequence of HY-8 xylanase were determined. PCR amplification conditions using the PCR Premix kit (Bioneer) to denature the primer pair and template described above for 5 minutes at 94 ℃, 30 seconds at 94 ℃, 40 seconds at 52 ℃ and 30 times for 1 minute at 72 ℃ The reaction was terminated by extending for 7 minutes at 72 ° C.

그 결과, 패니바실러스 sp. HY-8은 633개의 염기로 이루어진 자일라나제의 전사 해독틀(open reading frame)을 가지는 211개의 아미노산 잔기로 구성된 분자량 22.9 kDa의 단백질로서 GenBank 데이터베이스 검색 결과, 세균성 자일라나제로 알려진 에로모나스 푼타타(Aeromonas punctata) 자일라나제와 88%의 가장 높은 아미노산 서열 상동성을 보였고, 지오바실러스 스테아로서모필러스(GeoBacillus stearothermophillus) 및 패니바실러스 폴리믹사(Paenibacilus polymyxa)의 엔도-베타-1,4-자일라나제와 각각 88%, 87%의 상동성을 보이는 신규한 자일라나제로 판명되었다. As a result, Fanibacilli sp. HY-8 is a 22.9 kDa molecular weight protein consisting of 211 amino acid residues with an open reading frame of 633 base xylanase transcription.As a GenBank database search, it is known that Eromonas puntata, known as bacterial xylanase ( Aeromonas punctata ) showed the highest amino acid sequence homology of 88% with xylanase and endo-beta-1,4-xylanase from GeoBacillus stearothermophillus and Paenibacilus polymyxa And 88% and 87% homology, respectively.

<3-4> 자일라나제의 생화학적 특성조사<3-4> Biochemical Characterization of Xylanase

자일라나제의 최적 반응조건을 조사하기 위하여 반응 온도, 반응액의 pH 및 금속이온의 영향을 알아보았다. In order to investigate the optimal reaction conditions of xylanase, the effects of reaction temperature, pH of the reaction solution and metal ions were investigated.

효소활성 최적온도는 30-90℃범위에서 10℃ 간격으로 효소활성을 측정하였고, 온도를 10℃부터 80℃의 온도에서 각각 30분간 처리한 후 효소의 잔여 활성을 측정하는 방법을 이용하여 효소의 열안정성을 측정하였다. 효소활성 최적 pH는 50 mM Sodium citrate buffer (pH 3.0-6.0), 50 mM sodium phosphate buffer (pH 6.0-7.0), 50 mM Tris-HCl buffer (pH 7.0-8.0) 및 50 mM boric acid buffer (pH 8.0-10.0)을 사용하여 결정하였다. 먼저, 반응 온도 및 pH가 자일라나제의 활성에 미치는 영향을 조사한 결과, 50℃와 pH 6.0-6.5에서 최대 활성을 보여 중성 pH에서도 활성이 높은 자일라나제임을 확인하였다(도 4a 및 4b). 또한, 열에 대한 안정성을 조사하기 위하여 온도와 시간을 달리하며 정제 효소액을 각 온도에서 방치한 후 잔존활성을 측정한 결과, 60℃ 에서 30분간 처리했을 때는 활성이 50% 정도로 감소하였고, 50℃에서는 30분 처리에 의해 잔존활성이 약 80% 정도로 나타났지만, 50℃보다 낮은 온도에서는 효소활성이 안정하게 유지됨을 확인하였다(도 4c).The optimum temperature of enzyme activity was measured at 10 ℃ intervals in the range of 30-90 ℃, and after 30 minutes of treatment at a temperature of 10 ℃ to 80 ℃, the enzyme activity was measured by measuring the residual activity of the enzyme. Thermal stability was measured. The optimum pH for enzyme activity was 50 mM Sodium citrate buffer (pH 3.0-6.0), 50 mM sodium phosphate buffer (pH 6.0-7.0), 50 mM Tris-HCl buffer (pH 7.0-8.0) and 50 mM boric acid buffer (pH 8.0). -10.0). First, the effect of reaction temperature and pH on the activity of xylanase was examined, and the maximum activity was confirmed at 50 ° C. and pH 6.0-6.5 to confirm that xylanase had high activity even at neutral pH (FIGS. 4A and 4B). In addition, in order to investigate the stability to heat, the residual activity was measured after leaving the purified enzyme solution at different temperatures at different temperatures and times. When the treatment was performed at 60 ° C. for 30 minutes, the activity was reduced to about 50%. After 30 minutes of treatment, the residual activity was about 80%, but it was confirmed that the enzyme activity remained stable at a temperature lower than 50 ° C (FIG. 4C).

또한, 자일라나제에 대한 금속이온의 영향을 조사한 결과, 코발트 이온 등 총 9 종류의 금속이온(Sigma Chem. Co.)을 10 mM의 농도로 첨가하여 반응시켰을 때, 자일라나제의 활성은 Fe2+이온과 Cu2+이온의 첨가 시 활성이 감소되었으나, Ca, Zn, K, Mg, Na 등의 첨가 시에는 활성이 대체적으로 증가하였고, 특히 코발트 이온 존재 시 효소활성이 2배 이상 증가함을 확인하였다(도 4d)In addition, as a result of investigating the influence of metal ions on xylanase, the activity of xylanase was Fe when 9 kinds of metal ions (Sigma Chem. Co.) such as cobalt ions were added and reacted at a concentration of 10 mM. The activity decreased when 2+ ions and Cu 2+ ions were added, but when Ca, Zn, K, Mg, and Na were added, the activity was generally increased, especially in the presence of cobalt ions. It was confirmed (Fig. 4d)

<실시예 4> 자일라나제의 사료첨가제로의 유용성 확인Example 4 Validation of Xylanase as a Feed Additive

본 발명의 자일라나제가 식물성 사료에 대한 첨가제로 적합한지를 조사하기 위해서, 자일란이 풍부한 식물성 사료인 대두박, 면실박, 채종박, 배아박, 소맥피, 대두, 야자박 및 루핀종실을 대상으로 본 발명의 자일라나제 처리 후, 효소활성에 의해 생성된 환원당의 양을 분석하였다. In order to investigate whether the xylanase of the present invention is suitable as an additive for vegetable feed, the present invention is applied to soybean meal, cottonseed meal, rapeseed gourd, embryo gourd, soybean meal, soybean, palm gourd and lupine seed which are rich in xylan After xylanase treatment, the amount of reducing sugar produced by enzymatic activity was analyzed.

구체적으로, 식물성 사료 1 그램을 50 mM 인산나트륨(pH 6.0) 완충액 10 ml에 현탁한 후 자일라나제를 100 unit/ml이 되도록 첨가하여 37℃에서 24시간 처리했을 때, 도 5에 나타난 바와 같이 대부분의 식물성 사료에 대해 자일란의 분해에 의한 환원당의 생성에 효과가 있음을 확인할 수 있었다. 음성 대조군으로는 효소를 첨가하지 않은 시험군에 대해 환원당을 조사한 다음 처리군에서 그 양을 빼는 방법으로 순수 자일라나제에 의해 생성된 환원당을 측정하였으며, 비교 대조군으로는 트리코더마(Trichoderma) 유래의 자일라나제를 동일 유니트로 첨가하여 처리군과 동일한 방법에 의해 생성된 환원당의 양을 측정하였다. 그 결과 도 5에서 보는 바와 같이, 본 발명의 패니바실러스 sp. HY-8 유래의 자일라나제는 면실박, 소맥피, 대두, 대두박, 야자박 및 루핀 등의 식물성 사료성분에 대해 대조군보다 우수한 자일란의 분해효과를 나타내었으며, 배아박에 대해서는 비교 대조군과 유사한 분해효과를 보였고, 채종박의 경우 비교 대조군이 조금 더 우수한 분해효과를 보였다.Specifically, 1 gram of vegetable feed was suspended in 10 ml of 50 mM sodium phosphate (pH 6.0) buffer and xylanase was added to 100 units / ml and treated at 37 ° C. for 24 hours, as shown in FIG. 5. It was found that most of the plant feeds were effective in the production of reducing sugars by decomposition of xylan. As a negative control, the reducing sugar produced by pure xylanase was measured by irradiating the reducing sugar with respect to the test group without addition of the enzyme, and then subtracting the amount from the treated group. As a comparative control, xyl derived from Trichoderma Lanase was added in the same unit to measure the amount of reducing sugar produced by the same method as the treatment group. As a result, as shown in Figure 5, the Fanibacillus sp. Xylanase derived from HY-8 showed better decomposition of xylan than the control for vegetable feed components such as cottonseed, wheat buckwheat, soybean, soybean meal, palm and lupine. In the case of chaejongbak, the comparative control showed a slightly better decomposition effect.

상기의 결과로 볼 때, 본 발명 균주 유래의 자일라나제는 식물성 사료의 자일란 분해를 촉진함으로써 식물성 사료를 포함하는 사료의 첨가제로 적합함을 확인하였다.In view of the above results, it was confirmed that xylanase derived from the strain of the present invention is suitable as an additive of a feed comprising a vegetable feed by promoting the decomposition of xylan of the vegetable feed.

본 발명의 신규 균주인 패니바실러스 sp. HY-8(Paenibacillus sp. HY-8) 및 이로부터 분리한 자일라나제는 비교적 넓은 범위의 온도 및 pH 조건에서 우수한 자일란 분해활성을 나타내었으며 곰팡이 유래의 산성 자일라제에 비해, 중성 pH에서도 우수한 활성을 나타내었을 뿐만 아니라 기존의 사료첨가제로 많이 사용되는 트리코더마 유래의 자일라나제에 비해 대부분의 식물성 사료 원료에서 더 우수하거나 비슷한 자일란 분해 효율을 나타내는 우수한 효소로 판단되며, 사료원료의 20-40%를 차지하는 자일란의 효율적인 분해를 통한 사료 효율증대를 가능케 하여 사료첨가용 효소제로서 그 활용도가 높을 것으로 여겨진다.The novel strain of the present invention, Fanibacillus sp. HY-8 ( Paenibacillus sp. HY-8) and xylanase isolated therefrom showed excellent xylan degrading activity over a relatively wide range of temperature and pH conditions, as well as excellent activity at neutral pH compared to acid-based xylase derived from mold. Compared to Trichoderma-derived xylanase, which is widely used as a feed additive, it is judged to be an excellent enzyme showing better or similar xylan decomposition efficiency in most plant feed materials, and it is effective in decomposing xylan, which accounts for 20-40% of feed material. It is possible to increase the feed efficiency through the use of the enzyme as a feed additive is considered to be high.

<110> Korea Research Institute of Bioscience & Biotechnoloy <120> Novel Paenibacillus pabuli genus HY-8 strain producing xylanase and its application for effective feeds <130> 6p-01-22 <160> 7 <170> KopatentIn 1.71 <210> 1 <211> 568 <212> DNA <213> 16S rDNA of Paenibacillus pabuli HY-8 <400> 1 gggtgagtaa cacgtaggca acctgccctc aagcttggga caactaccgg aaacggtagc 60 taataccgaa tagttgtttt cttctcctga agagaactgg aaagacggag caatctgtca 120 cttggggatg ggcctgcggc gcattagcta gttggtgggg taacggctca ccaaggcgac 180 gatgcgtagc cgacctgaga gggtgatcgg ccacactggg actgagacac ggcccagact 240 cctacgggag gcagcagtag ggaatcttcc gcaatgggcg aaagcctgac ggagcaatgc 300 cgcgtgagtg atgaaggttt tcggatcgta aagctctgtt gccagggaag aacgcttggg 360 agagtaactg ctctcaaggt gacggtacct ganaagaaag ccccggctaa ctacgtgcca 420 gcagccgcgg taatacgtag ggggcaagcg ttgtccggaa ttattgggcg taaagcgcgc 480 gcaggcggtc atttaagtct ggtgtttaat cccggggctc aaccccggat cgcactggaa 540 actgggtgac ttgagtgcag aaaaagag 568 <210> 2 <211> 18 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Forward primer of gene coding xylanase <400> 2 tattggcaga attggacc 18 <210> 3 <211> 18 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Reverse primer of gene coding xylanase <400> 3 tggtcggtat gtgcccca 18 <210> 4 <211> 633 <212> DNA <213> ORF(open reading frame) of Paenibacillus pabuli HY-8 xylanase <400> 4 atgtttaaat ttagcaaaaa aatgttgacg gtcattcttg cggcttccat gagttttggc 60 gtgtttgcag caacctcaag tgcagcgaca gattattggc agaattggac cgatggcggc 120 ggtacggtta atgctgtgaa tggatcgggc ggaaattaca gtgtgacatg gcaaaatacg 180 gggaactttg ttgttggtaa aggctggaat gttggatctc caaaccggac aattaactat 240 aatgctgggg tttggtctcc atccggcaat ggctatttga cactctatgg gtggacgaga 300 aatgcactta ttgaatatta cgttgtagat agttggggca cataccgacc aaccggaacg 360 tttaaaggta ctgtcaacag tgatggagga acctatgaca tctatacaac gatgcggtat 420 aatgcgcctt ccattgacgg cacacaaact tttgcccagt actggagcgt aagacagtcg 480 aagagagcga ccggggttaa ctccgcaatt gcgttcagca accatgttaa cgcatgggca 540 agcaaaggaa tgaatctggg tagcagttgg tcttaccagg tgttagcgac agaaggatat 600 caaagtagtg gaagttccaa cgtaacggtg tgg 633 <210> 5 <211> 211 <212> PRT <213> Amino acid of Paenibacillus pabuli HY-8 xylanase <400> 5 Met Phe Lys Phe Ser Lys Lys Met Leu Thr Val Ile Leu Ala Ala Ser 1 5 10 15 Met Ser Phe Gly Val Phe Ala Ala Thr Ser Ser Ala Ala Thr Asp Tyr 20 25 30 Trp Gln Asn Trp Thr Asp Gly Gly Gly Thr Val Asn Ala Val Asn Gly 35 40 45 Ser Gly Gly Asn Tyr Ser Val Thr Trp Gln Asn Thr Gly Asn Phe Val 50 55 60 Val Gly Lys Gly Trp Asn Val Gly Ser Pro Asn Arg Thr Ile Asn Tyr 65 70 75 80 Asn Ala Gly Val Trp Ser Pro Ser Gly Asn Gly Tyr Leu Thr Leu Tyr 85 90 95 Gly Trp Thr Arg Asn Ala Leu Ile Glu Tyr Tyr Val Val Asp Ser Trp 100 105 110 Gly Thr Tyr Arg Pro Thr Gly Thr Phe Lys Gly Thr Val Asn Ser Asp 115 120 125 Gly Gly Thr Tyr Asp Ile Tyr Thr Thr Met Arg Tyr Asn Ala Pro Ser 130 135 140 Ile Asp Gly Thr Gln Thr Phe Ala Gln Tyr Trp Ser Val Arg Gln Ser 145 150 155 160 Lys Arg Ala Thr Gly Val Asn Ser Ala Ile Ala Phe Ser Asn His Val 165 170 175 Asn Ala Trp Ala Ser Lys Gly Met Asn Leu Gly Ser Ser Trp Ser Tyr 180 185 190 Gln Val Leu Ala Thr Glu Gly Tyr Gln Ser Ser Gly Ser Ser Asn Val 195 200 205 Thr Val Trp 210 <210> 6 <211> 20 <212> DNA <213> 27F primer <400> 6 agagtttgat cmtggctcag 20 <210> 7 <211> 19 <212> DNA <213> 1492R primer <400> 7 ggttaccttg ttacgactt 19 <110> Korea Research Institute of Bioscience & Biotechnoloy <120> Novel Paenibacillus pabuli genus HY-8 strain producing xylanase          and its application for effective feeds <130> 6p-01-22 <160> 7 <170> KopatentIn 1.71 <210> 1 <211> 568 <212> DNA <213> 16S rDNA of Paenibacillus pabuli HY-8 <400> 1 gggtgagtaa cacgtaggca acctgccctc aagcttggga caactaccgg aaacggtagc 60 taataccgaa tagttgtttt cttctcctga agagaactgg aaagacggag caatctgtca 120 cttggggatg ggcctgcggc gcattagcta gttggtgggg taacggctca ccaaggcgac 180 gatgcgtagc cgacctgaga gggtgatcgg ccacactggg actgagacac ggcccagact 240 cctacgggag gcagcagtag ggaatcttcc gcaatgggcg aaagcctgac ggagcaatgc 300 cgcgtgagtg atgaaggttt tcggatcgta aagctctgtt gccagggaag aacgcttggg 360 agagtaactg ctctcaaggt gacggtacct ganaagaaag ccccggctaa ctacgtgcca 420 gcagccgcgg taatacgtag ggggcaagcg ttgtccggaa ttattgggcg taaagcgcgc 480 gcaggcggtc atttaagtct ggtgtttaat cccggggctc aaccccggat cgcactggaa 540 actgggtgac ttgagtgcag aaaaagag 568 <210> 2 <211> 18 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Forward primer of gene coding xylanase <400> 2 tattggcaga attggacc 18 <210> 3 <211> 18 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Reverse primer of gene coding xylanase <400> 3 tggtcggtat gtgcccca 18 <210> 4 <211> 633 <212> DNA <213> open reading frame (ORF) of Paenibacillus pabuli HY-8 xylanase <400> 4 atgtttaaat ttagcaaaaa aatgttgacg gtcattcttg cggcttccat gagttttggc 60 gtgtttgcag caacctcaag tgcagcgaca gattattggc agaattggac cgatggcggc 120 ggtacggtta atgctgtgaa tggatcgggc ggaaattaca gtgtgacatg gcaaaatacg 180 gggaactttg ttgttggtaa aggctggaat gttggatctc caaaccggac aattaactat 240 aatgctgggg tttggtctcc atccggcaat 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                 85 90 95 Gly Trp Thr Arg Asn Ala Leu Ile Glu Tyr Tyr Val Val Asp Ser Trp             100 105 110 Gly Thr Tyr Arg Pro Thr Gly Thr Phe Lys Gly Thr Val Asn Ser Asp         115 120 125 Gly Gly Thr Tyr Asp Ile Tyr Thr Thr Met Arg Tyr Asn Ala Pro Ser     130 135 140 Ile Asp Gly Thr Gln Thr Phe Ala Gln Tyr Trp Ser Val Arg Gln Ser 145 150 155 160 Lys Arg Ala Thr Gly Val Asn Ser Ala Ile Ala Phe Ser Asn His Val                 165 170 175 Asn Ala Trp Ala Ser Lys Gly Met Asn Leu Gly Ser Ser Trp Ser Tyr             180 185 190 Gln Val Leu Ala Thr Glu Gly Tyr Gln Ser Ser Gly Ser Ser Asn Val         195 200 205 Thr Val Trp     210 <210> 6 <211> 20 <212> DNA <213> 27F primer <400> 6 agagtttgat cmtggctcag 20 <210> 7 <211> 19 <212> DNA <213> 1492R primer <400> 7 ggttaccttg ttacgactt 19

Claims (13)

자일라나제를 생산하는 패니바실러스 sp.(Paenibacillus sp.) HY-8 균주(KCTC 10896BP). Paenibacillus sp. HY-8 strain (KCTC 10896BP) producing xylanase. 제 1항의 균주로부터 생산된 자일라나제.Xylanase produced from the strain of claim 1. 제 2항에 있어서, 상기 자일라나제는 서열번호 5로 기재되는 것을 특징으로 하는 자일라나제.The xylanase of claim 2, wherein the xylanase is set forth in SEQ ID NO: 5. 4. 제 2항에 있어서, 상기 자일라나제는 45℃ 내지 60℃에서 최대 활성을 나타내는 것을 특징으로 하는 자일라나제.The xylanase of claim 2, wherein the xylanase exhibits maximum activity at 45 ° C to 60 ° C. 제 2항에 있어서, 상기 자일라나제는 pH 6.0-6.5에서 최대 활성을 나타내는 것을 특징으로 하는 자일라나제.The xylanase of claim 2, wherein the xylanase exhibits maximum activity at pH 6.0-6.5. 제 2항에 있어서, 상기 자일라나제는 Ca, Zn, K, Mg, Na 또는 Co 첨가 시 효소활성이 증가하는 것을 특징으로 하는 자일라나제.The xylanase according to claim 2, wherein the xylanase increases enzymatic activity when Ca, Zn, K, Mg, Na or Co is added. 제 2항의 효소를 암호화하는 유전자.Gene encoding the enzyme of claim 2. 제 7항에 있어서, 상기 유전자는 서열번호 4로 기재되는 것을 특징으로 하는 유전자. 8. The gene of claim 7, wherein said gene is set forth in SEQ ID NO: 4. 제 7항의 유전자를 포함하는 재조합 벡터.Recombinant vector comprising the gene of claim 7. 제 9항의 재조합 벡터가 도입된 형질전환체.A transformant having a recombinant vector of claim 9 introduced therein. 1) 자일란을 포함하는 배지에서 제 1항의 패니바실러스 sp. HY-8 균주 또는 제 10항의 형질전환체를 배양한 후 원심분리하여 상층액인 조효소액을 수득하는 단 계;1) In the medium containing xylan, claim 1 of the Pannibacillus sp. Culturing the HY-8 strain or the transformant of claim 10 and then centrifuging to obtain a supernatant crude enzyme solution; 2) 단계 1에서 수득된 조효소액에 침전제를 가하여 수용성 단백질 침전을 유도하는 단계; 및2) adding a precipitant to the coenzyme liquid obtained in step 1 to induce water-soluble protein precipitation; And 3) 단계 2에서 침전을 유도한 조효소액을 원심분리 및 정제하는 단계를 포함하는 자일라나제 생산방법.3) Xylanase production method comprising the step of centrifugation and purification of the crude enzyme solution induced in precipitation in step 2. 제 11항에 있어서, 단계 2의 침전제는 황산암모늄, 아세톤, 아이소프로판올, 메탄올, 에탄올 및 폴리에틸렌글리콜로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 자일라나제 생산방법.12. The method of claim 11 wherein the precipitant of step 2 is selected from the group consisting of ammonium sulfate, acetone, isopropanol, methanol, ethanol and polyethylene glycol. 제 2항의 자일리나제를 포함하는 자일란 분해 증진용 사료첨가제.A feed additive for improving xylan decomposition, comprising the xylase of claim 2.
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