KR20200022970A - Production method of brazzein from transgenic tobacco for high expression of brazzein - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a recombinant expression vector for plant transformation, a tobacco transformed by the vector, and a method for mass-producing brazzein using the same in order to mass-produce brazzein from a plant body. The recombinant vector of the present invention can express a brazzein protein in an active form in plant cells. Accordingly, the brazzein mass-produced from a plant has the same activity as that of wild-type brazzein, thereby contributing to the commercialization of sweeteners in the future.

Description

브라제인 고발현용 형질전환 담배로부터 브라제인의 생산 방법{Production method of brazzein from transgenic tobacco for high expression of brazzein}Production method of brazzein from transgenic tobacco for high expression of brazzein}

본 발명은 감미단백질 브라제인의 고발현용 발현벡터를 이용하여 형질전환된 담배를 제작 후, 상기 형질전환 담배로부터 브라제인을 생산하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for producing brazein from a transgenic tobacco after producing a transformed tobacco using the expression vector for high expression of sweet protein brazein.

당류(Saccharides)와 폴리올(Polyols) 뿐만 아니라 펩타이드나 아미노산, 그리고 몇몇 화합물들은 단맛을 가지고 있다. 반면에 대부분의 단백질들은 맛이나 향을 나타내지 않는다. 그러나 몇몇 단백질들은 인간에게 있어 단맛을 느끼게 해주는데 그 예로 네오큐린(Neoculin), 마빈린(Mabinlin), 펜타딘(Pentadin), 미라큘린(Miraculin), 모넬린(Monellin), 리소자임(Egg lysozyme), 타우마틴(Thaumatin)) 그리고 브라제인(Brazzein)이 있다. 대부분의 감미단백질들은 아프리카의 열대지역의 식물에서 유래되었으며 감미단백질의 감미도에 따라 다르지만 대략 설탕 한 분자에 비해 100,000배 정도 높은 단맛을 나타낸다. Peptides, amino acids and some compounds, as well as sugars and polyols, have a sweet taste. On the other hand, most proteins do not taste or smell. However, some proteins make them sweet in humans, such as Neoculin, Mabinlin, Pentadin, Miraculin, Monellin, Eggsolyme, and Tau. There are Thaumatin and Brazein. Most sweet proteins are derived from tropical plants in Africa and vary in sweetness, but are about 100,000 times sweeter than sugar molecules.

현대사회에 들어서면서 삶의 질이 향상됨에 따라 당뇨, 고혈압, 비만과 같은 각종 성인병이 주요한 질병으로 야기되고 있다. 이러한 질병을 가지고 있는 사람들은 칼로리가 높은 음식을 요구함에 있어 더욱더 살을 찌우게 함에 따라 건강상의 큰 문제를 가질 확률이 높다. 따라서 이를 해결하고자 전 세계적으로 설탕이 들어간 음식, 음료 제품에 칼로리가 낮은 설탕 대체재를 사용하고 있다. 감미단백질은 설탕보다 높은 단맛을 나타내나 칼로리는 매우 낮기 때문에 설탕 대체재로 사용하기에 매우 적합하다. 이들 대부분은 아프리카의 특수한 열대지역에서 자생하고 있으므로 감미료로 상용화하기 위해서는 효모나 식물 발현계 등을 이용한 식품친화성 생물 공학적 연구가 필수적이다. As the quality of life improves in modern society, various adult diseases such as diabetes, hypertension, and obesity are caused by major diseases. People with these diseases are more likely to have major health problems as they gain more weight in demanding high-calorie foods. Therefore, to solve this problem, low-calorie sugar substitutes are used in sugar-containing foods and beverage products worldwide. Sweet protein has a sweeter taste than sugar, but calories are very low, making it suitable for use as a sugar substitute. Most of them are native to the special tropical regions of Africa, so food-friendly biotechnological studies using yeast or plant expression systems are essential for commercialization as sweeteners.

브라제인은 1994년 미국의 Wisconsin-Madison 대학에 의해 서아프리카에서 자생하는 열대과일 오블리(Oubli, Pentadiplandra brazzeana Bailon)의 씨를 둘러싸고 있는 펄프 조직에서 처음으로 발견된 감미단백질이다. 이는 1989년에 발견된 감미단백질 펜타딘(Pentadin) 이후로 오블리 과일에서 발견된 두 번째 감미단백질로서, 54개의 아미노산으로 구성되어 있으며 감미단백질 중 분자량이 6.5 kDa으로 가장 작고, 하나의 α-helix와 세 개의 β-sheet의 형태로 이루어져 있다. 이는 무게대비 2% 설탕 수용액과 비교하여 약 2,000배가 달며, 분자량 대비 9,500배가 단 특징이 있으며 감미료 중 설탕과 가장 유사한 맛을 나타내고 후미 또한 깔끔하다. 또한 분자 내 4개의 이황화 결합이 존재하여 다른 단백질들에 비해 높은 열과 넓은 pH 범위에서 안정하기 때문에(98℃에서 2시간, pH 2.5-8.0) 감미료나 식품 첨가제로 매우 적합하다. Brazein is the first sweet protein found in the pulp tissue surrounding the seeds of tropical fruit obli ( Pentadiplandra brazzeana Bailon) native to West Africa in 1994 by the University of Wisconsin-Madison. This is the second sweet protein found in obli fruit since the sweet protein found in 1989, Pentadin, which consists of 54 amino acids and has the smallest molecular weight of 6.5 kDa and one α-helix. And three β-sheets. It is about 2,000 times sweeter than 2% sugar solution by weight and 9,500 times sweeter than molecular weight. It has the sweetest taste and sweetest after sugar. In addition, the presence of four disulfide bonds in the molecule is stable over high heat and wide pH range compared to other proteins (2 hours at 98 ° C, pH 2.5-8.0), making it very suitable as a sweetener or food additive.

브라제인은 오블리 무게의 0.05-0.2% 비율로 존재하며, N-말단 아미노산 잔기에 따라 두 가지 타입이 존재한다. 하나는 80%로 존재하는 주 타입(pGlu-1-brazzein) 브라제인으로 N-말단에 pyroglutamate(Pyro Glu, Pyro E)가 있다. 그리고 나머지 하나는 20%로 존재하는 부 타입(des-pGlu-1-brazzein) 브라제인으로 N-말단에 pyroglutamate가 없으며 53개의 아미노산으로 구성되어 있다. Brazein is present at 0.05-0.2% of the obli weight and there are two types depending on the N-terminal amino acid residues. One is the main type (pGlu-1-brazzein) brazein, present at 80%, with pyroglutamate (Pyro Glu, Pyro E) at the N-terminus. The other is des-pGlu-1-brazzein brazein, which is present at 20%, with no pyroglutamate at the N-terminus and consists of 53 amino acids.

식물 발현계를 이용하여 재조합 단백질을 생산할 경우 포유동물, 효모, 다양한 세포주, 박테리아 발현계를 사용했을 때와는 또 다른 장점이 존재한다. 세포 내 소포체와 골지체가 있어 번역 후 수식화(Post-translational modification) 과정이 가능하여 원핵생물 발현계에서는 할 수 없는 수식된 단백질을 생산할 수 있으며, 동물세포나 실험동물을 이용하여 단백질 생산을 할 경우에 비해 인수공통병원체의 감염 우려가 없다. 또한, 빛, 땅, 물만 있으면 단백질을 무한정 생산할 수 있고, 실험실 내에서도 아가 한천배지만 있으면 지속적인 계대 배양이 가능하기 때문에 경제적인 면에서도 매우 효율적이다. 또한, 종자(Seed) 형태로 단백질을 오랫동안 저장하고 보관이 가능하다. The production of recombinant proteins using plant expression systems has other advantages over mammalian, yeast, various cell lines, and bacterial expression systems. Intracellular vesicles and Golgi apparatus enable post-translational modification process to produce modified protein which is not available in prokaryotic expression system.In case of protein production using animal cell or experimental animal There is no fear of infection by the acquired common pathogen. It is also economically efficient because only light, land, and water can produce proteins indefinitely, and in the laboratory, if only agar is agar, continuous passage is possible. In addition, it is possible to store and store the protein in seed form for a long time.

그러나 이러한 식물 발현계의 경우에도 발현량 증대 문제에 있어서 어려움이 존재한다. However, even in such a plant expression system, there is a difficulty in increasing the expression level.

2005년 미국에서 아그로박테리움을 매개로 하여 브라제인을 옥수수 식물체에서 발현하였다(Lamphear et al., 2005). 이 발현계에서는 옥수수 1 g 당 브라제인 53.75 ㎍이 과발현되었는데(비특허문헌 1), 2008년 텍사스의 기업인 Prodigene과 Nectar Worldwide에서 옥수수 1톤으로부터 1-2 ㎏의 브라제인을 산출하여 이를 미국 식품 의약국(Food and Drug Administration, FDA)으로부터 GRAS (Generally Recognized as Safe) 인정을 받은 뒤 감미료로 상용화 하려 하였으나 다른 농작물 간 교차오염의 문제가 대두되어 옥수수 작물 전량이 폐기되었기 때문에 상용화가 진행되지 못하였다.In 2005, Agrobacterium-mediated brazein was expressed in corn plants (Lamphear et al., 2005). The expression system overexpressed 53.75 μg of brazein per gram of corn (Non-Patent Literature 1). In 2008, Texas-based Prodigene and Nectar Worldwide produced 1-2 kilograms of brazein from 1 tonne of maize. After receiving GRAS (Generally Recognized as Safe) approval from the US Food and Drug Administration (FDA), it attempted to commercialize it as a sweetener. However, due to the problem of cross-contamination between different crops, the entire corn crop was discarded and commercialization did not proceed.

따라서, 감미단백질 중 높은 열과 넓은 pH 범위에서 매우 안정하며 2% 설탕 수용액 대비 2,000배 높은 단맛으로 감미료뿐만 아니라 식품첨가물로 상용화하기에 적합하다고 판단되는 브라제인을 식물 발현계를 이용하여 대량 생산할 수 있는 새로운 형질전환 식물체 구축이 필요한 실정이다.Therefore, it is very stable in high heat and wide pH range of sweet protein and can be mass-produced using plant expression system, which is deemed suitable for commercialization as sweetener as well as food additive with sweetness 2,000 times higher than 2% sugar solution. There is a need for new transgenic plants.

Lamphear, B.J., Barker, D.K., Brooks, C.A., Delaney, D.E., Lane, J.R., Beifuss, K., Love, R., Thompson, K., Mayor, J., and Clough, R. (2005). Expression of the sweet protein brazzein in maize for production of a new commercial sweetener. Plant biotechnology journal, 3, 103-114.Lamphear, B.J., Barker, D.K., Brooks, C.A., Delaney, D.E., Lane, J.R., Beifuss, K., Love, R., Thompson, K., Mayor, J., and Clough, R. (2005). Expression of the sweet protein brazzein in maize for production of a new commercial sweetener. Plant biotechnology journal, 3, 103-114.

이에, 본 발명자들은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 연구 노력한 결과, 교차오염이 발생하지 않기 때문에 상용화 단계에서 머물렀던 교차오염 문제를 해결할 수 있으며, 다른 식물체에 비해 2-3 m 가량의 큰 성체로 성장할 수 있어 브라제인 대량 생산이 가능하며, 종자 형태로 오랜 기간 동안 활성이 유지되는 상태로 보관이 가능한 형질전환된 담배를 제작하고, 이로부터 브라제인을 생산하는 방법을 개발함으로써, 본 발명을 완성하게 되었다.Therefore, the present inventors have researched in order to solve the above problems, and as a result of the cross-contamination does not occur, it is possible to solve the cross-contamination problem stayed in the commercialization stage, and to grow to a large adult of about 2-3 m than other plants It is possible to mass-produce brazein, and to produce a transformed tobacco that can be stored in the form of a seed that is kept active for a long time, and thereby to develop a method for producing brazein, thereby completing the present invention. It became.

따라서, 본 발명은 담배 형질전환용 재조합 벡터, 이를 형질전환 시킨 브라제인 고발현용 형질전환된 담배 및 이의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a recombinant vector for tobacco transformation, a transformed tobacco for high expression of brazein transformed thereto, and a method for producing the same.

또한, 본 발명은 상기 형질전환된 담배로부터 브라제인을 생산하는 방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.It is another object of the present invention to provide a method for producing brazein from the transformed tobacco.

상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명은 프로모터 및 이와 작동 가능하게 연결된 AMV(Alfalfa Mosaic Virus RNA4) 인핸서, 소포체 신호 서열(endoplasmic reticulum signal peptide) 및 브라제인을 암호화하는 폴리뉴클레오타이드를 포함하는 담배 형질전환용 재조합 벡터를 제공한다.As a means for solving the above problems, the present invention is a tobacco trait comprising a promoter and an operably linked AMV (Alfalfa Mosaic Virus RNA4) enhancer, an endoplasmic reticulum signal peptide and a polynucleotide encoding brazein Provide a recombinant vector for conversion.

또한, 상기 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서, 본 발명은 상기 재조합 벡터로 형질전환된 아그로박테리움을 제공한다.In addition, as another means for solving the above problems, the present invention provides Agrobacterium transformed with the recombinant vector.

또한, 상기 과제를 해결하기 위한 또 다른 수단으로서, 본 발명은 상기 재조합 벡터가 도입되며, 브라제인 단백질을 발현하는 형질전환된 담배를 제공한다.In addition, as another means for solving the above problems, the present invention provides a transformed tobacco, wherein the recombinant vector is introduced, expressing the brazein protein.

또한, 상기 과제를 해결하기 위한 또 다른 수단으로서, 본 발명은 프로모터 및 이와 작동 가능하게 연결된 AMV(Alfalfa Mosaic Virus RNA4) 인핸서, 소포체 신호 서열(endoplasmic reticulum signal peptide) 및 브라제인을 암호화하는 폴리뉴클레오타이드를 포함하는 담배 형질전환용 재조합 발현벡터를 제작하는 단계; 및In addition, as another means for solving the above problems, the present invention provides a promoter and a polynucleotide encoding an alfaplasm Mosaic Virus RNA4 (AMV) enhancer, an endoplasmic reticulum signal peptide and brazein operably linked thereto. Preparing a recombinant expression vector for tobacco transformation comprising a; And

상기 재조합 발현벡터로 형질전환시킨 형질전환된 담배를 제작하는 단계;Preparing a transformed tobacco transformed with the recombinant expression vector;

를 포함하는 브라제인 고발현용 형질전환 담배의 제조방법을 제공한다.It provides a method for producing a transformed tobacco for braze high expression comprising a.

또한, 상기 과제를 해결하기 위한 또 다른 수단으로서, 본 발명은In addition, as another means for solving the above problems, the present invention

상기 브라제인 고발현용 재조합 발현벡터를 이용하여 형질전환된 담배를 제작하고, 상기 형질전환된 담배에서 발현된 재조합 브라제인을 염석, 열 처리, 음이온 크로마토그래피 및 양이온 크로마토그래피를 순차적으로 실시하여 정제하는 단계;The transformed tobacco was produced using the recombinant expression vector for braze high expression, and the purified recombinant zebrain expressed in the transformed tobacco was sequentially purified by salting out, heat treatment, anion chromatography and cation chromatography. Making;

를 포함하는, 형질전환 담배로부터 브라제인을 생산하는 방법을 제공한다.It comprises a, provides a method for producing brazein from transgenic tobacco.

본 발명에 따른 브라제인 고발현용 형질전환된 담배 제작을 위한 재조합 발현 벡터를 이용하여 단맛 활성이 변성되지 않은 고품질 브라제인 단백질을 담배와 같은 식물 발현계에서 발현시켜 저비용, 고효율로 대량 생산할 수 있다. 식물에서 대량 생산된 브라제인은 야생형의 브라제인과 그 활성이 동일하여 추후 감미료 사업화에 있어서 이바지할 수 있을 것이라 기대된다. By using the recombinant expression vector for the production of transformed tobacco for braze high expression according to the present invention, high-quality brazein protein having no sweetness activity can be expressed in a plant expression system such as tobacco and can be mass-produced at low cost and high efficiency. . It is expected that brazein, which is produced in large quantities in plants, will have the same activity as wild-type brazein, which will contribute to future sweetener commercialization.

도 1은 4가지 유형의 브라제인 발현용 담배 발현 벡터 제작 과정의 개략도를 나타낸 것이다[(A) 발현 벡터 카세트, (B) pBI525 벡터 및 (C)pBINPLUS].
도 2는 바이너리 벡터 pBI-BZ1, pBI-BZ2, pBI-BZ3 및 pBI-BZ4의 T-DNA 영역의 지도를 나타낸 것이다[35S-35SP: 복제 인핸서 콜리플라워 모자이크 바이러스 (CaMV) 35S 프로모터; AMV: 알팔파 모자이크 바이러스 RNA4 인핸서; TEV: 담배 에칭 바이러스의 비번역 리더 서열; SP, 소포체 신호 서열; KDEL, 소포체(ER) 머무름 신호; NOS-T, NOS (Nopaline Synthase Gene) 터미네이터].
도 3은 전기영동을 통해 형질전환된 Agrobacterium LBA4404에서 브라제인 유전자를 확인한 것이다[검은 색 화살표는 브라제인 PCR 산물인 159bp 위치의 밴드를 나타냄. M: 100 bp 마커 (Civic Bioscience, Beloeil, Canada). pBI-BZ1-4: 형질전환 담배].
도 4는 형질전환 담배 제작 과정을 나타낸 모식도이다[사각형 박스에는 형질전환 담배 식물체를 제작하는 순서를 나타내고, 점선 화살표는 배지 조성을 나타냄].
도 5는 Agrobacterium-매개된 담배 형질전환 과정을 나타낸 것이다[A: 야생형 담배 식물; B: 공동 배양; C: 캘러스 유도; D-F: 슈트 유도; G: 루트 유도; H: 미니 배양; 나, 대 배양].
도 6은 pBI-BZ1~4로 형질전환된 담배 대표적인 4종 사진이다[pBI-BZ1: 좌측 상단, pBI-BZ2: 우측 상단, pBI-BZ 3: 좌측 하단, pBI-BZ 4: 우측 하단].
도 7은 K. lactics GG799의 브라제인 발현 및 정제 과정을 나타낸 것이다[STEP 1 ~ STEP 3: 발현 과정, STEP 4 ~ STEP 10: 정제 과정].
도 8은 SDS-PAGE 및 HPLC 단계 11 내지 단계 12를 사용한 정제 결과 분석은 분획 당 단백질 양의 분석을 나타낸 것이다. 또한, STEP 13은 0.206 ㎎/㎖ brazzein을 사용하여 순도를 분석한 것이다.
도 9는 ELISA 결과 분석을 위한 브라제인 표준 곡선이다.
도 10은 pBI-BZ1 담배 유전자 변형 계통의 PCR 분석 결과를 나타낸 것이다[(A) pBI-BZ1 T-DNA의 영역. (B) NPTⅡ 및 Brazzein 유전자의 확인; M, 100 bp plus ladder; P, 양성 대조군, 아그로박테리움으로부터 추출된 플라스미드; WT, 야생형 담배 식물; 1~5, 형질전환 담배 식물 라인].
도 11은 pBI-BZ2 담배 유전자 변형 계통의 PCR 분석 결과를 나타낸 것이다[(A) pBI-BZ2 T-DNA의 영역. (B) NPTⅡ 및 Brazzein 유전자의 확인; M, 100 bp plus ladder; P, 양성 대조군, 아그로박테리움으로부터 추출된 플라스미드; WT, 야생형 담배 식물; 1~5, 형질전환 담배 식물 라인].
도 12는 pBI-BZ3 담배 유전자 변형 계통의 PCR 분석 결과를 나타낸 것이다[(A) pBI-B3 T-DNA의 영역. (B) NPTⅡ 및 Brazzein 유전자의 확인; M, 100 bp plus ladder; P, 양성 대조군, 아그로박테리움으로부터 추출된 플라스미드; WT, 야생형 담배 식물; 1~5, 형질전환 담배 식물 라인].
도 13은 pBI-BZ4 담배 유전자 변형 계통의 PCR 분석 결과를 나타낸 것이다[(A) pBI-BZ4 T-DNA의 영역. (B) NPTⅡ 및 Brazzein 유전자의 확인; M, 100 bp plus ladder; P, 양성 대조군, 아그로박테리움으로부터 추출된 플라스미드; WT, 야생형 담배 식물; 1~5, 형질전환 담배 식물 라인].
도 14는 pBI-BZ1 담배의 형질전환 계통의 반정량적 RT-PCR 분석 결과를 나타낸 것이다[(A) pBI-BZ1 T-DNA의 영역. (B) EF-1α 및 브라제인 유전자의 확인; M, 100 bp plus ladder; P, 양성 대조군, 아그로박테리움으로부터 추출된 플라스미드; WT, 야생형 담배 식물; 1~5, 형질전환 담배 식물 라인].
도 15는 pBI-BZ2 담배의 형질전환 계통의 반정량적 RT-PCR 분석 결과를 나타낸 것이다[(A) pBI-BZ2 T-DNA의 영역. (B) EF-1α 및 브라제인 유전자의 확인; M, 100 bp plus ladder; P, 양성 대조군, 아그로박테리움으로부터 추출된 플라스미드; WT, 야생형 담배 식물; 1~5, 형질전환 담배 식물 라인].
도 16은 pBI-BZ3 담배의 형질전환 계통의 반정량적 RT-PCR 분석 결과를 나타낸 것이다[(A) pBI-BZ3 T-DNA의 영역. (B) EF-1α 및 브라제인 유전자의 확인; M, 100 bp plus ladder; P, 양성 대조군, 아그로박테리움으로부터 추출된 플라스미드; WT, 야생형 담배 식물; 1~5, 형질전환 담배 식물 라인].
도 17은 pBI-BZ4 담배의 형질전환 계통의 반정량적 RT-PCR 분석 결과를 나타낸 것이다[(A) pBI-BZ4 T-DNA의 영역. (B) EF-1α 및 브라제인 유전자의 확인; M, 100 bp plus ladder; P, 양성 대조군, 아그로박테리움으로부터 추출된 플라스미드; WT, 야생형 담배 식물; 1~5, 형질전환 담배 식물 라인].
도 18은 본 발명에 따른 형질전환 담배로부터 브라제인을 정제하는 과정을 나타낸 모식도이다.
도 19는 담배 잎에서 CM-세파로스 크로마토그래피로 정제된 브라제인의 SDS-PAGE 분석 결과이다[레인 M; 트리플 컬러 단백질 마커; 레인 1~5: CM-세파로스 크로마토그래피에 의해 용출된 분획].
도 20은 단맛 검사 체크 리스트이다.
도 21은 야생형 담배 잎과 pBI-BZ3 유전자로 형질전환된 담배 잎 사이의 브라제인 발현 수준을 비교하기 위한 SDS-PAGE 분석 결과이다[레인 M, FroggaBio BLUelf Prestained 단백질 래더; 레인 1: 야생형 담배 잎의 조 추출물 20 μg; 레인 2: 형질전환 담배의 조 추출물 30 μg; 레인 3: 형질전환 담배의 조 추출물 20 ㎍].
도 22는 황산암모늄 침전에 의해 침전된 브라제인 수준의 비교를 위한 SDS-PAGE 분석 결과이다[레인 M: 크포마테인 전염색된 단백질 래더; 레인 1: 황산 암모늄 20 ~ 30%에 의해 침전된 단백질; 레인 2: 황산 암모늄 30 ~ 40%에 의해 침전된 단백질; 레인 3, 황산 암모늄 40 ~ 50%에 의해 침전된 단백질; 레인 4: 황산 암모늄 50 ~ 60%에 의해 침전된 단백질; 레인 5, 황산 암모늄 60 ~ 70%에 의해 침전된 단백질; 레인 6: 황산 암모늄 70 ~ 80%에 의해 침전된 단백질; 레인 7: 황산 암모늄 80 ~ 90%에 의해 침전된 단백질].
도 23은 열 처리로 정제된 브라제인 수준의 비교를 위한 SDS-PAGE 분석 결과이다[레인 M: FroggaBio BLUelf Prestained 단백질 래더; 레인 1, 단백질은 1시간 동안 열 처리한 후에 잔류함; 레인 2: 단백질은 2시간 동안 열 처리 후에 잔류함; 레인 3: 단백질은 3시간 동안 열 처리 후에 잔류함; 레인 4: 단백질은 4시간 동안 열 처리 후에도 잔류함].
도 24는 열 처리 및 DEAE-세파로스 크로마토그래피로 정제된 브라제인의 SDS-PAGE 분석 결과이다[레인 M: 크포마테인 전염색된 단백질 래더; 레인 1: 단백질은 2 시간 동안 열처리 후에 잔존하였다; 레인 2: DEAE-세파로스 크로마토그래피에 의한 용출 분획; 레인 3: DEAE-세 파로스 크로마토그래피에 의한 통과액 분획].
도 25는 CM-세파로스 크로마토그래피로 정제된 브라제인의 SDS-PAGE 분석 결과이다[레인 M: 크포마테인 전염색된 단백질 래더; 레인 1: DEAE-세파로스 크로마토그래피에 의한 통과액 분획. 레인 2: CM-세파로스 크로마토그래피로 정제된 브라제인].
도 26은 본 발명의 형질전환 담배(Nicotiana tabacum) 및 Kluyveromyces lactis에서 발현되어 정제된 재조합 브라제인의 HPLC 패턴을 나타낸 것이다[(A): Kluyveromyces lactis, (B): Nicotiana tabacum].
도 27은 에드만 분해법에 의한 N-말단 아미노산 서열 분석 결과이다.
도 28은 본 발명의 형질전환 담배(Nicotiana tabacum)에서 발현된 재조합 브라제인의 1차 구조 및 N 말단 아미노산 서열 분석 결과이다[(A) des-pE1M-brazzein의 아미노산 서열, (B) 담배 잎으로부터 정제 된 des-pE1M-brazzein 및 brazzein의 N 말단 아미노산 서열].
도 29는 Kluyveromyces lactis에서 발현된 재조합 브라제인의 원편광 이색성 분광 스펙트럼을 나타낸 것이다[Far-UV CD 스펙트럼은 2.5, 5.0, 10 및 20 μM의 단백질 농도에서 얻어졌다].
도 30은 본 발명의 형질전환 담배(Nicotiana tabacum)에서 발현된 재조합 브라제인의 원편광 이색성 분광 스펙트럼을 나타낸 것이다[Far-UV CD 스펙트럼은 2.5, 5.0, 10 및 20 μM의 단백질 농도에서 얻어졌다].
도 31은 본 발명의 형질전환 담배(Nicotiana tabacum)의 재조합 브라제인과 Kluyveromyces lactis 간의 MRE(mean residue ellipticity)의 비교를 나타낸 것이다[실선: Nicotiana tabacum; 점선: Kluyveromyces lactis. Far-UV CD 스펙트럼은 10 μM의 단백질 농도에서 얻어졌다].
도 32는 LC-MS/MS에 의해, 본 발명의 형질전환 담배(Nicotiana tabacum)로부터 얻은 재조합 브라제인의 분자량 및 아미노산 서열 분석한 결과이다.
도 33은 본 발명의 형질전환 담배(Nicotiana tabacum)의 정제된 재조합 브라제인의 감미료 활성 테스트 결과를 나타낸 것이다.
Figure 1 shows a schematic diagram of the production of tobacco expression vectors for the expression of four types of brazein ((A) expression vector cassette, (B) pBI525 vector and (C) pBINPLUS).
Figure 2 shows a map of the T-DNA regions of the binary vectors pBI-BZ1, pBI-BZ2, pBI-BZ3 and pBI-BZ4 [35S-35SP: Replication Enhancer Cauliflower Mosaic Virus (CaMV) 35S promoter; AMV: alfalfa mosaic virus RNA4 enhancer; TEV: untranslated leader sequence of tobacco etch virus; SP, vesicle signal sequence; KDEL, ER ER retention signal; NOS-T, NOS (Nopaline Synthase Gene) Terminator].
Figure 3 confirms the brazein gene in the Agrobacterium LBA4404 transformed by electrophoresis (black arrow indicates the band of the 159bp position of the brazein PCR product. M: 100 bp marker (Civic Bioscience, Beloeil, Canada). pBI-BZ1-4: transgenic tobacco.
Figure 4 is a schematic diagram showing a process for producing a transformed tobacco (square box shows the procedure for producing a transformed tobacco plant, the dotted arrow indicates the composition of the medium).
5 shows the Agrobacterium-mediated tobacco transformation process [A: wild type tobacco plants; B: co-culture; C: callus induction; DF: chute induction; G: route induction; H: mini incubation; B, large culture].
FIG. 6 is a representative four photographs of tobacco transformed with pBI-BZ1-4 (pBI-BZ1: upper left, pBI-BZ2: upper right, pBI-BZ 3: lower left, pBI-BZ 4: lower right).
Figure 7 shows the brazein expression and purification process of K. lactics GG799 [STEP 1 ~ STEP 3: expression process, STEP 4 ~ STEP 10: purification process].
8 Analysis of purification results using SDS-PAGE and HPLC steps 11-12 shows analysis of the amount of protein per fraction. In addition, STEP 13 analyzed purity using 0.206 mg / ml brazzein.
9 is a brazein standard curve for analysis of ELISA results.
10 shows the results of PCR analysis of pBI-BZ1 tobacco genetically modified strains ((A) region of pBI-BZ1 T-DNA. (B) identification of NPTII and Brazzein genes; M, 100 bp plus ladder; Plasmid extracted from P, positive control, Agrobacterium; WT, wild type tobacco plants; 1-5, transgenic tobacco plant line].
Figure 11 shows the results of PCR analysis of pBI-BZ2 tobacco genetically modified strains ((A) region of pBI-BZ2 T-DNA. (B) identification of NPTII and Brazzein genes; M, 100 bp plus ladder; Plasmid extracted from P, positive control, Agrobacterium; WT, wild type tobacco plants; 1-5, transgenic tobacco plant line].
Figure 12 shows the results of PCR analysis of pBI-BZ3 tobacco genetically modified strains ((A) region of pBI-B3 T-DNA. (B) identification of NPTII and Brazzein genes; M, 100 bp plus ladder; Plasmid extracted from P, positive control, Agrobacterium; WT, wild type tobacco plants; 1-5, transgenic tobacco plant line].
Figure 13 shows the results of PCR analysis of pBI-BZ4 tobacco genetically modified strains ((A) region of pBI-BZ4 T-DNA. (B) identification of NPTII and Brazzein genes; M, 100 bp plus ladder; Plasmid extracted from P, positive control, Agrobacterium; WT, wild type tobacco plants; 1-5, transgenic tobacco plant line].
Figure 14 shows the results of semi-quantitative RT-PCR analysis of the transgenic line of pBI-BZ1 tobacco [(A) Region of pBI-BZ1 T-DNA. (B) identification of EF-1α and brazein genes; M, 100 bp plus ladder; Plasmid extracted from P, positive control, Agrobacterium; WT, wild type tobacco plants; 1-5, transgenic tobacco plant line].
Figure 15 shows the results of semi-quantitative RT-PCR analysis of the transgenic line of pBI-BZ2 tobacco [(A) Region of pBI-BZ2 T-DNA. (B) identification of EF-1α and brazein genes; M, 100 bp plus ladder; Plasmid extracted from P, positive control, Agrobacterium; WT, wild type tobacco plants; 1-5, transgenic tobacco plant line].
Figure 16 shows the results of semi-quantitative RT-PCR analysis of the transgenic line of pBI-BZ3 tobacco [(A) region of pBI-BZ3 T-DNA. (B) identification of EF-1α and brazein genes; M, 100 bp plus ladder; Plasmid extracted from P, positive control, Agrobacterium; WT, wild type tobacco plants; 1-5, transgenic tobacco plant line].
Figure 17 shows the results of semi-quantitative RT-PCR analysis of the transgenic line of pBI-BZ4 tobacco [(A) Region of pBI-BZ4 T-DNA. (B) identification of EF-1α and brazein genes; M, 100 bp plus ladder; Plasmid extracted from P, positive control, Agrobacterium; WT, wild type tobacco plants; 1-5, transgenic tobacco plant line].
18 is a schematic diagram showing a process for purifying brazein from a transgenic tobacco according to the present invention.
19 shows the results of SDS-PAGE analysis of brazein purified by CM-Sepharose chromatography on tobacco leaves [lane M; Triple color protein markers; Lanes 1-5: fraction eluted by CM-Sepharose chromatography].
20 is a sweetness check check list.
FIG. 21 shows the results of SDS-PAGE analysis for comparing brazein expression levels between wild type tobacco leaves and tobacco leaves transformed with the pBI-BZ3 gene [lane M, FroggaBio BLUelf Prestained Protein Ladder; FIG. Lane 1: 20 μg of crude extract of wild-type tobacco leaves; Lane 2: 30 μg of crude extract of transgenic tobacco; Lane 3: 20 μg crude extract of transgenic tobacco].
FIG. 22 shows the results of SDS-PAGE analysis for comparison of brazein levels precipitated by ammonium sulfate precipitation [lane M: Caffematein prestained protein ladder; Lane 1: the protein precipitated by 20-30% of ammonium sulfate; Lane 2: the protein precipitated by 30-40% of ammonium sulfate; Lane 3, protein precipitated by ammonium sulfate 40-50%; Lane 4: protein precipitated by 50-60% of ammonium sulfate; Lane 5, protein precipitated by 60-70% ammonium sulfate; Lane 6: protein precipitated by 70-80% ammonium sulfate; Lane 7: protein precipitated with 80-90% of ammonium sulfate].
FIG. 23 shows the results of SDS-PAGE analysis for comparison of brazein levels purified by heat treatment [lane M: FroggaBio BLUelf Prestained protein ladder; Lane 1, protein remained after heat treatment for 1 hour; Lane 2: the protein remained after heat treatment for 2 hours; Lane 3: the protein remains after heat treatment for 3 hours; Lane 4: the protein remains after heat treatment for 4 h].
FIG. 24 shows the results of SDS-PAGE analysis of brazein purified by heat treatment and DEAE-Sepharose chromatography [lane M: Caffematein prestained protein ladder; Lane 1: the protein remained after heat treatment for 2 hours; Lane 2: elution fraction by DEAE-Sepharose chromatography; Lane 3: flow-through fraction by DEAE-Sepharose chromatography].
Figure 25 shows the results of SDS-PAGE analysis of brazein purified by CM-Sepharose chromatography [lane M: Caffematein prestained protein ladder; Lane 1: flow-through fraction by DEAE-Sepharose chromatography. Lane 2: brazein purified by CM-Sepharose chromatography].
Figure 26 shows the HPLC pattern of recombinant brazein expressed and purified in transgenic tobacco (Nicotiana tabacum) and Kluyveromyces lactis of the present invention ((A): Kluyveromyces lactis, (B): Nicotiana tabacum).
Fig. 27 shows the N-terminal amino acid sequence analysis by Edman digestion.
28 shows the primary structure and N-terminal amino acid sequence analysis of recombinant brazein expressed in transgenic tobacco (Nicotiana tabacum) of the present invention [(A) amino acid sequence of des-pE1M-brazzein, (B) tobacco leaf N-terminal amino acid sequence of purified des-pE1M-brazzein and brazzein].
29 shows circular dichroism spectroscopy of recombinant brazein expressed in Kluyveromyces lactis Spectra are shown [Far-UV CD spectra were obtained at protein concentrations of 2.5, 5.0, 10 and 20 μM].
30 shows circular dichroism spectroscopy of recombinant brazein expressed in transgenic tobacco (Nicotiana tabacum) of the present invention. Spectra are shown [Far-UV CD spectra were obtained at protein concentrations of 2.5, 5.0, 10 and 20 μM].
31 shows a comparison of mean residue ellipticity (MRE) between recombinant brazein and Kluyveromyces lactis of transgenic tobacco (Nicotiana tabacum) of the present invention [solid line: Nicotiana tabacum; Dotted line: Kluyveromyces lactis. Far-UV CD spectra were obtained at a protein concentration of 10 μM].
Fig. 32 shows the molecular weight and amino acid sequence analysis of recombinant brazein obtained from the transformed tobacco (Nicotiana tabacum) of the present invention by LC-MS / MS.
Figure 33 shows the sweetener activity test results of purified recombinant brazein of the transformed tobacco (Nicotiana tabacum) of the present invention.

본 발명은 프로모터 및 이와 작동 가능하게 연결된 AMV(Alfalfa Mosaic Virus RNA4) 인핸서 및 브라제인을 암호화하는 폴리뉴클레오타이드를 포함하는 형질전환 담배 제작용 재조합 발현 벡터에 관한 것이다.The present invention relates to a recombinant expression vector for producing a transgenic tobacco comprising a promoter and a polynucleotide encoding alfalfa mosaic virus RNA4 (AMV) enhancer and operably linked thereto.

본 발명의 일 구현예에서, 프로모터 및 이와 작동 가능하게 연결된 AMV(Alfalfa Mosaic Virus RNA4) 인핸서, 소포체 신호 서열(endoplasmic reticulum signal peptide) 및 브라제인을 암호화하는 폴리뉴클레오타이드를 포함하는 담배 형질전환용 재조합 벡터를 포함한다.In one embodiment of the present invention, a recombinant vector for tobacco transformation comprising a promoter and an operably linked AMV (Alfalfa Mosaic Virus RNA4) enhancer, an endoplasmic reticulum signal peptide, and a polynucleotide encoding brazein It includes.

본 발명에서 '재조합 발현벡터'란 적합한 숙주세포(host cell)에서 목적하는 단백질 또는 핵산(RNA)을 발현할 수 있는 벡터로서, 폴리뉴클레오타이드(유전자) 삽입물이 발현될 수 있도록 작동 가능하게 연결된 필수적인 조절 요소를 포함하는 유전자 작제물을 말한다. In the present invention, a "recombinant expression vector" is a vector capable of expressing a protein or nucleic acid (RNA) of interest in a suitable host cell, and is an essential regulator operably linked to allow the expression of a polynucleotide (gene) insert. Refers to a genetic construct containing the element.

상기에서 AMV(Alfalfa Mosaic Virus RNA4) 인핸서는 35S 프로모터 하부에 위치하여 전사를 촉진시키는 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 본 발명에서의 AMV(Alfalfa Mosaic Virus RNA4) 인핸서는 공지된 서열을 제한없이 사용할 수 있으나, 바람직하게는 GenBank Accession No. M10851에 개시되어 있는 것으로 서열번호 1로 표시되는 염기서열일 수 있다.The Alphalfa Mosaic Virus RNA4 (AMV) enhancer is known to be located under the 35S promoter to promote transcription. Although the Alfalfa Mosaic Virus RNA4 (AMV) enhancer in the present invention can use a known sequence without limitation, preferably GenBank Accession No. As disclosed in M10851 may be a nucleotide sequence represented by SEQ ID NO: 1.

본 발명의 일 구현예로서, 상기 재조합 벡터에 소포체 신호 서열(endoplasmic reticulum signal peptide)를 추가로 포함할 수 있다. 상기 소포체 신호 서열(endoplasmic reticulum signal peptide)은 브라제인의 대량 생산을 위해 소포체에 축적시키는 역할과 올바른 폴딩(folding) 구조를 가지도록 하기 위하여 브라제인 유전자의 상부에 위치하는 것이 바람직하다.In one embodiment of the present invention, the recombinant vector may further include an endoplasmic reticulum signal peptide. The endoplasmic reticulum signal peptide is preferably located on top of the brazein gene in order to accumulate in the endoplasmic reticulum for mass production of brazein and to have a correct folding structure.

상기 브라제인은 야생형 브라제인 또는 브라제인 변이체일 수 있다.The brazein may be a wild type brazein or a brazein variant.

본 발명에 있어서, 브라제인은 브라제인 주타입, 부타입, 변이체를 모두 포함할 수 있다. 상기 브라제인 변이체는 브라제인 부타입(서열번호 1)의 1차 내지 4차로 변이한 변이체를 의미하며, 구체적으로 국내 등록 특허 제 981087호, 국내 등록 특허 제 108340호, 국내 등록 특허 제1416892호, 국내 등록 특허 제1416892호, 또는 국내 등록 특허 제1416892호에 개시된 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In the present invention, brazein may include all of the brazein major type, subtypes, variants. The brazein variant refers to the first to fourth variants of the brazein subtype (SEQ ID NO: 1), specifically, registered Korean Patent No. 981087, domestic registered Patent No. 108340, domestic registered Patent No. 1416892, It may be disclosed in domestic registered patent No. 1416892, or domestic registered patent No. 1416892, but is not limited thereto.

본 발명의 일 구현예로서, 브라제인 유전자 다음에 reverse TEV(untranslated leader sequence of tobacco etch virus) 및 His-tag를 추가 포함시킬 수 있다. 상기 reverse TEV(untranslated leader sequence of tobacco etch virus)은 정제 시 뒷 서열인 His-tag를 제거하여 브라제인의 단맛 활성 유지를 위해 삽입되고, 서열번호 7로 표시된다.In one embodiment of the present invention, the brazein gene may further include reverse TEV (untranslated leader sequence of tobacco etch virus) and His-tag. The reverse TEV (untranslated leader sequence of tobacco etch virus) is inserted to maintain the sweetness activity of brazein by removing His-tag, which is a rear sequence during purification, and is represented by SEQ ID NO: 7.

본 발명의 브라제인 유전자를 포함하는 식물 형질전환용 재조합 벡터는 공지의 식물 형질전환용 벡터를 기본 벡터로 하여 제조될 수 있으며, 일반적인 이원 벡터(binary vector) 또는 코인테그레이션 벡터(cointegration vector)가 사용될 수 있다. 식물 형질전환 시 널리 사용되는 바이너리 벡터의 종류는 매우 다양하며, 거의 모든 바이너리 벡터가 CAMBIA(Center for the Application of Molecular Biology to International Agriculture, GPO Box 3200, Canberra ACT2601, Australia)와 같은 국제센터 및 대학연구소에서 입수가능하며, 기본적인 바이너리 벡터의 골격은 Ti 플라스미드를 모체로 하여 유전자가 전달되는 좌측 및 우측경계 부위에 형질전환체 선별 표지 유전자, 프로모터, 전사종결부위 유전자 등을 다양하게 변형시켜 사용할 수 있다.Recombinant vector for plant transformation comprising the brazein gene of the present invention can be prepared using a known plant transformation vector as a base vector, a general binary vector (cointegration vector) can be used Can be. A wide variety of binary vectors are widely used in plant transformation, and almost all binary vectors are international centers and university research institutes such as the Center for the Application of Molecular Biology to International Agriculture, GPO Box 3200, Canberra ACT2601, Australia (CAMBIA). The basic binary vector skeleton can be used by variously modifying a transformant selection marker gene, a promoter, a transcription termination gene, and the like at the left and right boundary sites where the gene is delivered using the Ti plasmid as a parent.

본 발명에 따른 벡터는 식물 형질전환용 벡터이므로, 당업계에 알려진 다양한 식물체-기능적 프로모터가 사용될 수 있으며, 바람직하게는 상기 브라제인 발현을 위해서 AMV(Alfalfa Mosaic Virus RNA4) 인핸서, 소포체 신호 서열(endoplasmic reticulum signal peptide) 및 브라제인은 프로모터와 작동 가능하게 연결된다. Since the vector according to the present invention is a plant transformation vector, various plant-functional promoters known in the art may be used, and preferably, AMV (Alfalfa Mosaic Virus RNA4) enhancer, endoplasmic signal sequence for the brazein expression. reticulum signal peptide) and brazein are operably linked to the promoter.

상기 '프로모터'란 특정한 숙주 세포에서 작동 가능하게 연결된 핵산 서열의 발현을 조절하는 DNA 서열을 의미하며, '작동 가능하게 연결된다(operably linked)'는 것은 하나의 핵산 단편이 다른 핵산 단편과 결합되어 그의 기능 또는 발현이 다른 핵산 단편에 의해 영향을 받는 것을 말한다. 아울러, 전사를 조절하기 위한 임의의 오퍼레이터 서열, 적합한 mRNA 리보좀 결합 부위를 코딩하는 서열 및 전사 및 해독의 종결을 조절하는 서열을 추가로 포함할 수 있다.The term 'promoter' refers to a DNA sequence that controls the expression of a nucleic acid sequence operably linked in a particular host cell. 'Operably linked' means that one nucleic acid fragment is combined with another nucleic acid fragment. Its function or expression is influenced by other nucleic acid fragments. In addition, it may further comprise any operator sequence for regulating transcription, a sequence encoding a suitable mRNA ribosomal binding site and a sequence regulating termination of transcription and translation.

상기 프로모터로는 칼리플라워 모자이크 바이러스(CaMV) 35S 프로모터, 피그워트 모자이크 바이러스 35S 프로모터, 슈가케인 바실리폼 바이러스 프로모터, 코메리나 옐로우 모틀 바이러스 프로모터, 리불로스-1,5-비스-포스페이트 카르복실라아제의 소단위(ssRUBISCO)로부터의 빛-유도성 프로모터, 쌀 사이토졸릭 트리오세포스페이트 이소머라아제(TPI) 프로모터, 아라비돕시스(Arabidopsis)로부터의 아데닌 포스포리보실트랜스퍼라아제 (APRT)프로모터, 쌀 액틴 1 유전자 프로모터 및 만노핀 신타아제 및 옥토핀 신타아제 프로모터를 포함하며, 바람직하게는 칼리플라워 모자이크 바이러스(CaMV) 35S 프로모터[서열번호 5]를 사용한다.The promoters include the Cauliflower Mosaic Virus (CaMV) 35S promoter, the Pigwarm Mosaic Virus 35S promoter, the Sugarcane Vasiliform Virus promoter, the Comerina Yellow Mottle Virus promoter, the ribulose-1,5-bis-phosphate carboxylase. Light-induced promoter from subunit (ssRUBISCO), rice cytozolic triocellate isomerase (TPI) promoter, adenine phosphoribosyltransferase (APRT) promoter from Arabidopsis, rice actin 1 gene promoter and Mannopin synthase and octopin synthase promoters, preferably the Cauliflower Mosaic Virus (CaMV) 35S promoter (SEQ ID NO: 5).

또한, 상기 선별 표지 유전자는 항생제 저항성 유전자, 제초제 저항성 유전자, 대사관련 유전자, 발광 유전자, GFP(green fluorescence protein) 유전자, GUS(β-glucuronidase) 유전자, GAL(β-galactosidase) 유전자 등을 포함하지만 그것에 한정되는 것은 아니다. 구체적으로 네오마이신 포스포트랜스퍼라제 Ⅱ(NPT Ⅱ) 유전자, 하이그로마이신 포스포트랜스퍼라제 유전자, 포스피노트리신 아세틸트랜스퍼라제 유전자 또는 다이하이드로폴레이트 환원효소 유전자 등이 사용될 수 있지만, 포스피노트리신 아세틸트랜스퍼라제가 바람직하다.In addition, the selection marker gene includes an antibiotic resistance gene, a herbicide resistance gene, a metabolic gene, a luminescent gene, a green fluorescence protein (GFP) gene, a β-glucuronidase (GUS) gene, a β-galactosidase (GAL) gene, and the like. It is not limited. Specifically, neomycin phosphotransferase II (NPT II) gene, hygromycin phosphotransferase gene, phosphinothricin acetyltransferase gene or dihydrofolate reductase gene, etc. may be used, but phosphinothricin Acetyltransferase is preferred.

바람직하게는, 본 발명의 식물 형질전환용 벡터는 도 2에 기재된 개열지도를 가지는 pBI-BZ2, pBI-BZ3 또는 pBI-BZ4일 수 있다. 보다 바람직하게는 본 발명의 식물 형질전환용 벡터는 pBI-BZ3일 수 있다.Preferably, the vector for plant transformation of the present invention may be pBI-BZ2, pBI-BZ3 or pBI-BZ4 having the cleavage map described in FIG. More preferably, the plant transformation vector of the present invention may be pBI-BZ3.

본 발명의 식물 형질전환용 벡터 pBI-BZ2의 경우에는 선택 표지 유전자로서 NOS(nopaline synthase gene) 프로모터, 네오마이신 포스포트랜스퍼라제 Ⅱ(NPT Ⅱ) 유전자, NOS(nopaline synthase gene) 터미네이터, 칼리플라워 모자이크 바이러스 35S 프로모터, AMV(Alfalfa Mosaic Virus RNA4) 인핸서, 소포체 신호 서열, 브라제인 유전자, reverse TEV(untranslated leader sequence of tobacco etch virus), His-tag 및 NOS(nopaline synthase gene) 터미네이터가 순차적으로 연결된 유전자 구조물을 포함한다.In the plant transformation vector pBI-BZ2 of the present invention, NOS (nopaline synthase gene) promoter, neomycin phosphotransferase II (NPT II) gene, NOS (nopaline synthase gene) terminator, and califlower mosaic are selected marker genes. Gene constructs in which the virus 35S promoter, AMF (Alfalfa Mosaic Virus RNA4) enhancer, vesicle signal sequence, brazein gene, reverse untranslated leader sequence of tobacco etch virus (TEV), His-tag, and nopaline synthase gene (NOS) terminator It includes.

본 발명의 식물 형질전환용 벡터 pBI-BZ3의 경우에는 선택 표지 유전자로서 NOS(nopaline synthase gene) 프로모터, 네오마이신 포스포트랜스퍼라제 Ⅱ(NPT Ⅱ) 유전자, NOS(nopaline synthase gene) 터미네이터, 칼리플라워 모자이크 바이러스 35S 프로모터, AMV(Alfalfa Mosaic Virus RNA4) 인핸서, 소포체 신호 서열, 브라제인 유전자 및 NOS(nopaline synthase gene) 터미네이터가 순차적으로 연결된 유전자 구조물을 포함한다.In the plant transformation vector pBI-BZ3 of the present invention, NOS (nopaline synthase gene) promoter, neomycin phosphotransferase II (NPT II) gene, NOS (nopaline synthase gene) terminator, and califlower mosaic are selected marker genes. Viral gene 35S promoter, Alfalfa Mosaic Virus RNA4 (AMV) enhancer, endoplasmic reticulum signal sequence, brazein gene and nopaline synthase gene (NOS) terminator.

본 발명의 식물 형질전환용 벡터 pBI-BZ4의 경우에는 선택 표지 유전자로서 NOS(nopaline synthase gene) 프로모터, 네오마이신 포스포트랜스퍼라제 Ⅱ(NPT Ⅱ) 유전자, NOS(nopaline synthase gene) 터미네이터, 칼리플라워 모자이크 바이러스 35S 프로모터, AMV(Alfalfa Mosaic Virus RNA4) 인핸서, 브라제인 유전자 및 NOS(nopaline synthase gene) 터미네이터가 순차적으로 연결된 유전자 구조물을 포함한다.In the plant transformation vector pBI-BZ4 of the present invention, NOS (nopaline synthase gene) promoter, neomycin phosphotransferase II (NPT II) gene, NOS (nopaline synthase gene) terminator, and califlower mosaic are selected marker genes. Viral gene 35S promoter, Alfalfa Mosaic Virus RNA4 (AMV) enhancer, brazein gene and nopaline synthase gene (NOS) terminator.

한편, 본 발명의 일 실시예에서는 본 발명의 재조합 벡터를 아그로박테리움속 미생물(agrobacterium spp.)에 형질전환시킨 다음 상기 형질전환된 아그로박테리움에 의해 식물 내로 브라제인 유전자가 도입되도록 하였다.Meanwhile, in one embodiment of the present invention, the recombinant vector of the present invention was transformed into an agrobacterium spp. And then the brazein gene was introduced into the plant by the transformed agrobacterium.

따라서, 본 발명은 본 발명의 식물 형질전환용 벡터로 형질전환된 세포를 제공한다. 형질전환된 세포로는 아그로박테리움속 미생물(agrobacterium spp.), 바람직하게는 아그로박테리움 투메파시엔스 (Agrobacterium tumefacience)또는 아그로박테리움 라이조게네스(Agrobacterium rhizogene)일 수 있다.Therefore, the present invention provides a cell transformed with the plant transformation vector of the present invention. The transformed cells may be agrobacterium spp., Preferably Agrobacterium tumefacience or Agrobacterium rhizogenes.

본 발명에서는 또한 상기 재조합 발현 벡터로 형질전환된 담배를 제공한다. 상기 형질전환된 담배는 브라제인을 과발현하며, 담배의 세포, 조직 또는 그 배양물일 수 있으며 담배의 일부 또는 전체를 포함한다.The present invention also provides a tobacco transformed with the recombinant expression vector. The transformed tobacco overexpresses brazein and may be a cell, tissue or culture thereof of tobacco and includes some or all of the tobacco.

본 발명에서의 담배는 바람직하게는 씨(종자)를 만들고 퍼뜨려 번식하는 종자식물에 속한다. 상기 종자식물은 크게 영양 기관인 뿌리, 줄기, 잎, 그리고 생식기관인 꽃으로 구성되어 있고, 발달하지 않은 배아 상태의 식물인 종자가 있다. 본 발명에서의 담배는 완전한 구조를 갖는 전체 담배 식물체이거나 상기 뿌리, 줄기, 잎, 꽃, 종자 등 기관, 조직 또는 다수의 세포로 이루어진 담배의 일부일 수 있다. 담배의 일부는 전체 식물체에 연결된 상태일 수도 있고, 분리된 것일 수도 있다.Tobacco in the present invention preferably belongs to seed plants which produce and spread seeds (seeds). The seed plant is composed of roots, stems, leaves, and flowers of the reproductive organs, which are largely nutritious organs, and have seeds that are embryos of an undeveloped state. The tobacco in the present invention may be a whole tobacco plant having a complete structure or a part of tobacco, which is composed of organs, tissues or a plurality of cells such as roots, stems, leaves, flowers and seeds. Some of the tobacco may be connected to the entire plant or may be separated.

또한, 본 발명에 따른 형질전환된 담배의 세포 또는 조직은 담배에서 유래한 것이라면 종류가 제한되지 않는다.In addition, the cells or tissues of the transformed tobacco according to the present invention is not limited as long as it is derived from tobacco.

또한, 본 발명에서의 담배는 담배 세포 또는 조직의 배양물을 포함한다. 상기 '배양물(culture)'은 식물 세포나 조직이 식물 전체의 형태를 형성하거나 식물체를 재생하는 능력인 전형성능을 이용하여 식물의 세포, 조직, 기관, 배, 종자 등 식물의 일부를 영양소가 첨가된 배지에서 배양한 산물을 의미한다. 상기 식물의 세포/조직 배양 산물로는 예를 들어, 배 배양, 절편 배양, 캘러스(callus) 배양, 현탁 배양, 약 배양(화분 배양), 원형질체 배양 등의 배양물일 수 있으나 여기 제한되는 것은 아니다. 원형질체는 식물 세포벽을 제거하고 분리해 낸 세포 내용물을 의미한다.In addition, tobacco in the present invention comprises a culture of tobacco cells or tissue. The 'culture' refers to a part of the plant, such as cells, tissues, organs, pears, seeds, etc. of the plant by using the pluripotency, which is the ability of the plant cells or tissues to form or regenerate the entire plant. It means the product cultured in the added medium. Cell / tissue culture products of the plant may be, for example, but not limited to, cultures such as embryo culture, section culture, callus culture, suspension culture, drug culture (potted culture), protoplast culture, and the like. Protoplasts refer to the cell contents from which the plant cell wall has been removed and isolated.

본 발명에서의 담배는 담배 속(Nicotiana genus) 식물로서 단백질을 과발현할 수 있는 것이라면 특별히 종류의 제한을 받지 않으며, 형질전환 방법과 단백질 대량 생산의 목적에 맞게 적절한 품종을 선택하여 본 발명을 실시할 수 있다. 예를 들어 Nicotiana benthamiana L.나 Nicotiana tabacum cv. xanthi 등의 품종을 이용할 수 있다.Tobacco in the present invention is not particularly limited as long as it is a plant of the genus Tobacco (Nicotiana genus) that can overexpress the protein, it is possible to carry out the present invention by selecting a variety suitable for the purpose of transformation and mass production of proteins. Can be. For example, Nicotiana benthamiana L. or Nicotiana tabacum cv. Varieties such as xanthi can be used.

본 발명에 따른 재조합 발현벡터로 형질전환된 담배는 당업계에 공지된 식물의 형질전환 방법을 제한 없이 사용하여 제조할 수 있다. 식물의 형질전환 방법으로는 예를 들어, 본 발명에 따른 재조합 발현 벡터를 포함하는 리포좀과 식물 원형질체를 융합하는 방법, PEG를 이용하여 재조합 발현 벡터를 식물 원형질체로 주입하는 방법, 상기 재조합 발현 벡터의 식물 세포로의 직접주입법, 미세입자충격법, 유전자총, 전기천공법(electroporation), 바이러스를 이용한 형질전환법, 진공을 이용한 형질전환법(vaccum infiltration method), 화아침지법(floral meristem dipping method) 등을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 아그로박테리움을 이용한 형질전환 방법을 사용할 수 있다.Tobacco transformed with the recombinant expression vector according to the present invention can be prepared using a method of transforming a plant known in the art without limitation. As a transformation method of a plant, for example, a method of fusing a liposome comprising a recombinant expression vector and a plant protoplast, a method of injecting a recombinant expression vector into a plant protoplast using PEG, Direct injection into plant cells, microparticle bombardment, gene gun, electroporation, transformation with virus, vaccum infiltration method, floral meristem dipping method And the like, and preferably, a transformation method using Agrobacterium may be used.

본 발명은 또한,The present invention also provides

프로모터 및 이와 작동 가능하게 연결된 AMV(Alfalfa Mosaic Virus RNA4) 인핸서, 소포체 신호 서열(endoplasmic reticulum signal peptide) 및 브라제인을 암호화하는 폴리뉴클레오타이드를 포함하는 담배 형질전환용 재조합 벡터를 제작하는 단계;Preparing a recombinant vector for tobacco transformation comprising a promoter and an operably linked AMV (Alfalfa Mosaic Virus RNA4) enhancer, an endoplasmic reticulum signal peptide and a polynucleotide encoding brazein;

상기 벡터를 담배에 형질전환시켜 형질전환된 담배를 제작하는 단계;Transforming the vector to tobacco to produce a transformed tobacco;

를 포함하는 브라제인 고발현용 형질전환 담배의 제조방법을 포함한다.It includes a method for producing a transformed tobacco for braze high expression comprising a.

(1) 단계는 담배 형질전환용 재조합 벡터를 제작하는 단계로, 본 발명에 따른 재조합 발현벡터의 제조방법에서 상술한 바와 같다.Step (1) is a step of preparing a recombinant vector for tobacco transformation, as described above in the method for producing a recombinant expression vector according to the present invention.

(2) 단계는 상기 벡터를 담배에 형질전환시키는 단계로, 구체적으로 아그로박테리움을 이용한 형질전환 방법으로 상기 벡터를 담배에 형질전환시킬 수 있다.Step (2) is to transform the vector into tobacco, specifically, the vector may be transformed into tobacco by a transformation method using Agrobacterium.

상기 '아그로박테리움을 이용한 형질전환 방법'은 식물의 뿌리와 줄기에 종양을 일으키는 토양의 그람 음성세균인 아그로박테리움을 이용하여 식물 세포에 외부 유전자를 전달하는 방법이다. 아그로박테리움 투메파시엔스(Agrobacterium tumefaciens), 아그로박테리움 리조게네스(Agrobacterium rhizogenes) 등의 아그로박테리움에서 발견되는 종양 유발 플라스미드(tumor-inducing plasmid, Ti plasmid)의 T-DNA(transfer DNA)가 식물의 유전체(genome)에 삽입되는 현상을 이용한 방법이다. 아그로박테리움을 이용한 형질전환에서는 식물에 도입하려는 외부 유전자(exogenous DNA)와 T-DNA(외부 유전자의 양쪽 가장자리에 위치하는 LB와 RB 서열)를 포함하는 바이너리 플라스미드(또는 바이너리 벡터) 및 T-DNA가 식물 유전체에 삽입되도록 하는 보조 플라스미드(helper plasmid)의 두 가지 플라스미드로 이루어진 바이너리 시스템을 이용하는 것이 일반적이다. 아그로박테리움을 이용한 형질전환 방법은 잎, 줄기, 뿌리 등 다양한 식물의 조직에 사용할 수 있으며, 어린 조직이 형질전환이 잘되는 경향이 있다.The transformation method using Agrobacterium is a method of delivering external genes to plant cells using Agrobacterium, a Gram-negative bacterium of soil causing tumors in the roots and stems of plants. T-DNA (transfer DNA) of tumor-inducing plasmid (Ti plasmid) found in Agrobacterium, such as Agrobacterium tumefaciens and Agrobacterium rhizogenes It is a method using a phenomenon inserted into the genome of a plant. In transformation with Agrobacterium, binary plasmids (or binary vectors) and T-DNA containing exogenous DNA and T-DNA (LB and RB sequences located on both edges of the external gene) to be introduced into the plant It is common to use a binary system consisting of two plasmids of helper plasmids that allow the plasmid to be inserted into the plant genome. Transformation method using Agrobacterium can be used for tissues of various plants such as leaves, stems, and roots, and young tissues tend to be transformed well.

본 발명에서의 아그로박테리움을 이용한 형질전환 방법을 이용하여 브라제인 유전자를 일과성 발현(transient expression)할 수도 있고, 안정적 발현(stable expression)할 수도 있다. 일과성 발현을 위해서는 식물의 일부, 예를 들어 식물의 잎을 재조합 발현 벡터를 포함하는 아그로박테리움으로 감염시켜 형질전환하고, 목적하는 단백질이 충분히 발현될 수 있는 시간이 지난 뒤 식물에서 감염된 부분을 수득할 수 있다. 안정적 발현을 위하여 식물의 세포나 조직을 배양하여 아그로박테리움으로 감염시켜 형질전환한 뒤, 추가 배양하여 적합한 형질전환체를 선별하고 재분화 과정을 거친 뒤 완전한 구조를 갖는 형질전환 식물체로 배양할 수 있다. 상기 형질전환된 식물체에서 종자를 수득하고 발아시킴으로써 다음 세대에서도 안정적으로 형질전환 식물체를 수득할 수 있다.Using the Agrobacterium transformation method of the present invention, the brazein gene may be transiently expressed or stablely expressed. For transient expression, a part of the plant, for example, a leaf of the plant, is infected with Agrobacterium containing a recombinant expression vector and transformed, and the infected portion of the plant is obtained after a time sufficient for the desired protein to be sufficiently expressed. can do. For stable expression, the cells or tissues of the plant may be cultured, infected with Agrobacterium, transformed, and further cultured to select suitable transformants, followed by redifferentiation, and then cultured into transformed plants having a complete structure. . By obtaining and germinating seeds from the transformed plants, the transgenic plants can be obtained stably in the next generation.

또한, 본 발명은In addition, the present invention

상기 재조합 발현 벡터로 담배를 형질전환하는 단계;Transforming tobacco with the recombinant expression vector;

상기 형질전환된 담배를 재배하는 단계;Cultivating the transformed tobacco;

상기 재배한 담배를 수득하는 단계; 및Obtaining the cultivated tobacco; And

상기 수득한 담배로부터 브라제인을 회수하는 단계Recovering brazein from the tobacco obtained

를 포함하는 브라제인의 대량 생산 방법을 포함한다.It includes a mass production method of brazein comprising a.

구체적으로, 본 발명에 따른 브라제인의 대량 생산 방법에서, (1) 단계는 상기 재조합 발현 벡터로 담배를 형질전환하는 단계이다.Specifically, in the mass production method of brazein according to the present invention, step (1) is a step of transforming tobacco with the recombinant expression vector.

상기 재조합 발현 벡터, 식물의 형질전환 방법, 그리고 형질전환의 대상이 되는 식물의 범위와 종류에 대하여서는 앞서 상술한 바와 같다.The recombinant expression vector, plant transformation method, and the range and type of the plant to be transformed are as described above.

(2) 단계는 상기 형질전환된 담배를 재배하는 단계이다.Step (2) is cultivation of the transformed tobacco.

상기 담배를 재배하는 단계는 담배를 형질전환한 후, 목적하는 바에 부합하는 양의 단백질을 발현하는 시간 동안 담배의 성장에 필요한 빛, 온도, 습도 등의 환경 조건과 물, 무기염류, 영양소, 호르몬 등 식물 성장에 필요한 요소들을 제공하는 것을 의미한다. 식물에서 분리된 세포, 조직 또는 이들의 배양물을 형질전환한 경우, 상기 물, 영양소, 무기염류, 생장조절제 등 담배 조직 배양에 필요한 요소들은 배양 배지(culture media)를 통해 전달될 수 있다. 또한 유도성 프로모터를 이용하여 식물에서 본 발명에 따른 브라제인을 발현시킨 경우, 상기 유도성 프로모터를 활성화하는데 필요한 해당 자극, 예를 들어 빛, 열 또는 호르몬 등을 가하면서 재배할 수 있다.The step of cultivating the tobacco, after transforming the tobacco, the environmental conditions such as light, temperature, humidity, and water, inorganic salts, nutrients, hormones necessary for the growth of tobacco during the time to express the desired amount of protein This means providing the necessary elements for plant growth. When cells, tissues or their cultures isolated from plants are transformed, elements necessary for the culture of tobacco tissues such as water, nutrients, inorganic salts, growth regulators, etc. may be delivered through culture media. In addition, when the brazein according to the present invention is expressed in a plant using an inducible promoter, it may be grown while applying a corresponding stimulus required for activating the inducible promoter, for example, light, heat or hormones.

(3) 단계는 재배한 담배를 수득하는 단계이다.Step (3) is a step of obtaining tobacco grown.

상기 식물을 수득하는 단계는 형질전환되어 목적하는 단백질을 과발현하는 담배의 전체 또는 일부를 수득하는 것을 의미한다. 본 발명의 브라제인을 과발현하는 뿌리, 줄기, 잎 등의 형질전환된 부분 또는 형질전환된 식물체의 종자를 수득하는 것일 수 있으며, 식물 세포나 조직의 배양물, 예를 들어 브라제인 유전자로 형질전환된 캘러스나 원형질체 등을 수득하는 것일 수도 있다.Obtaining the plant means obtaining all or part of the tobacco that is transformed to overexpress the desired protein. It may be to obtain the transformed part of the root, stem, leaf and the like or the seed of the transformed plant overexpressing the brazein of the present invention, transformed with a culture of plant cells or tissues, for example the brazein gene It may be to obtain a callus, a protoplast or the like.

(4) 단계는 상기 수득한 담배로부터 브라제인을 회수하는 단계이다. Step (4) is a step of recovering brazein from the obtained tobacco.

상기 단계는 형질전환 담배로부터 브라제인을 분리하는 단계로, 형질전환 담배를 분쇄하고 여과하여 단백질을 추출한다. 염석, 열 처리, 음이온 크로마토그래피 및 양이온 크로마토그래피를 순차적으로 실시하여 정제하여 브라제인을 고순도로 분리해낼 수 있다.The step is to separate the brazein from the transgenic tobacco, the transgenic tobacco is ground and filtered to extract the protein. Brazein can be separated in high purity by performing salting, heat treatment, anion chromatography, and cationic chromatography sequentially.

상기 염석은 30~80% 농도의 황산암모늄 용액으로 침전시켜 수행하는 것이 바람직하다. The salting is preferably carried out by precipitation with an ammonium sulfate solution of 30 to 80% concentration.

상기 열 처리는 70~90℃에서 1~3시간 동안 실시하는 것이 바람직하다.The heat treatment is preferably performed for 1 to 3 hours at 70 ~ 90 ℃.

상기 음이온 크로마토그래피는 음이온 교환 수지인 DEAE-세파로스 (diethylamnioethyl-Sepharose)를 이용하여 수행하고, 상기 양이온 크로마토그래피는 양이온 이온 수지인 CM-세파로스(carboxymethyl-Sepharose)를 이용하여 수행하는 것이 바람직하다.The anion chromatography is performed using DEAE-Sepharose, an anion exchange resin, and the cation chromatography is preferably performed using CM-Sepharose, a cationic ion resin. .

단백질을 추출하기 위하여 담배를 냉동, 건조시키는 등의 전처리를 할 수 있다. 본 발명에 따른 브라제인를 과발현하는 형질전환체 담배를 대량으로 급속 증식하여 브라제인을 대량 생산할 수 있다.In order to extract proteins, pretreatment such as freezing and drying the tobacco can be performed. It is possible to rapidly produce a large amount of the transformed tobacco overexpressing the brazein according to the present invention in large quantities.

이렇게 제작된 형질전환 담배 식물체로 브라제인을 생산할 경우 교차오염이 발생하지 않기 때문에 상용화 단계에서 머물렀던 교차오염 문제를 해결할 수 있다. 또한, 형질전환 담배 식물체를 사용하여 유용단백질을 생산할 경우 다른 식물체에 비해 2-3 m 가량의 큰 성체로 성장할 수 있어 브라제인의 대량 생산이 가능하며, 종자 형태로 오랜 기간 동안 활성이 유지되는 상태로 보관이 가능한 장점이 있다.Since the production of braze with the transgenic tobacco plants thus produced does not cause cross-contamination, the problem of cross-contamination that remained in the commercialization stage can be solved. In addition, when a useful protein is produced using a transgenic tobacco plant, it is able to grow into a large adult of about 2-3 m compared to other plants, thereby enabling mass production of brazein, and maintaining its activity for a long time in the form of a seed. It can be stored as an advantage.

특히, 형질전환 담배에서 수율을 다소 적게 나타났지만, 생산비가 많이 드는 효모 발현계에 비해 대량으로 재배했을 때 생산 단가 또는 관리 면에서 담배 발현계가 보다 산업상 이용 가능성이 높다.In particular, although the yield is slightly lower in the transgenic tobacco, the tobacco expression system is more industrially available in terms of production cost or management when it is cultivated in large quantities compared to the yeast expression system which is expensive to produce.

이하, 본 발명에 따르는 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 하기 제시된 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples according to the present invention, but the scope of the present invention is not limited to the examples given below.

[실시예]EXAMPLE

<재료 및 실험방법><Materials and Test Methods>

1. 식물 발현 벡터 구축1. Constructing Plant Expression Vectors

1.1 4 종류의 유전자 발현 카세트 설계1.1 Four Kinds of Gene Expression Cassettes

형질전환 담배 식물체 내에서 브라제인 발현양을 비교하기 위해 발현 유전자 카세트를 네 가지로 달리하여 구축하였다. 카세트 양 말단에는 Nco I과 BamH I 제한효소 자리를 포함하여 합성하였다.Four different expression gene cassettes were constructed to compare the amount of brazein expression in transgenic tobacco plants. Both ends of the cassette were synthesized including Nco I and Bam H I restriction sites.

발현 유전자 카세트 중 Design 1과 Design 2는 폴리펩타이드 C 말단에 소포체 내에 단백질을 축적시키는 역할을 하는 KDEL (Lys-Asp-Glu-Leu) 아미노산 서열의 유무에 따라 발현양의 차이를 비교하기 위해 설계하였다(도 1의 (A)). 그리고 브라제인의 N-말단이 단맛에 있어서 매우 중요하기 때문에 브라제인 유전자 서열 양 끝에 TEV(Tobacco etch virus) protease 서열을 넣어 정제 후 브라제인만 절단되도록 하였다. Design 1 and Design 2 of the expression gene cassettes were designed to compare the difference in expression according to the presence or absence of the KDEL (Lys-Asp-Glu-Leu) amino acid sequence, which accumulates proteins in the endoplasmic reticulum at the polypeptide C terminus. (FIG. 1A). And since the N-terminus of brazein is very important for sweetness, the TEV (Tobacco etch virus) protease sequence was added to both ends of the brazein gene sequence, so that only the brazein was cut after purification.

Design 3과 Design 4의 경우에는 리보솜에서 만들어진 1차 형태의 폴리펩타이드가 소포체 내로 들어가게 해주는 소포체 신호서열(signal peptide, SP)[서열번호 4]의 유무에 따라 발현양의 차이를 비교하기 위해 설계하였다(도 1의 (A)). Design 3 and Design 4 were designed to compare the difference in expression according to the presence or absence of signal peptide (SP) [SEQ ID NO: 4], which allows the first type of polypeptide made from ribosomes to enter the endoplasmic reticulum. (FIG. 1A).

AMV(Alfalfa Mosaic Virus RNA4) 인핸서: 서열번호3 TTTTATTTTTAATTTTCTTTCAAATACTTCCAAlfalfa Mosaic Virus RNA4 (AMV) enhancer: SEQ ID NO: 3 TTTTATTTTTAATTTTCTTTCAAATACTTCCA

소포체 신호 서열(endoplasmic reticulum signal peptide): 서열번호 4Endoplasmic reticulum signal peptide: SEQ ID NO: 4

GCTACCCAAAGGAGAGCAAACCCTAGTTCTCTACATCTTATCACTGTGTTCTCACTGCTTGCTGCAGTAGTTTCCGCCGAAGTTGAT GCTACCCAAAGGAGAGCAAACCCTAGTTCTCTACATCTTATCACTGTGTTCTCACTGCTTGCTGCAGTAGTTTCCGCCGAAGTTGAT

칼리플라워 모자이크 바이러스(CaMV) 35S 프로모터: 서열번호 5Cauliflower Mosaic Virus (CaMV) 35S Promoter: SEQ ID NO: 5

GCATGCCTGCAGGTCCGATTGAGACTTTTCAACAAAGGGTAATATCCGGAAACCTCCTCGGATTCCATTGCCCAGCTATCTGTCACTTTATTGTGAAGATAGTGGAAAAGGAAGGTGGCTCCTACAAATGCCATCATTGCGATAAAGGAAAGGCCATCGTTGAAGATGCCTCTGCCGACAGTGGTCCCAAAGATGGACCCCCACCCACGAGGAGCATCGTGGAAAAAGAAGACGTTCCAACCACGTCTTCAAAGCAAGTGGATTGATGTGATGGTCCGATTGAGACTTTTCAACAAAGGGTAATATCCGGAAACCTCCTCGGATTCCATTGCCCAGCTATCTGTCACTTTATTGTGAAGATAGTGGAAAAGGAAGGTGGCTCCTACAAATGCCATCATTGCGATAAAGGAAAGGCCATCGTTGAAGATGCCTCTGCCGACAGTAGTCCCAAAGATGGACCCCCACCCACGAGGAGCATCGTGGAAAAAGAAGACGTTCCAACCACGTCTTCAAAGCAAGTGGATTGATGTGATATCTCCACTGACGTAAGGGATGACGCACAATCCCACTATCCTTCGCAAGACCCTTCCTCTATATAAGGAAGTTCATTTCATTTGGAGAGGGCATGCCTGCAGGTCCGATTGAGACTTTTCAACAAAGGGTAATATCCGGAAACCTCCTCGGATTCCATTGCCCAGCTATCTGTCACTTTATTGTGAAGATAGTGGAAAAGGAAGGTGGCTCCTACAAATGCCATCATTGCGATAAAGGAAAGGCCATCGTTGAAGATGCCTCTGCCGACAGTGGTCCCAAAGATGGACCCCCACCCACGAGGAGCATCGTGGAAAAAGAAGACGTTCCAACCACGTCTTCAAAGCAAGTGGATTGATGTGATGGTCCGATTGAGACTTTTCAACAAAGGGTAATATCCGGAAACCTCCTCGGATTCCATTGCCCAGCTATCTGTCACTTTATTGTGAAGATAGTGGAAAAGGAAGGTGGCTCCTACAAATGCCATCATTGCGATAAAGGAAAGGCCATCGTTGAAGATGCCTCTGCCGACAGTAGTCCCAAAGATGGACCCCCACCCACGAGGAGCATCGTGGAAAAAGAAGACGTTCCAACCACGTCTTCAAAGCAAGTGGATTGATGTGATATCTCCACTGACGTAAGGGATGACGCACAATCCCACTATCCTTCGCAAGACCCTTCCTCTATATAAGGAAGTTCATTTCATTTGGAGAGG

NOS terminator: 서열번호 6NOS terminator: SEQ ID NO: 6

CCGATCGTTCAAACATTTGGCAATAAAGTTTCTTAAGATTGAATCCTGTTGCCGGTCTTGCGATGATTATCATATAATTTCTGTTGAATTACGTTAAGCATGTAATAATTAACATGTAATGCATGACGTTATTTATGAGATGGGTTTTTATGATTAGAGTCCCGCAATTATACATTTAATACGCGATAGAAAACAAAATATAGCGCGCAAACTAGGATAAATTATCGCGCGCGGTGTCATCTATGTTACTAGATCGGCCGATCGTTCAAACATTTGGCAATAAAGTTTCTTAAGATTGAATCCTGTTGCCGGTCTTGCGATGATTATCATATAATTTCTGTTGAATTACGTTAAGCATGTAATAATTAACATGTAATGCATGACGTTATTTATGAGATGGGTTTTTATGATTAGAGTCCCGCAATTATACATTTAATACGCGATAGAAAACAATAATACATACCATTAGCAT

reverse TEV(untranslated leader sequence of tobacco etch virus): 서열번호 7reverse untranslated leader sequence of tobacco etch virus (TEV): SEQ ID NO: 7

ggccagttttacctcaatgagggccagttttacctcaatgag

NOS(nopaline synthase gene) 프로모터: 서열번호 8NOS (nopaline synthase gene) promoter: SEQ ID NO: 8

gggtttctggagtttaatgagctaagcacatacgtcagaaaccattattgcgcgttcaaaagtcgcctaaggtcactatcagctagcaaatatttcttgtcaaaaatgctccactgacgttccataaattcccctcggtatccaattagagtctcatattcactctcaatccaaataatctgca gggtttctggagtttaatgagctaagcacatacgtcagaaaccattattgcgcgttcaaaagtcgcctaaggtcactatcagctagcaaatatttcttgtcaaaaatgctccactgacgttccataaattcccctcggtatccaattagagtctcatattcactctcaatccaaataatctgca

네오마이신 포스포트랜스퍼라제 Ⅱ(NPT Ⅱ) 유전자: 서열번호 9Neomycin phosphotransferase II (NPT II) gene: SEQ ID NO: 9

atgattgaacaagatggattgcacgcaggttctccggccgcttgggtggagaggctattcggctatgactgggcacaacagacaatcggctgctctgatgccgccgtgttccggctgtcagcgcaggggcgcccggttctttttgtcaagaccgacctgtccggtgccctgaatgaactgcaggacgaggcagcgcggctatcgtggctggccacgacgggcgttccttgcgcagctgtgctcgacgttgtcactgaagcgggaagggactggctgctattgggcgaagtgccggggcaggatctcctgtcatctcaccttgctcctgccgagaaagtatccatcatggctgatgcaatgcggcggctgcatacgcttgatccggctacctgcccattcgaccaccaagcgaaacatcgcatcgagcgagcacgtactcggatggaagccggtcttgtcgatcaggatgatctggacgaagagcatcaggggctcgcgccagccgaactgttcgccaggctcaaggcgcgcatgcccgacggcgaggatctcgtcgtgacccatggcgatgcctgcttgccgaatatcatggtggaaaatggccgcttttctggattcatcgactgtggccggctgggtgtggcggaccgctatcaggacatagcgttggctacccgtgatattgctgaagagcttggcggcgaatgggctgaccgcttcctcgtgctttacggtatcgccgctcccgattcgcagcgcatcgccttctatcgccttcttgacgagttcttctgaatgattgaacaagatggattgcacgcaggttctccggccgcttgggtggagaggctattcggctatgactgggcacaacagacaatcggctgctctgatgccgccgtgttccggctgtcagcgcaggggcgcccggttctttttgtcaagaccgacctgtccggtgccctgaatgaactgcaggacgaggcagcgcggctatcgtggctggccacgacgggcgttccttgcgcagctgtgctcgacgttgtcactgaagcgggaagggactggctgctattgggcgaagtgccggggcaggatctcctgtcatctcaccttgctcctgccgagaaagtatccatcatggctgatgcaatgcggcggctgcatacgcttgatccggctacctgcccattcgaccaccaagcgaaacatcgcatcgagcgagcacgtactcggatggaagccggtcttgtcgatcaggatgatctggacgaagagcatcaggggctcgcgccagccgaactgttcgccaggctcaaggcgcgcatgcccgacggcgaggatctcgtcgtgacccatggcgatgcctgcttgccgaatatcatggtggaaaatggccgcttttctggattcatcgactgtggccggctgggtgtggcggaccgctatcaggacatagcgttggctacccgtgatattgctgaagagcttggcggcgaatgggctgaccgcttcctcgtgctttacggtatcgccgctcccgattcgcagcgcatcgccttctatcgccttcttgacgagttcttctga

1.2 pBI-BZ 벡터 구축1.2 pBI-BZ Vector Construction

식물 형질전환 벡터는 아그로박테리움 플라스미드에 기초하여 제작하였다. NPTⅡ 선택 마커 유전자를 가지고 있는 pBINPLUS[중앙대학교 의과대학 생체단백질공학연구실]와 강력한 duplicated-enhancer CaMV (Cauliflower Mosaic Virus) 35S promoter[서열번호 5], AMV reader (Alfalfa Mosaic Virus RNA4)[서열번호 3] 그리고 NOS terminator[서열번호 6]가 존재하는 pBI525 벡터(Datla, R.S., Bekkaoui, F., Hammerlindl, J.K., Pilate, G., Dunstan,D.I., and Crosby, W.L. (1993). Improved high-level constitutive foreign gene expression in plants using an AMV RNA4 untranslated leader sequence. Plant science, 94, 139-149.)[중앙대학교 의과대학 생체단백질공학연구실]를 ligation하여 pBI-BZ 벡터를 구축하였다(도 1의 (B)).Plant transformation vectors were constructed based on the Agrobacterium plasmid. PBINPLUS [Central University Biomedical Engineering Engineering Laboratory] with NPTII selection marker gene and powerful duplicated-enhancer CaMV (Cauliflower Mosaic Virus) 35S promoter [SEQ ID NO: 5], AMV reader (Alfalfa Mosaic Virus RNA4) [SEQ ID NO: 3] And pBI525 vectors with NOS terminator (SEQ ID NO: 6) (Datla, RS, Bekkaoui, F., Hammerlindl, JK, Pilate, G., Dunstan, DI, and Crosby, WL (1993) .Improved high-level constitutive foreign Gene expression in plants using an AMV RNA4 untranslated leader sequence.Plant Science, 94, 139-149.) [Bioprotein Engineering Laboratory, Chung-Ang University College of Medicine] was constructed to construct a pBI-BZ vector (FIG. 1 (B)). .

pBI525 벡터와 브라제인 유전자 카세트 4개를 각각 Nco I, BamH I 제한효소(TAKARA, Shiga, Japan)를 처리한 다음 0.7% 아가로스 겔에 전기영동 하였다. FavorPrep GEL/PCR Purification Mini Kit (FAVORGEN, Ping-Tung, Taiwan)를 사용하여 겔에서 추출(gel extraction) 후 20 ng/㎕ 농도의 pBI525 5 ㎕, 유전자 카세트 21 ㎕를 T4 ligase 1 ㎕, 10X ligase buffer 3 ㎕ (Promega, CA, USA)와 섞은 후 4℃에서 16시간 동안 연결(Ligation)하였다. Ligation sample 30 ㎕을 E. coli TOP10에 형질전환 후 ligation이 확인된 콜로니(Colony)를 클로닝(Cloning)하여 pBINPLLUS (도 1의 (c))와 각각 Hind Ⅲ, EcoRⅠ 제한효소(TAKARA, Shiga, Japan)를 처리한 다음 위와 동일한 방법으로 서브클로닝(Subcloning)하여 네 종류 브라제인 발현벡터 pBI-BZ1-4 (pBI-BZ1, pBI-BZ2, pBI-BZ3, pBI-BZ4)를 구축하였다(도 2). The pBI525 vector and four brazein gene cassettes were treated with Nco I and Bam H I restriction enzymes (TAKARA, Shiga, Japan), respectively, and electrophoresed on 0.7% agarose gel. After gel extraction using FavorPrep GEL / PCR Purification Mini Kit (FAVORGEN, Ping-Tung, Taiwan), 5 μl of pBI525 at 20 ng / μl concentration, 21 μl of gene cassette was added to 1 μl of T4 ligase, 10 × ligase buffer. After mixing with 3 μl (Promega, CA, USA) and ligation for 16 hours at 4 ℃. After ligation of 30 µl of Ligation sample was transformed into E. coli TOP10, the cloned colonies (Colony) were cloned and cloned into pBINPLLUS (Fig. 1 (c)) and Hind III, Eco R I restriction enzymes (TAKARA, Shiga, Japan) and then subcloned in the same manner as above to construct four types of brazein expression vectors pBI-BZ1-4 (pBI-BZ1, pBI-BZ2, pBI-BZ3, pBI-BZ4) (Fig. 2). ).

2 식물 재료 및 형질전환2 Plant materials and transformation

2.1 식물 재료2.1 plant material

본 실험의 재료인 담배 Nicotiana tabacum cv. 'Xanti'는 중앙대학교 의과대학 생체단백질공학연구실에서 분양받아 MS(Murashige,T., and Skoog, F. (1962). A revised medium for rapid growth and bio assays with tobacco tissue cultures. Physiologia plantarum, 15, 473-497) 배지에서 계대배양하여 증식시킨 다음, 계대배양 1-2주 된 담배 식물체로부터 자엽을 채취하여 그 절편체(10 × 2 ㎜)를 형질전환 재료로 사용하였다. Tobacco Nicotiana tabacum cv. 'Xanti' is a MS (Murashige, T., and Skoog, F. (1962) .A revised medium for rapid growth and bio assays with tobacco tissue cultures.Physiologia plantarum, 15, 473-497) subcultured in the medium and propagated, cotyledons were collected from subcultured 1-2 weeks old tobacco plants, and the fragments (10 × 2 mm) were used as a transgenic material.

2.2 배지 조성2.2 Medium composition

형질전환에 사용된 배지는 아그로박테리움 감염배지, 공동배양 배지, 식물체 재분화 배지 및 발근배지로 구분하였으며 그 세부적 조성은 다음과 같다. 아그로박테리움 감염배지는 0.48% MS 무기염에 B5 비타민, 100 μM acetosyringone이 첨가되었고(Gamborg, O.L., Miller, R.A., and Ojima, K. (1968). Nutrient requirements of suspension cultures of soybean root cells. Experimental cell research, 50, 151-158), 공동배양 배지는 0.48% MS 무기염에 B5 비타민, NAA (A-naphthalene Acetic Acid) 0.1 ㎎/L, BA (BenzylAdenine, 6-Benzyl-Amino-purine) 1 ㎎/L 및 400 μM acetosyringone을 첨가하였다. 잎 절편체로부터 캘러스 유도 및 재분화를 위해 acetosyringone이 포함되지 않은 공동배양 배지에 kanamycin 100 ㎎/L 및 cefotaxime 250 ㎎/L을 첨가 하였으며, 발근 배지에는 0.48% MS 무기염에 B5 비타민, kanamycin 100 ㎎/L을 사용하였다. 아그로박테리움 감염배지를 제외한 모든 고체배지에 3% sucrose,0.8% phyto agar (Duchefa Biochemie, Haarlem, The Netherlands)가 첨가되었고 pH 5.6-5.8으로 조정하여 121℃, 1.2기압에서 15분간 고압 멸균 후 100 × 20 ㎜ 플라스틱 페트리 접시나 플랜트 박스에 분주하여 사용하였다. The medium used for transformation was classified into Agrobacterium infection medium, co-culture medium, plant regeneration medium and rooting medium. The detailed composition is as follows. Agrobacterium infected medium was supplemented with 0.48% MS mineral salt with B5 vitamin, 100 μM acetosyringone (Gamborg, OL, Miller, RA, and Ojima, K. (1968) .Nutrient requirements of suspension cultures of soybean root cells. cell research, 50, 151-158), co-culture medium was 0.48% MS mineral salt, B5 vitamin, NAA (A-naphthalene Acetic Acid) 0.1 mg / L, BA (BenzylAdenine, 6-Benzyl-Amino-purine) 1 mg / L and 400 μM acetosyringone were added. Kanamycin 100 mg / L and cefotaxime 250 mg / L were added to coculture medium without acetosyringone for callus induction and regeneration from leaf explants, and B5 vitamin and kanamycin 100 mg / L for 0.48% MS mineral salt in rooting medium. L was used. 3% sucrose, 0.8% phyto agar (Duchefa Biochemie, Haarlem, The Netherlands) was added to all solid media except Agrobacterium infected medium, and the mixture was adjusted to pH 5.6-5.8 and autoclaved at 121 ° C and 1.2 atm for 15 minutes. It was used by dispensing into a x20 mm plastic Petri dish or plant box.

2.3 아그로박테리움 형질전환2.3 Agrobacterium Transformation

pBI-BZ1-4 binary vector (pBI-BZ1, pBI-BZ2, pBI-BZ3, pBI-BZ4)를 Agrobacterium tumefaciens LBA4404[중앙대학교 의과대학 생체단백질공학연구실]로 형질전환 하기 위하여 MicroPulser electroporation system (Bio-Rad, Hercules, CA, USA)을 이용하였다. A. tumefaciens LBA4404 electro-cells 20 ㎕에 각각의 pBI-BZ1-4 1 ㎍을 혼합하고 1 ㎜ 큐벳(cuvette)에 주입하여 1.25 KV의 전기충격을 가한 후 SOC 배지[2% tryptone, 0.5% yeast extract, 10Mm NaCl, 2.5Mm KCl, 10Mm MgCl2, 10Mm MgSO4, 20mM glucose가 포함되어 있으며 형질전환 시 recovery에 사용됨]를 첨가하여 28℃, 200 rpm으로 1시간 진탕 배양하였다. 이후 100 ㎍/㎖ 농도로 카나마이신(Kanamycin)이 함유된 LB plate에 도말하여 37℃에서 배양한 후 colony PCR을 수행하여 형질전환된 콜로니를 선별하여 담배 형질전환에 사용하였다. MicroPulser electroporation system (Bio-Rad) to transform pBI-BZ1-4 binary vector (pBI-BZ1, pBI-BZ2, pBI-BZ3, pBI-BZ4) into Agrobacterium tumefaciens LBA4404 [Bioprotein Engineering Lab. , Hercules, CA, USA). A. tumefaciens LBA4404 electro-cells were mixed with 20 μl of each pBI-BZ1-4 1 μg, and injected into a 1 mm cuvette and subjected to an electric shock of 1.25 KV, followed by SOC medium [2% tryptone, 0.5% yeast extract. , 10M NaCl, 2.5Mm KCl, 10Mm MgCl 2 , 10Mm MgSO 4 , 20m glucose is included and used for recovery during transformation] was added and cultured for 1 hour shaking at 28 ℃, 200 rpm. Then, smeared on a LB plate containing Kanamycin (Kanamycin) at 100 ㎍ / ㎖ concentration and incubated at 37 ℃ colony PCR was performed to transform transformed colonies were used for tobacco transformation.

브라제인 유전자를 확인하기 위해 사용된 PCR용 올리고뉴클레오타이드 프라이머(Primer)는 브라제인 특이적 primer로 Forward 1: 5'-GAT AAG TGC AAG AAG GTT TAC GAG-3', Forward 2: 5'-GAC AAG TGT AAG AAG GTG TAC-3', Reverse: 5'-ATA CTC GCA GTA GTC GCA GAT-3'가 사용되었다. pBI-BZ1, pBI-BZ2, pBI-BZ3은 forward 1과 reverse primer를 사용하여 PCR을 수행하였으며 pBI-BZ4는 forward 2와 reverse primer를 사용하여 PCR을 수행하였다(표 1 및 표 4). PCR 조건은 94℃에서 2분간 변성시킨 후 94℃에서 20초, 55℃에서 10초, 72℃에서 20초로 하여 30회 수행하고 충분한 PCR 산물을 얻기 위해 마지막에 72℃에서 5분간 extension을 수행하였다(표 2). Colony PCR 반응 수행 시 Maxime PCR PreMix Kit (i-StarTaq) (Intron biotechnology, Gyeonggi-do, KOREA)를 사용하였다. PCR 완료 후 2% agarose gel 전기영동을 통해 브라제인 밴드를 확인하였다(도 3).The oligonucleotide primer for PCR used to identify the brazein gene is a brazein specific primer, which is Forward 1: 5'-GAT AAG TGC AAG AAG GTT TAC GAG-3 ', Forward 2: 5'-GAC AAG TGT AAG AAG GTG TAC-3 ', Reverse: 5'-ATA CTC GCA GTA GTC GCA GAT-3' was used. pBI-BZ1, pBI-BZ2, and pBI-BZ3 were performed using forward 1 and reverse primers, and pBI-BZ4 was performed using forward 2 and reverse primers (Tables 1 and 4). PCR conditions were denatured at 94 ° C. for 2 minutes, followed by 30 times of 20 seconds at 94 ° C., 10 seconds at 55 ° C., and 20 seconds at 72 ° C., and finally extension was performed at 72 ° C. for 5 minutes to obtain sufficient PCR products. (Table 2). When performing colony PCR, Maxime PCR PreMix Kit ( i- StarTaq) (Intron biotechnology, Gyeonggi-do, KOREA) was used. After completion of PCR, the brazein band was confirmed by 2% agarose gel electrophoresis (FIG. 3).

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2.4 담배 형질전환2.4 Tobacco Transformation

pBI-BZ1-4로 형질전환시킨 A. tumefaciens LBA4404를 100 ㎍/㎖의 kanamycin이 첨가된 두 개의 LB plate에 격자 모양으로 streaking 하여 28℃, 암조건 상태에서 48시간 배양하였다. 이후 전체 cell을 scraper로 긁어 모아 아그로박테리움 감염배지에 OD600 (Optical density 600 ㎚)=25가 되도록 현탁한 후 28℃, 암조건 상태에서 3-4시간 동안 활성화시켜 담배 잎 절편 접종에 사용하였다. 무균 배양한 담배 잎 절편을 활성화 된 아그로박테리움 감염배지에서 1분간 흔들어 주면서 접종 한 후 공동배양 배지에 잎 절편 윗면이 위로 가게 치상하여 3일 동안 25℃에서 암배양 하였다. 공동배양 후 기공이 있는 잎 절편체 뒷면을 위로가게 하여 선발을 겸한 캘러스 유도 및 식물체 재분화 배지에 치상하여 25℃, 16시간 광조건에서 1주마다 계대 배양하였고, 배양 2-3주 후 잎 절편체에서 형성된 캘러스를 분리하여 동일배지에서 계대배양을 계속하였다. 배양 후 약 3-4주째에 캘러스로부터 슈트가 발생하기 시작하면 슈트 부분만을 잘라 동일 배지에서 계대배양하여 소식물체로 생육시켰고, 1-2주 후 이를 발근배지로 옮겨 뿌리를 유도하였다. 4주 동안 발근이 유도되면 뿌리를 수세한 후 원예용 배양토에 식재하여 1주일간 순화과정을 거쳐 온실에서 생육하였다(도 4). A. tumefaciens LBA4404 transformed with pBI-BZ1-4 was streaked into two LB plates containing 100 µg / ml kanamycin and incubated at 28 ° C. for 48 hours in dark. After scraping the whole cell with a scraper and suspended in Agrobacterium infection medium to OD 600 (Optical density 600 ㎚) = 25 and activated for 3-4 hours at 28 ℃, dark conditions used for tobacco leaf slice inoculation . Aseptically cultured tobacco leaf sections were inoculated with shaking for 1 minute in an activated Agrobacterium infected medium, and then the upper surface of the leaf sections were wound up in the co-culture medium and cultured at 25 ° C. for 3 days. After co-cultivation, the back of the leaf section with pores was placed on the back and placed on the callus induction and plant regeneration medium, which was selected as a selection, and subcultured every week at 25 ° C. and 16 hours of light conditions. Callus formed was separated to continue passage in the same medium. When the chute began to develop from callus about 3-4 weeks after incubation, only the chute part was cut and subcultured in the same medium to grow into news bodies, and after 1-2 weeks, it was transferred to rooting medium to induce roots. When rooting was induced for 4 weeks, the roots were washed with water and then planted in a cultivated culture soil, and grown in a greenhouse for 1 week after being purified (FIG. 4).

pBI-BZ1 벡터의 T-DNA 부분이 도입된 형질전환 라인에서는 100개의 잎 절편을 사용하여 74개의 캘러스를, BI-BZ2 벡터의 T-DNA 부분이 도입된 형질전환 라인에서는 100개의 잎 절편을 사용하여 82개의 캘러스를, BI-BZ3 벡터의 T-DNA 부분이 도입된 형질전환 라인에서는 100개의 잎 절편을 사용하여 96개의 캘러스를 얻었으며 마지막으로 BI-BZ4 벡터의 T-DNA 부분이 도입된 형질전환 라인에서는 100개의 잎 절편을 사용하여 77개의 캘러스를 확보하였다. 이들 캘러스로부터 부정아를 유도하여 독립적인 형질전환체 pBI-BZ1 11개체, pBI-BZ2 9개체, pBI-BZ3 15개체, pBI-BZ4 10개체를 생산하여 순화단계를 거쳐 온실에서 재배하였다.In the transformation line where the T-DNA portion of the pBI-BZ1 vector was introduced, 74 callus were used using 100 leaf fragments, and in the transformation line where the T-DNA portion of the BI-BZ2 vector was introduced, 100 leaf fragments were used. In the transformation line where the T-DNA portion of the BI-BZ3 vector was introduced, 96 callus were obtained using 100 leaf fragments, and finally, the T-DNA portion of the BI-BZ4 vector was introduced. In the conversion line, 100 leaf sections were used to obtain 77 callus. From these callus, independence was induced to produce 11 independent transformants, pBI-BZ1, 9 pBI-BZ2, 15 pBI-BZ3, and 10 pBI-BZ4, which were grown in a greenhouse after purification.

3 형질전환 담배 식물체 분석3 Transformed Tobacco Plant Analysis

3.1 Anti-brazzein 항체 제작3.1 Anti-brazzein Antibody Construction

웨스턴 블롯팅(Western blotting)에 사용되는 1차 항체는 효모 Saccharomycetaceae의 종 중 하나인 Kluyveromyces lactis Strain GG799에서 53개의 아미노산을 가진 부타입 브라제인 유전자를 발현시켜 순도 높게 정제한 샘플 5 ㎎을 미국의 ProSci (12170 Flint Place Poway, CA 92064, USA)에 제작을 의뢰하여 제공받아 사용하였다. New Zealand white rabbits을 사용하여 제작되었으며 polyclonal serum 상태로 pre-immune 7.5 ㎖, bleed #1 25 ㎖, bleed #2 25 ㎖, bleed #3 25 ㎖를 제공받았다. The primary antibody used for Western blotting was ProSci, a 5 mg purified high-purity sample containing the 53-amino acid subtype brazein gene from Kluyveromyces lactis Strain GG799, a species of yeast Saccharomycetaceae . (12170 Flint Place Poway, CA 92064, USA) was used for the production. New Zealand white rabbits were used to provide 7.5 ml of pre-immune, 25 ml of bleed # 1, 25 ml of bleed # 2, and 25 ml of bleed # 3 in polyclonal serum.

ELISA 수행 결과, bleed #3의 경우 1:1,000의 희석배율에서는 OD450 값이 1.384, 1:5,000의 희석배율에서는 OD450 값이 0.678, 1:250,000 값에서는 OD450 값이 0.221의 결과를 얻었다. ELISA와 western blot에 사용할 경우 Bleed #3의 serum을 13,000 rpm에서 10분간 원심분리한 뒤 그 상층액을 0.22 μm filter를 사용하여 거른 다음 1:2,000의 비율로 희석하여 사용하였다. For the ELISA performed result, bleed # 3 a 1: 1000 dilution the OD 450 value of 1.384, 1: dilution factor of 5000 is OD 450 value of 0.678, 1: 250,000 values, the OD 450 value to obtain a result of 0.221. In case of ELISA and western blot, serum of Bleed # 3 was centrifuged at 13,000 rpm for 10 minutes, and the supernatant was filtered using a 0.22 μm filter and diluted 1: 2,000.

3.2 TSP(Total soluble protein) 추출3.2 Total Soluble Protein Extraction

1.5 ㎖ tube에 형질전환 담배 잎 또는 대조군으로 사용할 야생형 담배 잎 100 ㎎과 pH 7.4의 PBS buffer(137 mM NaCl, 2.7 mM KCl, 10 mM Na2HPO4, 2 mM KH2PO4) 300 ㎕를 넣고 균질기(homogenizer)를 사용하여 잎을 파쇄하였다. 4℃, 13,000 rpm에서 1분간 원심분리 후 그 상층액을 취하였다.Add 100 mg of wild type tobacco leaf to be used as a control tobacco leaf or control and 300 μl of PBS buffer (137 mM NaCl, 2.7 mM KCl, 10 mM Na 2 HPO 4 , 2 mM KH 2 PO 4 ) in a 1.5 ml tube. The leaves were crushed using a homogenizer. The supernatant was taken after centrifugation for 1 min at 4 ° C. and 13,000 rpm.

3.3 BCA (Bicinchoninic acid)를 이용한 TSP 정량3.3 Determination of TSP using BCA (Bicinchoninic acid)

담배 잎에서 추출된 TSP을 1:5의 부피 비율로 희석한 뒤, Pierce™ BCA Protein Assay Kit (Thermo Scientific, Erembodegem, Belgium)를 이용하여 30분간 37℃에서 반응시킨 뒤, ELISA reader EPOCH (Biotek, Winooski, VT, USA)를 사용하여 562 ㎚에서 흡광도를 측정하였다. After diluting the TSP extracted from tobacco leaves in a volume ratio of 1: 5, and reacting at 37 ° C. for 30 minutes using Pierce ™ BCA Protein Assay Kit (Thermo Scientific, Erembodegem, Belgium), ELISA reader EPOCH (Biotek, The absorbance was measured at 562 nm using Winooski, VT, USA).

실험은 총 세 번 반복하여 진행하였다.The experiment was repeated three times in total.

3.4 ELISA를 통한 형질전환 식물체 선별3.4 Transgenic Plant Selection by ELISA

Carbonate-bicarbonate buffer(pH 9.2)를 사용하여 1.35 ㎎/㎖의 농도로 모든 형질전환체 및 야생형의 TSP 농도를 맞추고 indirect ELISA를 진행하였다. 96-well culture plate (Nunc, Roskilde, Denmark)에 각 well 당 TSP 100 ㎕를 코팅하고 4℃에서 16시간 배양하였다. PBS-T buffer 200 ㎕로 1분간 4번 wash를 진행한 후 3% BSA (Bioworld, Dubiln, Ohio, USA)로 150 ㎕씩 RT(Room temperature)에서 2시간 동안 blocking 하였다. 같은 방법으로 washing을 진행한 후 1차 항체를 100 ㎕씩 처리하여 37℃에서 1시간 30분 동안 배양하였다. 사용된 1차 항체는 bleed #3의 serum을 13,000 rpm에서 10분간 원심분리한 뒤 그 상층액을 0.22 μm filter기를 사용하여 거른 다음 1:2,000의 비율로 희석하여 사용하였다. 1차 항체 처리가 끝나면 wash를 진행한 후 2차 항체를 1:10,000의 부피 비율로 희석하여 100 ㎕씩 분주하여 RT에서 2시간 동안 배양하였다. 2차 항체는 goat poly anti-rabbit igG (H&L), HRP (Komabiotech, Yeongdeungpo, Seoul, Korea)를 구매하여 사용하였다. 배양이 끝나면 wash 후 기질 3.3',5.5'-tetramethylbenzidine (TMB) (KPL, Gaithersburg, MA)를 100 ㎕씩 5분간 반응시킨 다음 TMB stop 용액(KPL, Gaithersburg, MA)을 100 ㎕넣어 준 다음 ELISA reader EPOCH (Biotek, Winooski, VT, USA)를 이용하여 450 ㎚에서 흡광도를 측정하였다. Carbonate-bicarbonate buffer (pH 9.2) was used to adjust the TSP concentrations of all transformants and wild type at a concentration of 1.35 mg / mL and indirect ELISA. 100 μl of TSP was coated per well on a 96-well culture plate (Nunc, Roskilde, Denmark) and incubated at 4 ° C. for 16 hours. After washing for 4 minutes with 200 μl of PBS-T buffer, 150 μl of 3% BSA (Bioworld, Dubiln, Ohio, USA) was blocked at RT (Room temperature) for 2 hours. After washing in the same manner, the primary antibody was treated with 100 μl and incubated at 37 ° C. for 1 hour 30 minutes. The primary antibody used was centrifuged at 13,000 rpm for 10 min in serum of bleed # 3, and the supernatant was filtered using a 0.22 μm filter and diluted 1: 2,000. After the primary antibody treatment, the wash was performed, and the secondary antibody was diluted at a volume ratio of 1: 10,000, and 100 μl of the secondary antibody was incubated at RT for 2 hours. Secondary antibodies were purchased using goat poly anti-rabbit igG (H & L) and HRP (Komabiotech, Yeongdeungpo, Seoul, Korea). After incubation, wash the substrate 3.3 ', 5.5'-tetramethylbenzidine (TMB) (KPL, Gaithersburg, MA) for 5 minutes at 100 ㎖ each, add 100 μl of TMB stop solution (KPL, Gaithersburg, MA), and then add ELISA reader. Absorbance was measured at 450 nm using EPOCH (Biotek, Winooski, VT, USA).

3.5 PCR을 통한 genomic DNA 내 T-DNA 삽입 여부 확인3.5 Confirmation of T-DNA Insertion in Genomic DNA by PCR

선발과정을 거친 순화된 형질전환 담배 잎 100 ㎎에서 DNeasy Plant Mini Kit (Qiagen, Hilden, Germany)를 사용하여 프로토콜에 따라 genomic DNA를 분리하여 발현벡터 내 T-DNA region이 제대로 삽입 되었는지 NPTⅡ와 브라제인 유전자를 PCR 분석을 수행하여 확인하였다. Use the DNeasy Plant Mini Kit (Qiagen, Hilden , Germany) the selection process tough on the purified transgenic tobacco leaves 100 ㎎ isolation of genomic DNA according to the protocol by the expression vector within the T-DNA region is inserted correctly, that the NPTⅡ and bra Jane Genes were identified by performing PCR analysis.

NPTⅡ 유전자 확인용 PCR에 사용된 primer는 NPTⅡ 특이적 primer (Forward: 5'-ATG ATT GAA CAA GAT GGA TTG CAC-3', Reverse: 5'-TCA GAA GAA CTC GTC AAG AAG G-3')이다(표 4). PCR 조건은 94℃에서 2분간 변성시킨 후 94℃에서 20초, 62℃에서 10초, 72℃에서 40초로 하여 30회 수행하고 충분한 PCR 산물을 얻기 위해 마지막에 72℃에서 5분간 extension을 수행하였다(표 3). Primers used for PCR for NPTII gene identification are NPTII specific primers (Forward: 5'-ATG ATT GAA CAA GAT GGA TTG CAC-3 ', Reverse: 5'-TCA GAA GAA CTC GTC AAG AAG G-3'). (Table 4). PCR conditions were denatured at 94 ° C. for 2 minutes, followed by 30 times of 20 seconds at 94 ° C., 10 seconds at 62 ° C., and 40 seconds at 72 ° C., and finally extension was performed at 72 ° C. for 5 minutes to obtain sufficient PCR products. (Table 3).

브라제인 유전자를 확인하기 위해 사용된 primer는 브라제인 특이적 primer로 (Forward 1: 5'-GAT AAG TGC AAG AAG GTT TAC GAG-3'), (Forward 2: 5'-GAC AAG TGT AAG AAG GTG TAC-3'), (Reverse: 5'-ATA CTC GCA GTA GTC GCA GAT-3')가 사용되었다. pBI-BZ1, pBI-BZ2, pBI-BZ3은 forward 1과 reverse primer를 사용하여 PCR을 수행하였으며 pBI-BZ4는 forward 2와 reverse primer를 사용하여 PCR을 수행하였다(표 1, 4). PCR 조건은 94℃에서 2분간 변성시킨 후 94℃에서 20초, 55℃에서 10초, 72℃에서 20초로하여 30회 수행하고 충분한 PCR 산물을 얻기 위해 마지막에 72℃에서 5분간 extension을 수행하였다(표 3). 모든 PCR 반응 수행 시 Maxime PCR PreMix Kit (i-StarTaq) (Intron biotechnology, Gyeonggi-do, KOREA)를 사용하였다. The primer used to identify the brazein gene is a brazein specific primer (Forward 1: 5'-GAT AAG TGC AAG AAG GTT TAC GAG-3 '), (Forward 2: 5'-GAC AAG TGT AAG AAG GTG TAC-3 '), (Reverse: 5'-ATA CTC GCA GTA GTC GCA GAT-3') was used. pBI-BZ1, pBI-BZ2, and pBI-BZ3 were performed using forward 1 and reverse primers, and pBI-BZ4 was performed using forward 2 and reverse primers (Tables 1 and 4). PCR conditions were denatured at 94 ° C. for 2 minutes, followed by 30 times of 20 seconds at 94 ° C., 10 seconds at 55 ° C., and 20 seconds at 72 ° C., followed by extension at 72 ° C. for 5 minutes to obtain sufficient PCR products. (Table 3). Maxime PCR PreMix Kit ( i- StarTaq) (Intron biotechnology, Gyeonggi-do, KOREA) was used for all PCR reactions.

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3.6 Total RNA 추출 및 cDNA 합성3.6 Total RNA Extraction and cDNA Synthesis

RT-qPCR 및 semi-quantitative RT-PCR을 실시하기 위하여 형질전환 및 야생형 담배 잎 50-100 ㎎을 취한 다음 액체질소를 넣고 균질기를 사용하여 파쇄하였다. 1 ㎖의 TRIzol (Invitrogen Inc. Carlsbad, CA)를 넣고 상온에서 5분간 방치하였다. 이후 chloroform (Usb, GE Healthcare) 200 ㎕을 처리하고 15초간 흔든 뒤 상온에서 15분간 방치한 다음 4℃에서 13,000 rpm으로 10분간 원심분리 하여 DNA, RNA, 단백질 층을 분리하였다. 분리한 RNA 500 ㎕에 iso-propanol 500 ㎕을 넣고 얼음에서 10분간 방치한 다음 동일조건으로 10분간 원심분리한 후 상층액을 제거하였다. DEPC distilled water (DEPC D.W)가 들어간 75%의 에탄올 1 ㎖와 100%의 에탄올 1 ㎖를 사용하여 한번 더 washing 해 준 뒤, 에탄올 제거 후 DEPC D.W 40 ㎕를 이용하여 RNA를 녹여 내었다. Spectrophotometer (Biotek, Winooski, VT, USA)를 이용하여 230 ㎚, 260 ㎚ 및 280 ㎚에서 흡광도를 측정한 다음 전체 RNA의 농도 및 순도를 확인하였다. 260/280 ㎚의 값이 1.8-2.0 사이의 값인 순도 높은 RNA 1 ㎍을 QuantiTect Reverse Transcription Kit (QIAGEN GmbH, Hilden, Germany)를 사용하여 cDNA (Complements DNA) 20 ㎕를 합성하였다. To carry out RT-qPCR and semi-quantitative RT-PCR, 50-100 mg of transformed and wild-type tobacco leaves were taken, and then liquid nitrogen was added and disrupted using a homogenizer. 1 ml of TRIzol (Invitrogen Inc. Carlsbad, Calif.) Was added thereto and allowed to stand at room temperature for 5 minutes. Then, 200 μl of chloroform (Usb, GE Healthcare) was treated, shaken for 15 seconds, left at room temperature for 15 minutes, and centrifuged at 13,000 rpm at 4 ° C. for 10 minutes to separate DNA, RNA, and protein layers. 500 μl of iso-propanol was added to 500 μl of the isolated RNA and allowed to stand on ice for 10 minutes, followed by centrifugation for 10 minutes under the same conditions, and the supernatant was removed. After washing once more with 1 ml of 75% ethanol and 1 ml of 100% ethanol containing DEPC distilled water (DEPC DW), RNA was dissolved using 40 µl of DEPC DW after ethanol removal. Absorbance was measured at 230 nm, 260 nm and 280 nm using a spectrophotometer (Biotek, Winooski, VT, USA) and then the concentration and purity of the total RNA were confirmed. The high-purity RNA 1 ㎍ value between the value of the 260/280 ㎚ 1.8-2.0 using QuantiTect ⓡ Reverse Transcription Kit (QIAGEN GmbH , Hilden, Germany) was synthesized cDNA (Complements DNA) 20 ㎕.

3.7 Semi-quantitative RT-PCR3.7 Semi-quantitative RT-PCR

브라제인 및 housekeeping gene으로 사용된 EF-1 α (Nicotiana tabacum elongation factor 1-alpha)의 mRNA 발현량을 확인하기 위해 합성된 cDNA를 1:20의 부피 비율로 희석하여 PCR의 template로 사용하였다. RT-PCR에 사용한 모든 primer는 Integrated DNA Technologies (IDT)의 PrimerQuest Tool을 이용하여 Macrogen (Seoul, Korea)에서 합성하여 사용하였다. 브라제인 발현량 확인 primer는 브라제인 특이적 서열을 기반으로 합성하였다(pBI-BZ1: Forward 5'-GAA CTA CCC AGT GAG CAA GTG-3', Reverse 5'-GGA GAT TGC GTT TCT CGT CAT A-3'; pBI-BZ2: Forward 5'-TCA GTT GGC GAA CCA ATG TA-3', Reverse 5'-CGC AAA TGC ACT GGA GAT TG-3'; pBI-BZ3: Forward 5'-ACG ACT GCA AGC TCG ATA AA-3', Reverse 5'-TAC TCG CAG TAG TCG CAA ATG-3'; pBI-BZ4: Forward 5'-TGT CAG CTT GCT AAC CAA TGT A-3', Reverse 5'-ACT CGC AGT AAT CGC AGA TG-3') (표 4). To confirm the mRNA expression level of EF-1 α (Nicotiana tabacum elongation factor 1-alpha) used as a brazein and housekeeping gene, the synthesized cDNA was diluted to a volume ratio of 1:20 and used as a template for PCR. All primers used for RT-PCR were synthesized in Macrogen (Seoul, Korea) using PrimerQuest Tool of Integrated DNA Technologies (IDT). The expression level of the brazein primer was synthesized based on the brazein specific sequence (pBI-BZ1: Forward 5'-GAA CTA CCC AGT GAG CAA GTG-3 ', Reverse 5'-GGA GAT TGC GTT TCT CGT CAT A- 3 '; pBI-BZ2: Forward 5'-TCA GTT GGC GAA CCA ATG TA-3', Reverse 5'-CGC AAA TGC ACT GGA GAT TG-3 '; pBI-BZ3: Forward 5'-ACG ACT GCA AGC TCG ATA AA-3 ', Reverse 5'-TAC TCG CAG TAG TCG CAA ATG-3'; pBI-BZ4: Forward 5'-TGT CAG CTT GCT AAC CAA TGT A-3 ', Reverse 5'-ACT CGC AGT AAT CGC AGA TG-3 ') (Table 4).

Housekeeping gene의 EF-1 α 발현량 확인 primer는 (Forward: 5'-GTC AAG AAT GTT GCG GTT AAG G-3', Reverse: 5'-TGA TGA TAG CTT GGG AGG TAA AG-3')로 합성하여 사용하였다(표 4). 각 시료는 Maxime PCR PreMix Kit (i-StarTaq) (Intron biotechnology, Gyeonggi-do, KOREA)를 사용하여 94℃에서 2분간 변성 시킨 후 94℃ 20초, 55℃ 10초, 72℃ 20초로 하여 26회 수행하고 충분한 PCR 산물을 얻기 위해 마지막에 72℃에서 5분간 extension을 수행하였다(표 5). PCR이 끝나면 2% agarose gel에 5 ㎕씩 loading하여 EF-1 α 발현량 대비 브라제인 발현량을 확인하였다. EF-1 α expression of the housekeeping gene primer was synthesized by (Forward: 5'-GTC AAG AAT GTT GCG GTT AAG G-3 ', Reverse: 5'-TGA TGA TAG CTT GGG AGG TAA AG-3') Used (Table 4). Each sample was denatured at 94 ° C for 2 minutes using Maxime PCR PreMix Kit ( i -StarTaq) (Intron biotechnology, Gyeonggi-do, KOREA), followed by 26 cycles of 94 ° C 20 seconds, 55 ° C 10 seconds, and 72 ° C 20 seconds. The extension was performed at 72 ° C. for 5 minutes in order to obtain sufficient PCR product (Table 5). After PCR, 5 μl each was loaded onto 2% agarose gel to confirm the expression of brazein compared to the expression of EF-1 α .

Figure pat00004
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Figure pat00005
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4.1. 형질전환 담배에서 브라제인 정제 4.1. Brazein Purification from Transgenic Tobacco

4.1.1 단백질 추출4.1.1 Protein Extraction

브라제인 발현양이 가장 높은 BI-BZ3으로 형질전환된 담배에서 단백질을 추출하기 위해서는 길이가 1 m 이상 자란 담배 식물체에서 잎을 채취하고, 잎을 저온냉동고(-70 ℃)에서 동결하였다. 담배 잎에서 단백질 추출을 하기 위해서는 완충용액(buffer)이 필요한데 사용되는 plant extraction buffer (tris 40 mM, NaCl 50 mM, EDTA 20 mM, sodium citrate 55 mM, sodium thiosulfate 12 mM, pH 6.7)는 121 ℃와 1.2기압에서 15분간 고압 멸균 후 4 ℃에 보관하였다. 이때 잎 1 g당 plant extraction buffer 4 mL 비율로 계산하여 진행하였다. 이 다음으로 동결된 잎 400 g을 차가운 상태의 plant extraction buffer 1600 mL와 함께 믹서기(National, NC250d, Japan)로 잎을 완전히 파쇄하였다. 믹서기로 충분히 균질화시킨 추출액을 분리시키기 위해 원심분리기에서 7,500 rpm, 30분의 조건으로 원심분리 후 상층액은 miracloth rapid를 이용해 떠다니는 부유물을 제거하였다. 분리된 상층액에서 엽록소를 제거하기 위해 아세트산(acetic acid)을 이용해 pH 4.0로 조정한 후 7,500 rpm, 30분의 조건으로 원심 분리하여 miracloth rapid를 이용해 엽록소를 제거하였다.In order to extract proteins from tobacco transformed with BI-BZ3 having the highest expression of brazein, leaves were collected from tobacco plants over 1 m in length and the leaves were frozen in a freezer (-70 ° C.). To extract proteins from tobacco leaves, a buffer is required. The plant extraction buffer (tris 40 mM, NaCl 50 mM, EDTA 20 mM, sodium citrate 55 mM, sodium thiosulfate 12 mM, pH 6.7) is used at 121 ℃ and After autoclaving for 15 minutes at 1.2 atm, it was stored at 4 ℃. At this time, it was calculated by calculating the ratio of 4 mL of plant extraction buffer per 1 g of leaves. Next, 400 g of frozen leaves were thoroughly crushed with a blender (National, NC250d, Japan) with 1600 mL of cold plant extraction buffer. In order to separate the homogenized extract with a blender, the supernatant was removed by using miracloth rapid after centrifugation at 7,500 rpm for 30 minutes in a centrifuge. In order to remove chlorophyll from the separated supernatant, it was adjusted to pH 4.0 with acetic acid and then centrifuged at 7,500 rpm for 30 minutes, and chlorophyll was removed using miracloth rapid.

4.1.2 황산암모늄 침전법4.1.2 Ammonium Sulfate Precipitation

상기 4.1.1의 추출액에서 아세트산(acetic acid)를 이용해 엽록소 제거 후 염석법(황산암모늄 침전법)을 이용하여 단백질을 침전시켰다. 이에 황산암모늄의 농도 조건을 0%부터 90%까지 10% 간격으로 침전시키고, 이 모든 단백질 침전 과정은 변성을 최대한 방지하기 위하여 4 ℃ cold chamber에서 실험을 진행하였다. 각각의 10% 간격의 황산암모늄 농도 조건에서 단백질이 침전되었고, 이를 7,500 rpm, 30분 조건에서 원심분리하여 펠렛(pellet)을 10 mL 증류수에 녹였다. 브라제인은 수용성이기 때문에 증류수에 녹여 브라제인을 가용화시켜 주었다. 10 mL 증류수에 녹아있는 단백질들을 다시 7,500 rpm, 30분 조건에서 원심분리한 후 상층액은 miracloth rapid를 이용하여 떠다니는 부유물을 제거하였다. Miracloth rapid를 이용하여 부유물을 제거 후, pore size가 0.45 μm인 filter paper(Advantec)를 이용해 2차 필터를 하여 부유물을 제거하였다. 황산암모늄의 농도 조건을 10% 간격으로 0%부터 90%까지 진행한 각각의 샘플을 모두 필터한 후 염을 제거하기 위해 증류수에서 투석을 진행하였다.Chlorophyll was removed using acetic acid in the extract of 4.1.1 and the protein was precipitated using the salting out method (ammonium sulfate precipitation). Therefore, the concentration condition of ammonium sulfate was precipitated at 10% intervals from 0% to 90%, and all these protein precipitation processes were conducted in a 4 ° C. cold chamber to prevent denaturation. Proteins were precipitated at each 10% ammonium sulfate concentration condition, which was centrifuged at 7,500 rpm for 30 minutes to dissolve the pellets in 10 mL distilled water. Because brazein is water soluble, it was dissolved in distilled water to solubilize brazein. The proteins dissolved in 10 mL distilled water were further centrifuged at 7,500 rpm and 30 minutes, and then the supernatant was removed by using miracloth rapid. After removing the suspended solids by using Miracloth rapid, the suspended solids were removed by a secondary filter using a filter paper (Advantec) having a pore size of 0.45 μm. The concentration of ammonium sulfate was filtered at 10% intervals from 0% to 90% for each sample, followed by dialysis in distilled water to remove salts.

4.1.3 열 처리4.1.3 Heat Treatment

위에서 언급한 것과 같이 황산암모늄의 농도 조건 실험을 통하여 브라제인이 침전되는 농도를 확인 후 해당 농도의 샘플을 모아 증류수에 투석을 하였다. 열 처리법은 고온에서 안정한 브라제인의 특성을 이용하여 다른 단백질들을 제거하고자 하였다. 투석이 완료된 샘플을 2 mL씩 4개의 마이크로 튜브(micro tube)에 담아 80 ℃를 유지하고 있는 heat block에서 1시간 간격으로 1시간, 2시간, 3시간, 4시간 동안 열 처리를 진행하였다. 열 처리가 끝난 샘플들은 다시 7,500 rpm, 30분 조건에서 원심분리한 후 상층액은 miracloth rapid를 이용해 떠다니는 부유물을 제거하였다. 부유물 제거 후 브라제인이 녹아있는 상층액을 pore size가 0.45 μm인 filter paper (Advantec)를 이용하여 상층액만 필터를 하여 부유물을 걸러주었다.As mentioned above, after confirming the concentration of brazein through the concentration condition experiment of ammonium sulfate, samples of the concentration were collected and dialyzed in distilled water. The heat treatment attempted to remove other proteins using the properties of brazein, which were stable at high temperatures. The dialysis sample was placed in four microtubes of 2 mL each and heat treated for 1 hour, 2 hours, 3 hours, and 4 hours at an interval of 1 hour in a heat block maintained at 80 ° C. After heat treatment, the samples were further centrifuged at 7,500 rpm for 30 minutes, and the supernatant was removed using floating cloth using miracloth rapid. After removing the suspended solids, the supernatant in which the braze was dissolved was filtered using the filter paper (Advantec) having a pore size of 0.45 μm to filter the suspended solids.

4.1.4 이온크로마토그래피(Ion chromatography)4.1.4 Ion Chromatography

브라제인 정제에는 음이온 교환수지와 양이온 교환 수지를 이용한다. 이온 교환 수지를 사용하기 전 해당 수지에 맞는 평형완충용액에 정제할 샘플들을 투석하여 해당 수지에 로딩이 가능한 상태가 되도록 하였다. 먼저, 사용할 수지는 음이온 교환 수지인 DEAE (diethylamnioethyl) fast flow로 해당 수지의 평형완충용액인 tris-HCl (20 mM, pH 8.0)에 투석을 진행하였다. DEAE fast flow 수지를 컬럼(column)에 충진한 뒤 수지 부피의 15배 정도의 평형 완충용액을 흘려주어 평형 상태를 만든 후 샘플을 로딩(loading)하였다. 음이온 교환 수지에는 브라제인 외에 다른 단백질들이 결합하고 브라제인은 용출 되기 때문에 컬럼 용출액을 받았다. 모든 용출액을 받은 후에 용출액을 양이온 교환 수지의 평형완충용액인 50 mM sodium acetate (pH 4.0)에 투석을 하였다. 양이온 교환수지인 CM(carboxymethyl)-Sepharose fast flow 역시 이용하기 전 컬럼에 해당 수지를 충진한 뒤 수지 부피의 15배 정도의 평형 완충용액을 흘려주어 평형 상태를 만들었다. 평형 상태의 수지에 샘플을 유속 2 mL/min으로 로딩하였다. 로딩이 완료되면 OD280값이 변화가 없을 때까지 충분히 세척완충용액(50 mM sodium acetate, 50 mM sodium chloride, pH 4.0)을 흘려준 뒤, 용출완충용액(50 mM sodium acetate, 400 mM sodium chloride, pH 7.0)을 사용하여 9 mL씩 용출 용액을 받았다. 용출 용액을 OD280에서 측정한 후에 일정 구간을 모아서 증류수에 투석하고, 투석 후에 OD280 값 측정하여 동결건조 시켰다. 동결건조 된 샘플을 투석 후에 측정한 OD280 값을 기준으로 단백질 총량을 동일하게 하여 일부를 16.5% tris-tricine gel에서 브라제인의 순도를 확인하였다(도 18). For purification of braze, an anion exchange resin and a cation exchange resin are used. Before using the ion exchange resin, the samples to be purified were dialyzed in the equilibrium buffer solution suitable for the resin so that the resin could be loaded. First, the resin to be used was subjected to dialysis in tris-HCl (20 mM, pH 8.0), an equilibrium buffer solution of the resin, as an anion exchange resin, DEAE (diethylamnioethyl) fast flow. After the DEAE fast flow resin was filled in a column, an equilibration buffer was flowed by about 15 times the volume of the resin to prepare an equilibrium state, and then the sample was loaded. The anion exchange resin received a column eluate because other proteins bound to brazein and brazein were eluted. After receiving all the eluate, the eluate was dialyzed in 50 mM sodium acetate (pH 4.0), an equilibrium buffer solution of cation exchange resin. CM (carboxymethyl) -Sepharose fast flow, which is a cation exchange resin, was also equilibrated by filling the column with a resin and then flowing an equilibration buffer of 15 times the volume of the resin. Samples were loaded into the resin at equilibrium at a flow rate of 2 mL / min. After loading, rinse buffer solution (50 mM sodium acetate, 50 mM sodium chloride, pH 4.0) until the OD 280 value does not change, and then dissolve buffer solution (50 mM sodium acetate, 400 mM sodium chloride, pH 7.0) was used to receive the elution solution in 9 mL increments. After measuring the elution solution at OD 280 , a certain section was collected and dialyzed in distilled water, and after dialysis, the OD 280 value was measured and lyophilized. The lyophilized sample was the same as the total protein based on the OD 280 value measured after dialysis to determine the purity of the brazein in a portion of 16.5% tris-tricine gel (Fig. 18).

4.2. 형질전환 담배에서 정제한 브라제인의 특성 분석4.2. Characterization of Brazein Purified from Transgenic Tobacco

4.2.1 고속액체크로마토그래피(High-performance liquid chromatography)4.2.1 High-performance liquid chromatography

브라제인을 정제한 후 단백질의 순도와 구조의 변화를 확인하기 위해 HPLC(high-performance liquid chromatography)를 사용하였다. 2개의 reverse-phase를 이용하여 분석을 하고, reverse-phase HPLC column을 사용하여 Kluyveromyces lactis(K. lactis)와 담배 잎에서 정제된 브라제인의 순도를 확인하였다. 컬럼은 Shiseido사(Tokyo, Japan)의 C18 UG-120 column (5 μm, 4.6 mm x 250 mm)를 Gilder HPLC에 적용해서 순도를 확인하였다. 여기서 브라제인의 순도를 확인하기 위한 eluent는 0.1% trifluoroacetic acid 수용액(TFA; solvent-1), 70% acetonitrile와 0.1% TFA의 mixture (solvent-2)를 이용하였고, 20%부터 80%까지 gradient를 실시하였다. 유속은 0.3 mL/min으로 하였고 UV 영역인 210 nm에서 elution profile을 확인하였다(Jo, H. J., Noh. J. S., and kong, K. H. (2013). Efficient secretory expression of the sweet-tasting protein brazzein in the yeast Kluyveromyces lactis. Protein Expr. Purif., 90, 84-89). After purifying brazein, high-performance liquid chromatography (HPLC) was used to confirm changes in protein purity and structure. Two reverse-phase assays were performed, and the purity of Kluyveromyces lactis ( K. lactis ) and purified brazein from tobacco leaves was confirmed using a reverse-phase HPLC column. The column was purified by applying a C18 UG-120 column (5 μm, 4.6 mm × 250 mm) of Shiseido (Tokyo, Japan) to Gilder HPLC. Here, the eluent for checking the purity of brazein was used as a mixture of 0.1% trifluoroacetic acid aqueous solution (TFA; solvent-1), a mixture of 70% acetonitrile and 0.1% TFA (solvent-2), and gradient from 20% to 80%. Was carried out. The flow rate was 0.3 mL / min and the elution profile was confirmed at 210 nm in the UV region (Jo, HJ, Noh. JS, and kong, KH (2013) .Efficient secretory expression of the sweet-tasting protein brazzein in the yeast Kluyveromyces lactis . Protein Expr. Purif., 90, 84-89).

4.2.2 N-말단 아미노산 서열분석(N-Terminal amino acid sequencing)4.2.2 N-terminal amino acid sequencing

N-말단 아미노산 서열 분석을 통하여 담배 잎에서 정제한 브라제인이 des-pE1M-brazzein의 아미노산 서열과 일치하는지 확인하였다. 담배 잎에서 정제한 브라제인을 10 μg/mL를 H2O에 녹여 Life Science Laboratories(Seoul, Korea)에 분석 의뢰를 하였다. N-말단 아미노산 서열 분석은 Edman sequencing 방법으로 진행하였고 장비는 automated Edman sequencer를 이용하였다. 분석은 브라제인 단백질을 전기영동을 하여 PVDF에 blot된 단백질 밴드 또는 RP-HPLC C18 column 을 통하여 정제된 단백질 시료를 micro-glass fiber filer에 고정시켰다. Micro-glass fiber filer에 고정된 시료를 PITC(phenylisothiocyanate) 커플링 반응을 통한 N 말단의 폴리펩타이드 사슬들이 형성되는 초기 반응을 개시로 PTC (phenylthiocarbamyl)-폴리펩타이드, ATZ (anilinothiazolamine)-아미노산 그리고 최종 PTH(phenylthiohydantoin) 유도체 아미노산 형태의 안정화된 구조 형성을 통해 PTH-C18 컬럼을 기반으로 하는 HPLC에 주입하여 그 아미노산 유도체를 순차적으로 서열을 확인하는 방법으로 진행을 하였다. N-terminal amino acid sequence analysis confirmed that the purified brazein from tobacco leaves matched the amino acid sequence of des-pE1M-brazzein. 10 μg / mL of brazein purified from tobacco leaves was dissolved in H 2 O and submitted to analysis by Life Science Laboratories (Seoul, Korea). N-terminal amino acid sequencing was performed by Edman sequencing method and the equipment was automated Edman sequencer. The analysis was performed by electrophoresis of brazein protein to fix a protein band blot on PVDF or purified protein sample through RP-HPLC C18 column to a micro-glass fiber filer. Initiating the initial reaction of N-terminated polypeptide chains through PITC (phenylisothiocyanate) coupling reaction to a sample immobilized on a micro-glass fiber filer, PTC (phenylthiocarbamyl) -polypeptide, ATIN (anilinothiazolamine) -amino acid and final PTH (phenylthiohydantoin) Derivatives The amino acid derivatives were sequentially sequenced by injection into HPLC based on the PTH-C18 column through the formation of stabilized structures in the form of amino acids.

4.2.3 원평광이색성 분석법4.2.3 Circular Dichroism Analysis

원편광이색성(circular dichroism, CD) 측정을 통해 담배에서 정제된 브라제인의 고차구조의 변화와 단백질 2차 구조의 구성 요소를 확인하였다. K. lactis 발현계에서 정제된 브라제인은 선행연구를 통해 단백질 구조가 확인되었다(Jo, H. J., Noh. J. S., and kong, K. H. (2013). Efficient secretory expression of the sweet-tasting protein brazzein in the yeast Kluyveromyces lactis. Protein Expr. Purif., 90, 84-89). 그러므로 K. lactis 에서 정제된 브라제인과 담배 잎에서 정제된 브라제인을 비교 분석을 하였다. The measurement of circular dichroism (CD) confirmed the changes in the higher order structure of the purified brazein in tobacco and the components of the protein secondary structure. Purified brazein from the K. lactis expression system was confirmed by previous studies (Jo, HJ, Noh. JS, and kong, KH (2013) .Efficient secretory expression of the sweet-tasting protein brazzein in the yeast Kluyveromyces lactis.Protein Expr.Purif., 90, 84-89). Therefore, brazein purified from K. lactis and brazein purified from tobacco leaves were analyzed.

브라제인 야생형 유전자가 삽입된 K. lactis Strain GG799 균주를 YPD (yeast extract 1%, peptone 2%, dextrose 2%) 에 배양하여 세포를 성장 시킨 후, 유도제인 galactose가 포함된 YPGal (yeast extract 1%, peptone 2%, galactose 2%) 에 접종하여 배양하였다. 배양이 완료되면 원심분리(7,000 rpm, 30 min) 후에 상층액을 양이온 교환 수지인 CM-Sepharose를 이용하여 정제하였다. 용출이 완료된 브라제인 용액을 증류수에 투석하여 용출 용액에 포함되어있던 염을 제거한 후 동결건조 하여 16.5% tris-tricine gel에 순도를 파악하였다. After culturing K. lactis Strain GG799 strain with brazein wild-type gene in YPD (yeast extract 1%, peptone 2%, dextrose 2%), cells were grown, and YPGal (yeast extract 1%) containing galactose as an inducer , peptone 2%, galactose 2%) and incubated. After the incubation was completed, the supernatant was purified using centrifugation (7,000 rpm, 30 min) using CM-Sepharose, a cation exchange resin. The eluted brazein solution was dialyzed in distilled water to remove the salts contained in the elution solution, followed by lyophilization to determine the purity of the 16.5% tris-tricine gel.

K. lactis 와 담배 잎에서 정제된 브라제인의 원편광 이색성 스펙트럼 측정은 인하대학교 표준분석 연구원에 위치한 J-815 spectrometer (Jasco co., Ltd)를 이용하였다. 광원으로는 150 W 제논 램프를 사용하였고, high performance UV-Vis-NIR avalanche photo-diode fluorescence monochromator를 이용하여 측정하였다. 실시간 측정되는 데이터는 spectra managerTM 소프트웨어로 기록, 분석하였다. 측정 전 scan 범위는 180 nm에서 260 nm로, scan 속도를 100 nm/min으로 설정한 뒤 시료를 넣지 않은 채 baseline의 흡광을 측정하였다. 이후 담배 잎과 K. lactis 에서 정제된 브라제인 샘플을 H2O에 각각 2.5, 5.0, 10, 20 μM로 농도를 맞추어 측정하였다. Circular dichroism spectra of K. lactis and brazein purified from tobacco leaves were measured using J-815 spectrometer (Jasco co., Ltd.) located at Inha University Standard Analysis Institute. A 150 W xenon lamp was used as the light source and measured using a high performance UV-Vis-NIR avalanche photo-diode fluorescence monochromator. Real-time measured data was recorded and analyzed with spectra managerTM software. The scan range before measurement was 180 nm to 260 nm, the scan rate was set to 100 nm / min, and the absorbance of the baseline was measured without the sample. Then, the brazein samples purified from tobacco leaves and K. lactis were measured at concentrations of 2.5, 5.0, 10 and 20 μM in H 2 O, respectively.

4.2.4 분자량 확인4.2.4 Molecular Weight Verification

담배 잎에서 정제한 브라제인의 분자량을 확인할 수 있는 방법은 여러 가지가 있다. 주로 질량분석기를 사용해서 질량을 측정하는데, 이는 시료의 이온화를 통해 보다 정확한 질량을 측정하여 이에 맞는 화학물질을 저장되어 있는 데이타베이스(database)인 library system (예컨데, NIST Standard Reference System)에서 맞춰 질량에 맞는 분자량을 통해 물질을 예측하였다. 이 연구에서 사용된 질량분석기는 LC-ESI-MS/MS로, 두 개의 질량분석기로 분석을 하는 시스템이다. 질량분석기의 수에 따라 질량분석기와 텐덤질량분석기로 나뉘고, 감도가 확연하게 다른 장비이며 좀 더 자세하게 분석을 할 수 있는 장점을 가지고 있다. 구체적으로, 질량분석기는 이온(ion)들을 분석하지만, 텐덤질량분석기는 CID(collision-induced dissociation) 또는 ETD (electron-transfer dissociation) 방법을 통해 fragmentation시켜서 다른 MS detector로 보내게 되고 이를 통해 펩타이드 서열을 끊어 서열들을 분석하여 보다 높은 감도의 실험을 통한 결과를 얻을 수 있다. 브라제인을 확인하기 위해 업체에 의뢰하여 LC-ESI-MS/MS를 측정하였고, 얻은 결과들을 NCBI blast를 이용하여 브라제인과 비교할 것이다.There are several ways to determine the molecular weight of the purified brazein from tobacco leaves. The mass is usually measured using a mass spectrometer. The mass is measured by ionization of the sample, and the mass is matched in a library system (e.g., NIST Standard Reference System), which is a database that stores chemicals corresponding to it. The material was predicted through a molecular weight that fits. The mass spectrometer used in this study is LC-ESI-MS / MS, a system that analyzes with two mass spectrometers. It is divided into mass spectrometer and tandem mass spectrometer according to the number of mass spectrometers, and the sensitivity is clearly different and has the advantage of more detailed analysis. Specifically, the mass spectrometer analyzes the ions, but the tandem mass spectrometer fragments and sends the peptide sequence to another MS detector by means of collision-induced dissociation (CID) or electron-transfer dissociation (ETD) methods. By analyzing the sequences, the results of higher sensitivity experiments can be obtained. LC-ESI-MS / MS was measured to confirm the brazein, and the results obtained will be compared with brazein using NCBI blast.

이 연구에서는 담배 잎에서 정제한 샘플이 브라제인과 분자량(6.5 kDa)이 동일한지 LC-ESI-MS/MS, Thermo LTQ orbitrap XL with ETD System을 통하여 확인하였다. 시료는 16% tris-tricine gel에 내려 6.5 kDa 부분의 밴드를 오려내어 증류수가 담긴 micro tube에 담아 프로테움텍(Seoul, Korea)에 LC-ESI-MS/MS를 의뢰하였다(도 19). In this study, the samples purified from tobacco leaves were identified by LC-ESI-MS / MS and Thermo LTQ orbitrap XL with ETD System. The sample was dropped on a 16% tris-tricine gel, cut out a band of 6.5 kDa, and placed in a micro tube containing distilled water.

4.2.5 브라제인의 단맛 활성 측정4.2.5 Determination of sweet activity of brazein

브라제인은 당이 아닌 단백질이기 때문에 당도계를 이용하여 측정이 불가능하다. 당도계를 이용하여 브라제인의 당 수치를 정확하게 측정할 수 없지만 객관적으로 평가하기 위해 설탕 역치 실험으로 ascending 법(Jo, H. J., Noh. J. S., and kong, K. H. (2013). Efficient secretory expression of the sweet-tasting protein brazzein in the yeast Kluyveromyces lactis. Protein Expr. Purif., 90, 84-89)을 도입하였다. 사람마다 단맛을 느끼는 정도의 역치 값(threshold value)이 다르기 때문에 설탕 용액과 브라제인 샘플의 단맛을 느끼게 되는 농도를 비교하여 활성을 측정하였다. 실험은 증류수에 희석된 샘플을 사용하는데, 이때 희석해야 하는 가장 진한 농도의 샘플의 정확하게 맞춰야 제대로 된 희석이 이루어 지며 이를 통해 절대 역치 값을 정확하게 구할 수 있다. 가장 진한 농도의 브라제인 시료는 증류수에 100 μg/mL 가 되게 만들었으며, 이 용액을 기준으로 90 μg/mL, 80 μg/mL, 70 μg/mL, 60 μg/mL, 50 μg/mL 40 μg/mL, 30 μg/mL, 25μg/mL, 12.5 μg/mL, 10 μg/mL의 샘플로 희석하였다. 본 실험은 암맹 평가로 진행되며, 실험 참여자는 비흡연자로 구성하였다. 실험 전날 금주, 실험 시작 전 2시간에서 3시간은 금식을 하여 실험 조건을 최적화하였다. 실험 방법은 실험 참여자가 준비된 생수로 입안을 헹군 뒤, 샘플을 200 μL씩 낮은 농도에서 시작하여 점차적으로 고농도를 맛 보게 하여 단맛을 느끼게 되는 농도를 평가표에 체크하도록 하였다(도 20). 결과 데이터는 최소, 최대치를 제외하여 표준편차를 최소화 한 평균 값을 내었다. 그 평균 값으로 수크로오스(sucrose)의 역치 값을 구하여 담배 잎에서 정제한 브라제인의 단맛의 활성을 확인하였다.Because brazein is a protein and not a sugar, it cannot be measured using a sugar meter. Although the sugar level of brazein cannot be accurately measured using a sugar meter, an ascending method (Jo, HJ, Noh. JS, and kong, KH (2013) .Efficient secretory expression of the sweet- tasting protein brazzein in the yeast Kluyveromyces lactis.Protein Expr.Purif., 90, 84-89). Since the threshold value of sweetness is different for each person, activity was measured by comparing the sweetness concentration of the sugar solution and the brazein sample. The experiment uses samples diluted in distilled water, where the exact concentration of the thickest sample to be diluted is used to ensure proper dilution so that the absolute threshold value can be accurately determined. The highest concentration of brazein sample was made to 100 μg / mL in distilled water, based on this solution 90 μg / mL, 80 μg / mL, 70 μg / mL, 60 μg / mL, 50 μg / mL 40 μg / mL, 30 μg / mL, 25 μg / mL, 12.5 μg / mL, 10 μg / mL of the sample. This experiment was carried out with blindness evaluation, and the participants were composed of non-smokers. On the day before the experiment, 2 to 3 hours of fasting before the start of the experiment to optimize the experimental conditions. In the experiment method, the participants of the experiment rinse the mouth with the prepared bottled water, and then start the sample at a low concentration of 200 μL and gradually taste the high concentration so that the sweetness can be checked in the evaluation table (FIG. 20). The resulting data were averaged to minimize the standard deviation, excluding the minimum and maximum values. The mean value of sucrose was determined as the average value, and the activity of sweet taste of brazein purified from tobacco leaves was confirmed.

<실험 결과><Experiment Result>

3.1 형질전환 담배 식물체 형성3.1 Transgenic Tobacco Plant Formation

아그로박테리움을 매개로 한 담배 형질전환을 통하여 pBI-BZ1이 포함된 형질전환 식물체 11개체, pBI-BZ2 9개체, pBI-BZ3 15개체, pBI-BZ4 10개체를 확보하였다. 이중 발현이 가장 좋은 대표 개체 각 1종씩 선별하였다(도 6).Agrobacterium-mediated tobacco transformation secured 11 transgenic plants including pBI-BZ1, 9 pBI-BZ2, 15 pBI-BZ3, and 10 pBI-BZ4. One representative of the best representative of the double expression was selected (Fig. 6).

3.2 효모 3.2 yeast Kluyveromyces lacticsKluyveromyces lactics GG799로부터 정제한 브라제인을 이용한 항체 제작  Antibody Production Using Brazein Purified from GG799

브라제인 특이적 1차 항체 (Rabbit-anti-brazzein)를 제작하기 위해 5 ㎎의 브라제인 파우더를 효모 K. lactics GG799로부터 정제한 뒤 SDS-PAGE와 HPLC를 통해 순도 확인 후(도 6 및 도 7) 미국의 ProSci 사에 의뢰하여 사용하였다. In order to produce a brazein specific primary antibody (Rabbit-anti-brazzein), 5 mg of brazein powder was purified from yeast K. lactics GG799, and then purified after SDS-PAGE and HPLC (FIGS. 6 and 7). ) It was used by ProSci of USA.

3.3 ELISA를 통한 형질전환 식물체 선별3.3 Transgenic Plant Selection by ELISA

BCA 단백질 정량을 통해 형질전환 및 야생형 식물체의 TSP의 농도를 1.35 ㎎/㎖로 고정시킨 후 ELISA를 진행하여 각 형질전환 라인별로 브라제인 발현량이 제일 높은 식물체를 선별하였다. BCA protein was quantified to fix the TSP concentration of transformed and wild-type plants to 1.35 mg / ml, followed by ELISA to select plants with the highest expression levels of braze for each transformation line.

그 결과 signal peptide와 브라제인 서열로만 되어있는 pBI-BZ3 식물체에서 가장 높은 브라제인 발현을 보였다. 소포체 머무름 신호인 KDEL 아미노산 서열이 없는 pBI-BZ2 식물체의 경우 pBI-BZ1 유전자가 들어있는 식물체에 비해 약 64.31배 높은 발현을 나타내었으며, signal peptide가 있는 pBI-BZ3이 pBI-BZ4에 비해 약 6.39배의 높은 발현을 보였다(표 6). As a result, it showed the highest expression of brazein in pBI-BZ3 plants which consist only of signal peptide and brazein sequence. The pBI-BZ2 plant without the endoplasmic reticulum KDEL amino acid sequence expressed about 64.31 times higher than the plant containing the pBI-BZ1 gene, and the pBI-BZ3 with signal peptide was about 6.39 times higher than that of pBI-BZ4. Showed high expression (Table 6).

이를 브라제인 standard curve와 비교해본 결과, pBI-BZ1 유전자가 삽입된 담배 식물체에서 0.0073 ng/㎖의 브라제인이, pBI-BZ2 유전자가 삽입된 담배 식물체에서 0.4714 ng/㎖, pBI-BZ3 유전자가 삽입된 담배 식물체에서 0.9020 ng/㎖ 그리고 pBI-BZ4 유전자가 삽입된 담배 식물체에서 0.1412 ng/㎖의 브라제인이 발현되는 것을 확인하였다(표 6). Comparing this with the brazein standard curve, 0.0073 ng / ml of brazein was inserted in tobacco plants with pBI-BZ1 gene and 0.4714 ng / ml and pBI-BZ3 gene was inserted in tobacco plants with pBI-BZ2 gene. It was confirmed that 0.1412 ng / ml of brazein was expressed in tobacco plants in which 0.9020 ng / ml and pBI-BZ4 gene were inserted in the tobacco plants (Table 6).

ELISA에 의한 4가지 형질전환 계통의 브라제인 발현 수준 분석Analysis of Brazein Expression Levels of Four Transformed Lines by ELISA Transgenic lineTransgenic line ELISA (ODELISA (OD 450450 )) Concentration (ng/㎖)Concentration (ng / ml) Fold changeFold change pBI-BZ1 pBI-BZ1 0.010.01 0.00730.0073 1One pBI-BZ2 pBI-BZ2 0.16250.1625 0.47140.4714 64.3164.31 pBI-BZ3pBI-BZ3 0.3040.304 0.90200.9020 123.05123.05 pBI-BZ4 pBI-BZ4 0.0540.054 0.14120.1412 19.2719.27

3.4 PCR을 통한 genomic DNA 내 T-DNA 삽입 여부 확인3.4 Confirmation of T-DNA Insertion in Genomic DNA by PCR

브라제인 특이적 Primer와 NPTⅡ 유전자 특이적 primer를 사용하여 PCR을 실시한 결과 pBI-BZ1, pBI-BZ2, pBI-BZ3, pBI-BZ4 담배 형질전환체 모두 T-DNA가 증폭되었음을 확인하였다(도 10~14). PCR was performed using a brazein- specific primer and an NPTII gene-specific primer to confirm that all of the pBI-BZ1, pBI-BZ2, pBI-BZ3, and pBI-BZ4 tobacco transformants were amplified T-DNA (Fig. 10 ~ 14).

3.5 Semi-quantitative RT-PCR을 통한 mRNA 발현량 분석3.5 Analysis of mRNA Expression by Semi-quantitative RT-PCR

앞의 ELISA 결과 유전자별로 브라제인 발현량이 가장 높다고 판단되는 상위 다섯 개 형질전환 식물체를 사용하여 semi-quantitative RT-PCR을 진행하였다. EF-1 α를 housekeeping gene으로 사용하여 브라제인의 발현량을 비교해본 결과 pBI-BZ1, pBI-BZ2, pBI-BZ3, pBI-BZ4 유전자가 들어간 담배 식물체 모두 야생형 담배 식물체 대비 브라제인이 과발현되었으며, pBI-BZ2 유전자가 도입된 담배 식물체의 경우 브라제인 발현이 월등히 높음을 확인하였다(도 14~17. 표 7).The semi-quantitative RT-PCR was performed using the top five transgenic plants that were determined to have the highest expression levels of brazein for each gene. Comparison of the expression levels of brazein using EF-1 α as a housekeeping gene showed that all of the tobacco plants containing pBI-BZ1, pBI-BZ2, pBI-BZ3, and pBI-BZ4 genes overexpressed brazein compared to wild-type tobacco plants. In the tobacco plants to which the pBI-BZ2 gene was introduced, it was confirmed that brazein expression was significantly high (FIGS. 14 to 17. Table 7).

semi-quantitative RT-PCR에 의한 4가지 형질전환 계통의 브라제인 mRNA 발현 수준 분석Analysis of brazein mRNA expression levels of four transgenic lines by semi-quantitative RT-PCR Transgenic lineTransgenic line 22 △△CT△△ CT Average (2Average (2 △△CT△△ CT )) Fold changeFold change pBI-BZ1 pBI-BZ1 45.4345.43 47.3647.36 46.3146.31 46.3746.37 1.161.16 pBI-BZ2 pBI-BZ2 2409.122409.12 2403.732403.73 2280.652280.65 2364.502364.50 59.0559.05 pBI-BZ3 pBI-BZ3 40.2040.20 39.8939.89 40.0540.05 40.0440.04 1.001.00 pBI-BZ4 pBI-BZ4 2748.092748.09 3618.403618.40 2886.362886.36 3084.283084.28 77.0277.02

4.1 형질전환 담배 잎에서 브라제인 정제4.1 Purification of Brazein from Transgenic Tobacco Leaves

형질전환된 담배 잎에서 브라제인을 추출하기 위해서 가장 먼저 식물 추출 완충용액(plant extraction buffer)으로 모든 단백질을 추출하여 브라제인이 제대로 추출되었는지 확인하였다(도 21). 브라제인이 확인된 조주출물(crude extracts) 에서 다른 단백질과 엽록소를 제거하기 위해서 pH 조정 후 황산암모늄 침전법(ammonium sulfate precipitation)을 이용한 염석법과 열 변성을 이용하는 열 처리법을 진행하였다. In order to extract the brazein from the transformed tobacco leaves, it was first extracted all the protein with a plant extraction buffer (plant extraction buffer) to confirm that the brazein was properly extracted (Fig. 21). In order to remove other proteins and chlorophyll from crude extracts identified with brazein, a salting method using ammonium sulfate precipitation and a heat treatment method using heat denaturation were performed.

우선, 브라제인이 확인된 상층액에 대해 황산암모늄(ammonium sulfate)을 이용하여 0% - 90%까지 10% 간격으로 침전하여 브라제인의 침전 농도를 확인 결과 브라제인은 0% - 30%, 90% 이상에서는 침전되지 않고 주로 30% - 80%에 침전되는 것을 확인하였다(도 22). 브라제인이 확인된 농도만 취합하여 침전물(pellet)을 증류수에 녹여 투석을 통하여 염을 제거하고 열 처리를 하였다. 많은 단백질들은 열에 불안정하지만 브라제인은 80 ℃에서 4.5시간까지 안정하기 때문에 1시간에서 4시간까지 한 시간 간격으로 열 처리를 진행하여 단백질 제거의 최적 시간이 2시간임을 확인하였다(도 23). 1시간 열 처리한 것은 2시간부터 4시간 열 처리한 것 보다 제거되지 않은 단백질이 보였다. 2시간부터 4시간 열 처리한 것을 비교하여 보았을 때는 많은 차이를 보이지 않기 때문에 2시간 열 처리를 진행한 것이 가장 최적의 시간이라고 판단된다. 따라서 2시간의 열 처리 후에 음이온 교환 수지를 이용하여 정제를 진행하였지만 단일 밴드로 정제되지 않았다(도 24). 단일 밴드로 정제되지 않은 샘플을 취합하여 다음 단계인 양이온 교환 수지에서 브라제인 정제를 진행하였다. 양이온 교환 수지를 이용하여 정제한 브라제인을 SDS-PAGE로 확인한 결과 단일밴드(single band)임을 알 수 있었다(도 25). 단일밴드임을 확인 후 용출액을 증류수에 투석한 후 동결건조를 하여 분말 형태의 브라제인을 얻어, 정제한 브라제인의 순도와 활성을 확인하기 위하여 HPLC(High Performance Liquid Chromatography) 분석을 진행하였다. HPLC 측정 시 K. lactis에서 정제한 브라제인과 비교 측정을 하였다. 분석 결과 선행연구를 통해 이미 순도가 확인된 K. lactis에서 정제된 브라제인의 경우 13.234분에 나왔고, 담배에서 발현된 브라제인은 13.294분에 검출되었다. 둘의 차이는 0.06분으로 이는 거의 같은 물질로 예상되었다(도 26). First, brazein was precipitated at 10% intervals from 0% to 90% using ammonium sulfate on the supernatant, and the concentration of brazein was determined. It was confirmed that precipitated at 30%-80% mainly without precipitation in more than% (Fig. 22). The concentration of brazein was collected and the precipitate was dissolved in distilled water to remove salts through dialysis and subjected to heat treatment. Many proteins are unstable in heat, but because brazein is stable at 80 ° C. for 4.5 hours, heat treatment is performed every hour from 1 hour to 4 hours to confirm that the optimal time for protein removal is 2 hours (FIG. 23). Heat treatment for 1 hour showed unremoved protein than heat treatment for 2 to 4 hours. When comparing the heat treatment from 2 hours to 4 hours, the difference is not so much that it is judged that the 2 hour heat treatment is the best time. Therefore, after 2 hours of heat treatment, purification was performed using an anion exchange resin, but not purified in a single band (FIG. 24). Samples that were not purified in a single band were collected and subjected to brazein purification in the next step, cation exchange resin. Brazein purified using a cation exchange resin was confirmed by SDS-PAGE was found to be a single band (single band) (Fig. 25). After confirming that it is a single band, the eluate was dialyzed in distilled water, and then lyophilized to obtain a brazein in powder form, and HPLC (High Performance Liquid Chromatography) analysis was performed to confirm the purity and activity of the purified brazein. HPLC measurement was compared with brazein purified from K. lactis . As a result, brazein purified from K. lactis was found at 13.234 minutes, and tobacco expressed in 13.294 minutes. The difference between the two was 0.06 minutes, which was expected to be about the same material (FIG. 26).

4.2.1 브라제인 정제 수율4.2.1 Brazein Tablet Yield

지금까지 담배 잎에 브라제인 유전자를 형질전환하여 브라제인이 발현된다는 것을 확인할 수 있었다. 브라제인은 표 8에서 볼 수 있듯이 다양한 발현계에서 발현을 시도하였으며, 발현계에 따라 수율도 달랐다. 식물에서 형질전환을 통해 브라제인을 생산하는 연구의 역사는 길지 않지만, 다른 발현계를 이용해 브라제인을 생산하는 방법은 이미 많은 연구가 되어있다(표 8). Thus far, it has been confirmed that the expression of brazein is expressed by transforming the brazein gene in tobacco leaves. Brazein tried to express in various expression systems, as shown in Table 8, the yield was different depending on the expression system. Although the history of the production of brazein through transformation in plants is not long, there have been many studies on the production of brazein using other expression systems (Table 8).

식물 중에서 가장 간편하고 쉽게 접근할 수 있는 담배 잎을 사용해 브라제인을 생산하는 일은 의미가 있고, 이 일을 성공시키기 위해 여러 정제과정을 거치게 되는데, 각 단계별에서 전체 단백질(total protein) 양, 브라제인 양, 순도(purity), 정제도(fold) 와 수율(yield)을 표로 정리하였다(표 9). 정제 단계에 따라 전체 단백질의 양이 감소하며 브라제인의 양도 크게 감소하였다. The production of brazein using tobacco leaves is the simplest and most easily accessible of the plants, and there are several purification steps to make this work successful. In each step, the total protein amount, brazein The amounts, purity, fold and yield were summarized in the table (Table 9). According to the purification step, the amount of total protein was reduced and the amount of brazein was greatly reduced.

담배에서 발현되고 정제했을 때 1.9mg/Kg의 수율은 결코 적은 양이 아니다. 생산비가 많이 드는 효모 발현계에 비해 대량으로 재배했을 때 생산 단가 면이나 관리 면에서 담배 발현계가 더 좋을 수 있으므로 의미가 있다.The yield of 1.9 mg / Kg is never small when expressed and purified in tobacco. It is meaningful because the tobacco expression system may be better in terms of production cost or management when grown in large quantities compared to the yeast expression system, which has a high production cost.

재조합 브라제인 생산 및 특성화에 사용되는 발현 숙주Expression host used for recombinant brazein production and characterization HostHost E.coliE.coli K. lactisK. lactis Zea mays*Zea mays * N. tabacumN. tabacum Brazzein
yield
Brazzein
yield
1.8 mg/L1.8 mg / L 55 mg/L55 mg / L 53.8 mg/kg53.8 mg / kg 1.9 mg/kg1.9 mg / kg

*Not purified* Not purified

Figure pat00006
Figure pat00006

4.2.2 N-말단 아미노산 서열 분석(N-Terminal amino acid sequencing)4.2.2 N-terminal amino acid sequencing

형질전환 담배 잎에서 정제한 단백질이 목적 단백질인지 확인하기 위하여 N-말단 아미노산 서열을 분석하였다. 정제된 샘플 10 μg/mL를 제공하였으며 Edman sequencing 방법으로 5개의 아미노산 서열을 밝혔으며, 브라제인 서열과 비교해 보았다.N-terminal amino acid sequence was analyzed to determine whether the protein purified from the transformed tobacco leaves is the target protein. A purified sample was provided with 10 μg / mL and five amino acid sequences were identified by Edman sequencing method and compared with the brazein sequence.

담배 잎에 형질전환된 브라제인 유전자는 N-말단에 pyroglutamate가 없이 53개의 아미노산으로 구성되어 있는 minor type 브라제인였다. 서열은 D - K - C - K - K 로 진행되는데 분석 결과 D - K - X - K - K 로 세 번째 아미노산을 제외한 서열들이 일치함을 확인하였다(도 27). 데이터 상으로 읽히지 않은 세 번째 아미노산은 Edman sequencing 분석 방법 특성상 common amino acid인 경우 시스테인(cysteine)일 가능성이 제일 크기 때문에 시스테인(cysteine) 이라고 판단된다. 따라서 결과적으로 담배 잎에서 정제된 단백질은 minor type의 브라제인의 서열과 일치함을 확인하였다(도 18). The brazein gene transformed on tobacco leaves was a minor type brazein consisting of 53 amino acids without pyroglutamate at the N-terminus. The sequence proceeds with D-K-C-K-K. As a result of analysis, it was confirmed that the sequences except for the third amino acid were identical with D-K-X-K-K (FIG. 27). The third amino acid, which is not read in the data, is considered to be cysteine because it is most likely to be cysteine in the case of common amino acid because of Edman sequencing analysis method. Therefore, as a result, it was confirmed that the protein purified from the tobacco leaf is consistent with the sequence of the brazein of minor type (FIG. 18).

4.2.3 원편광 이색성 분광 측정법을 통한 브라제인의 고차구조 분석4.2.3 Higher order structure analysis of brazein by circular dichroism spectroscopy

원평광 이색성 분광 측정법(circular dichroism spectroscopy)을 통해 식물 발현계와 효모 발현계를 이용하여 발현, 정제한 브라제인의 고차 구조를 비교, 분석하였다. 식물에서 정제된 브라제인과 효모에서 발현된 브라제인의 평균 타원율 MRE(mean residue ellipticity)을 190 nm부터 250 nm까지의 범위에서 2.5, 5.0, 10, 20 μM 농도로 측정하였다(도 29 및 30). 측정 결과 5 μM에서 두 샘플 모두 215 nm에서 최저 흡수도가 나타났고 전체적인 스펙트럼이 유사한 것으로 보아 효모에서 정제된 브라제인과 담배 잎에서 정제된 브라제인의 고차 구조는 매우 유사한 것으로 판단된다(도 31). 또한, 10 μM 에서 측정된 각각의 값을 K2D3 프로그램을 이용하여 α나선 구조와 β가닥 구조의 함량을 구하였다. The higher order structures of brazein expressed and purified using plant and yeast expression systems were compared and analyzed by circular dichroism spectroscopy. Mean ellipticity (MRE) of brazein purified from plants and expressed in yeast was measured at concentrations of 2.5, 5.0, 10 and 20 μM in the range from 190 nm to 250 nm (FIGS. 29 and 30). . As a result of the measurement, both samples showed the lowest absorption at 215 nm and the overall spectrum was similar, indicating that the higher order structures of the purified brazein in yeast and the purified brazein in tobacco leaves were very similar (FIG. 31). . In addition, the values of α-helix and β-stranded structures were determined for each value measured at 10 μM using the K2D3 program.

그 결과, K. lactis 에서 정제된 브라제인은 7.41% α-나선 구조와 17.16% β-가닥 구조를 포함하고 있으며, 담배 잎에서 정제된 브라제인은 9.9% α-나선 구조와 19.7% β-가닥 구조를 포함하고 있는 것으로 나타나 약간의 차이는 있으나 큰 구조적 변화는 없다고 판단된다(표 10:K2D3에 의한 Kluyveromyces lactis 및 Nicotiana tabacum의 2차 구조 조성의 평가). As a result, the purified brazein from K. lactis contained 7.41% α-helix structure and 17.16% β-stranded structure, and the purified brazein from tobacco leaves had a 9.9% α-helix structure and 19.7% β-stranded. It appears to contain the structure, but there is a slight difference, but there is no significant structural change (Table 10: Evaluation of the secondary structure composition of Kluyveromyces lactis and Nicotiana tabacum by K2D3).

Figure pat00007
Figure pat00007

4.2.4 LC-MS/MS 4.2.4 LC-MS / MS

담배 잎에서 정제한 브라제인의 분자량을 확인할 수 있는 방법은 여러 가지가 있다. 우선 기본적으로 질량분석기를 사용해서 정확한 분자량을 확인할 수 있고, 본 연구에서 사용된 LC-ESI-MS/MS, 이름에서 확인할 수 있듯이 두 개의 질량분석기를 이용해 분리 및 분석을 할 수 있다. 질량분석기와 텐덤질량분석기는 감도 자체가 확연히 다른 장비이고, 좀 더 확실하게 분석을 할 수 있는 장점을 가지고 있다. 질량분석기는 이온들을 분석해서 분자량을 확인한다면, 텐덤질량분석기는 여기에 펩타이드를 끊어 서열을 맞춤으로서 보다 더 정확한 결과를 얻을 수 있는 장점이 있다.There are several ways to determine the molecular weight of the purified brazein from tobacco leaves. Basically, mass spectrometer can be used to confirm the exact molecular weight, and LC-ESI-MS / MS used in this study, as can be seen from the name, can be separated and analyzed using two mass spectrometers. Mass spectrometers and tandem mass spectrometers have distinct advantages in sensitivity, and have the advantage of being able to analyze more reliably. If the mass spectrometer analyzes the ions and checks the molecular weight, the tandem mass spectrometer has the advantage that the peptide can be cut and sequenced to obtain more accurate results.

LC-ESI-MS/MS를 분석하기 위해서 업체에 의뢰를 하였고, 분석결과는 도 32에 나타내었다. 브라제인의 54개의 서열 중에서 10개의 아미노산이 브라제인의 아미노산 서열과 일치함을 붉은 글자의 밑줄 친 부분에서 확인할 수 있다. 이는 하단의 스펙트럼(spectrum)에서 확인할 수 있는데, 여러 피크(peak)들 중에서 current와 정확도가 높은 피크들을 선정하여 서열을 맞춰 분석 대행업체에서 결과를 받을 수 있었다. 이렇게 이 서열들을 NCBI blast(ncbi.nlm.nih.gov)에서 검색결과 P56552.1의 코드를 가지고 있고, 이는 브라제인의 검색 결과로 확인할 수 있었다A request was made to a company to analyze LC-ESI-MS / MS, and the analysis results are shown in FIG. 32. It can be seen in the underlined portion of the red letters that 10 amino acids out of the 54 sequences of brazein match the amino acid sequences of brazein. This can be confirmed in the spectrum below, and selects peaks with high current and accuracy among several peaks, and then obtains the result from the analysis agency by matching the sequences. Thus, these sequences had the code of P56552.1 in the NCBI blast (ncbi.nlm.nih.gov), which was confirmed by the result of Brazein's search.

4.2.5 브라제인의 단맛 활성 측정 4.2.5 Determination of sweet activity of brazein

담배 잎에서 발현 정제된 브라제인의 단맛의 정도를 수크로오스 (sucrose)에 대비하여 측정하였다. 우선 고순도로 정제된 브라제인의 농도를 정확히 구하기 위해 3번씩 BCA 정량하여 평균값을 구하였다. 브라제인 단맛 시험은 10명의 참여자에게 단계별 농도로 녹인 브라제인 샘플의 맛을 보고 단맛을 느끼는 단계에 체크하여 수크로오스와 단맛의 상대 활성을 측정하였다. The degree of sweetness of purified brazein expressed in tobacco leaves was measured against sucrose. First, in order to accurately determine the concentration of purified brazein with high purity, BCA was quantified three times to obtain an average value. In the braze sweetness test, 10 participants participated in the step-by-step concentration test and checked the sweetness of the brazein sample to determine the relative activity of sucrose and sweetness.

그 결과 담배 잎에서 발현된 브라제인은 수크로오스 대비 약 1,330배 정도 더 단맛을 나타내었다(도 33). As a result, brazein expressed in tobacco leaves showed about 1,330 times sweeter than sucrose (FIG. 33).

고찰Review

1990년대부터 모넬린, 미라큘린, 타우마틴, 브라제인 등의 감미단백질들을 식물을 이용하여 재조합 단백질로 발현시키는 연구가 활발히 진행되어 왔다. 타우마틴의 경우에는 감자에서의 발현을 시작으로 딸기, 배, 오이, 토마토에서 단백질을 과발현시키고자 하였으나 발현량은 매우 낮았다(Witty, 1990; Szwacka et al., 2002; Bartoszewski et al., 2003; Lebedev et al., 2000; Schestibratov and Dolgov, 2005). 브라제인의 경우 2005년 미국에서 옥수수에서 발현을 시켰고 그 결과 옥수수에서 브라제인은 1 kg 당 정제되지 않은 브라제인 53.75 mg 을 얻을 수 있었다(Lamphear, B.J., Barker, D.K., Brooks, C.A., Delaney, D.E., Lane, J.R., Beifuss, K., Love, R., Thompson, K., Mayor, J., and Clough, R. (2005). Expression of the sweet protein brazzein in maize for production of a new commercial sweetener. J. Plant Biotech., 3, 103-114). 그러나 후에 다른 농작물 간의 교차 오염의 문제가 야기되어 형질전환 옥수수 작물 전량이 폐기되어 후속 연구 진행에 어려움이 있었다. 이런 연구 결과 바탕으로 본 연구에서는 다른 식물과 비교하였을 때 2-3 m 가량의 큰 성체로 성장할 수 있어 대량 생산이 가능하고, 단백질을 종자 형태로 장기간 활성이 유지되는 상태로 보관이 가능한 장점이 있는 담배를 이용하여 연구를 진행하였다. 감미단백질 브라제인을 담배 식물체에서 재조합 단백질로 발현시키기 위하여 유전자 카세트를 달리하여 네 종류의 pBI-BZ1-4 발현 벡터를 제작하여 브라제인이 발현된 형질전환 담배 식물체를 구축하였다. 그리고 형질전환 담배 식물체를 PCR, semi-quantitative RT-PCR, RT-qPCR을 통해 식물 염색체 DNA에 T-DNA 삽입 여부와 mRNA 발현양을 확인하였다. 그 결과 pBI-BZ-3에서 가장 많은 발현양을 보였으며, 담배 잎 1 kg 당 15.3 mg 이 발현되었다. 이렇게 발현된 재조합 브라제인을 담배 잎으로부터 정제하였으며, 구조 및 특성 분석을 실시하였다. 정제 과정을 종합해 본 결과 황산 암모늄 침전법, 열처리, 양이온 크로마토그래피법, 음이온 크로마토그래피법의 정제 과정을 거쳐 브라제인을 추출, 정제하여 담배 잎 1 kg 당 1.9 mg 의 브라제인을 얻을 수 있었다. 이렇게 추출한 브라제인이 단맛 활성을 가지고 있는지 그리고 발현, 정제한 단백질이 브라제인인지를 확인하기 위하여 일차구조와 고차구조 및 단맛특성 분석을 진행하였다. 우선 SDS-PAGE로 대략적인 분자량을 확인하였으며, HPLC를 이용하여 순도 및 단백질 접힘을 확인하였다. 확인된 시료에 대해 원편광 이색성 분광법을 이용하여 단백질의 2차 구조를 확인한 결과, 효모에서 정제된 브라제인과 α-나선 구조와 β-가닥 구조의 함량을 비교하였을 때 담배 잎에서 정제된 브라제인과 약간의 차이는 있으나 큰 구조적 변화는 없다고 판단된다. N-말단 아미노산 서열 분석을 통하여 브라제인의 서열과 일치함을 확인하였으며, LC-MS/MS에서도 분자량 및 내부서열이 브라제인과 일치함을 확인하였다. 수크로오스와 단맛 비교 결과 약 1,330배 단맛을 나타난다는 결과를 얻었다. 다른 발현계에서 발현, 정제된 브라제인의 단맛과 비교분석 결과 수크로오스 대비 K. lactis에서 정제된 브라제인은 1,820배, E. coli에서 정제된 브라제인은 1,280배의 단맛 활성을 나타내었다. 원핵생물인 E. coli에서 발현된 브라제인은 재접힘(refolding) 과정을 통해 정제하기 때문에 폴딩(folding)이 다를 수 있어 진핵생물에서 정제된 브라제인 보다 단맛 활성이 다소 낮다고 판단된다. 그러나 진핵생물인 k. lactis와 담배 잎에서 정제된 브라제인의 단맛 활성은 비슷해야 하지만 약 27% 정도의 차이가 난다. 형질전환 되지 않은 담배 잎에서도 브라제인의 분자량과 비슷한 크기의 단백질이 존재한다. 그렇기 때문에 단백질 정량을 하였을 때 K. lactis에서 정제된 샘플과 다르게 담배 잎에서 정제된 샘플은 브라제인 외 다른 단백질이 포함되어있어 최종 단백질 농도는 같지만 브라제인의 농도가 다르기 때문에 단맛 활성이 낮아졌다고 판단된다. 또 한 가지 가능성은 LC-MS/MS로 측정한 형질전환 담배에서 정제한 브라제인의 분자량은 6,958로 minor type 브라제인과는 약 500정도 분자량이 크게 나타난다. 따라서 번역 후 수식과정에 의해 브라제인에 수식이 일어났을 가능성이 있으며, 이러한 수식이 단맛에 영향을 주었을 것으로 시사된다. 담배 잎에서 정제된 브라제인의 분석 결과를 종합하면 브라제인은 높은 순도와 정확한 접힘으로 정제되었고 수크로오스 대비 높은 단맛을 나타낸다. 또한, 담배 잎에서 발현된 재조합 브라제인 양은 15.3 mg 이며, 다단계의 과정을 거쳐 정제된 브라제인은 1 kg 당 1.9 mg으로 수율이 다소 낮아 보이긴 하지만 이는 결코 적은 양이 아니다. 생산비가 많이 드는 효모발현계에 비해 대량으로 재배했을 때 생산 단가 면이나 관리 면에서 담배 발현계가 더 좋을 수 있으므로 의미가 있다. 따라서, 이로부터 브라제인을 대량 생산하여 추후 감미료 사업화에 있어서 이바지할 수 있을 것이라 판단된다. 더 나아가 담배 식물만이 아닌 교차오염에 문제가 없는 과육이 맺히는 식물에 형질전환을 한다면 감미료 사업을 포함해서 농산물 시장에도 큰 도움이 될 것이라고 판단된다.Since the 1990s, studies on expressing sweet proteins such as Monelin, Miraculin, Taumatin, and Brazein as recombinant proteins using plants have been actively conducted. In the case of taumartin, overexpression of proteins in strawberries, pears, cucumbers, and tomatoes, starting from the potato expression, was expressed (Witty, 1990; Szwacka et al., 2002; Bartoszewski et al., 2003; Lebedev et al., 2000; Schestibratov and Dolgov, 2005). In the case of brazein, it was expressed in corn in the United States in 2005, which resulted in 53.75 mg of unpurified brazein per kg of corn (Lamphear, BJ, Barker, DK, Brooks, CA, Delaney, DE). , Lane, JR, Beifuss, K., Love, R., Thompson, K., Mayor, J., and Clough, R. (2005) .Expression of the sweet protein brazzein in maize for production of a new commercial sweetener. J. Plant Biotech., 3, 103-114). However, later problems with cross-contamination between different crops caused the entire transgenic maize crop to be discarded, making it difficult to proceed with subsequent studies. Based on these findings, this study has the advantage of being able to grow to a large adult size of 2-3 m compared with other plants, allowing mass production, and keeping proteins in seed form for long-term activity. The study was conducted using tobacco. Four kinds of pBI-BZ1-4 expression vectors were constructed using different gene cassettes to express sweet protein brazein as a recombinant protein in tobacco plants, thereby constructing a transformed tobacco plant expressing brazein. The transgenic tobacco plants were identified by PCR, semi-quantitative RT-PCR, RT-qPCR and T-DNA insertion and mRNA expression in plant chromosomal DNA. As a result, pBI-BZ-3 showed the most expression, and 15.3 mg per kg of tobacco leaf was expressed. The recombinant brazein thus expressed was purified from tobacco leaves and subjected to structure and characterization. As a result of the purification process, brazein was extracted and purified through ammonium sulfate precipitation, heat treatment, cation chromatography, and anion chromatography to obtain 1.9 mg of brazein per kg of tobacco leaves. In order to confirm whether the extracted brazein had sweetness activity and whether the expressed and purified proteins were brazein, the primary structure, higher order structure and sweetness characteristics were analyzed. First, the approximate molecular weight was confirmed by SDS-PAGE, and purity and protein folding were confirmed using HPLC. As a result of confirming the secondary structure of the protein using the circular dichroism spectroscopy on the identified samples, it was found that the purified braze from yeast was compared with the content of the α-helix structure and the β-strand structure. There is a slight difference from Jane, but there is no significant structural change. The N-terminal amino acid sequence analysis confirmed that it was consistent with the sequence of brazein, and LC-MS / MS also confirmed that the molecular weight and internal sequence were consistent with the brazein. As a result of the comparison between sucrose and sweetness, the result was about 1,330 times sweeter. As a result of comparative analysis of sweetness of purified and purified brazein in different expression systems, brazein purified from K. lactis compared to sucrose showed 1,820 times sweetness and 1,280 times sweetness purified from E. coli . Because brazein expressed in prokaryotic E. coli is purified through refolding, folding may be different, and thus, sweetness activity is somewhat lower than that of brazein purified from eukaryotes. But eukaryotic k. The sweetened activity of the purified brazein in lactis and tobacco leaves should be similar but varies by about 27%. In untransformed tobacco leaves, proteins similar in size to the molecular weight of brazein are present. Therefore, unlike protein purified from K. lactis , the sample purified from tobacco leaves contains other proteins besides brazein because the final protein concentration is the same but the sweetness activity is lowered because the concentration of brazein is different. do. Another possibility is that the molecular weight of the purified brazein from transgenic tobacco measured by LC-MS / MS is 6,958, which is about 500 molecular weights with that of the minor type brazein. Therefore, there is a possibility that the formula may have occurred in Brazein by the post-translational modification process, and this suggests that the formula may affect the sweetness. The results of the analysis of purified brazein from tobacco leaves showed that the purified braze was purified with high purity and accurate folding and had a higher sweetness than sucrose. In addition, the amount of recombinant brazein expressed in tobacco leaves is 15.3 mg, and the purified brazein, which is purified through a multi-step process, is 1.9 mg per kg, but the yield seems somewhat low, but this is never a small amount. It is meaningful because the tobacco expression system may be better in terms of production cost or management when it is cultivated in large quantities compared to the yeast expression system which is expensive to produce. Therefore, it is believed that this will contribute to the commercialization of sweeteners after mass production of brazein. Furthermore, transforming not only tobacco plants but also plants with fleshy fruit without cross-contamination will be a great help for the agricultural product market, including the sweetener business.

<110> Chung-Ang University Industry-Academy Cooperation Foundation <120> Production method of brazzein from transgenic tobacco for high expression of brazzein <130> P18U21C0844 <160> 9 <170> KoPatentIn 3.0 <210> 1 <211> 53 <212> PRT <213> Artificial Sequence <220> <223> brazzein minor type <400> 1 Asp Lys Cys Lys Lys Val Tyr Glu Asn Tyr Pro Val Ser Lys Cys Gln 1 5 10 15 Leu Ala Asn Gln Cys Asn Tyr Asp Cys Lys Leu Asp Lys His Ala Arg 20 25 30 Ser Gly Glu Cys Phe Tyr Asp Glu Lys Arg Asn Leu Gln Cys Ile Cys 35 40 45 Asp Tyr Cys Glu Tyr 50 <210> 2 <211> 159 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> brazzein minor type <400> 2 gacaaatgca aaaaagttta cgaaaattac ccagtttcta agtgccaact ggccaatcaa 60 tgcaattacg attgcaagct tgataagcat gctcgatctg gagaatgctt ttacgatgaa 120 aagagaaatc ttcaatgcat ttgcgattac tgcgaatac 159 <210> 3 <211> 32 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> AMV enhancer <400> 3 ttttattttt aattttcttt caaatacttc ca 32 <210> 4 <211> 87 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> endoplasmic reticulum signal peptide <400> 4 gctacccaaa ggagagcaaa ccctagttct ctacatctta tcactgtgtt ctcactgctt 60 gctgcagtag tttccgccga agttgat 87 <210> 5 <211> 623 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> CaMV 35S promoter <400> 5 gcatgcctgc aggtccgatt gagacttttc aacaaagggt aatatccgga aacctcctcg 60 gattccattg cccagctatc tgtcacttta ttgtgaagat agtggaaaag gaaggtggct 120 cctacaaatg ccatcattgc gataaaggaa aggccatcgt tgaagatgcc tctgccgaca 180 gtggtcccaa agatggaccc ccacccacga ggagcatcgt ggaaaaagaa gacgttccaa 240 ccacgtcttc aaagcaagtg gattgatgtg atggtccgat tgagactttt caacaaaggg 300 taatatccgg aaacctcctc ggattccatt gcccagctat ctgtcacttt attgtgaaga 360 tagtggaaaa ggaaggtggc tcctacaaat gccatcattg cgataaagga aaggccatcg 420 ttgaagatgc ctctgccgac agtagtccca aagatggacc cccacccacg aggagcatcg 480 tggaaaaaga agacgttcca accacgtctt caaagcaagt ggattgatgt gatatctcca 540 ctgacgtaag ggatgacgca caatcccact atccttcgca agacccttcc tctatataag 600 gaagttcatt tcatttggag agg 623 <210> 6 <211> 257 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> NOS terminator <400> 6 ccgatcgttc aaacatttgg caataaagtt tcttaagatt gaatcctgtt gccggtcttg 60 cgatgattat catataattt ctgttgaatt acgttaagca tgtaataatt aacatgtaat 120 gcatgacgtt atttatgaga tgggttttta tgattagagt cccgcaatta tacatttaat 180 acgcgataga aaacaaaata tagcgcgcaa actaggataa attatcgcgc gcggtgtcat 240 ctatgttact agatcgg 257 <210> 7 <211> 21 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> reverse TEV <400> 7 ggccagtttt acctcaatga g 21 <210> 8 <211> 184 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> NOS promoter <400> 8 gggtttctgg agtttaatga gctaagcaca tacgtcagaa accattattg cgcgttcaaa 60 agtcgcctaa ggtcactatc agctagcaaa tatttcttgt caaaaatgct ccactgacgt 120 tccataaatt cccctcggta tccaattaga gtctcatatt cactctcaat ccaaataatc 180 tgca 184 <210> 9 <211> 795 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> NPT II gene <400> 9 atgattgaac aagatggatt gcacgcaggt tctccggccg cttgggtgga gaggctattc 60 ggctatgact gggcacaaca gacaatcggc tgctctgatg ccgccgtgtt ccggctgtca 120 gcgcaggggc gcccggttct ttttgtcaag accgacctgt ccggtgccct gaatgaactg 180 caggacgagg cagcgcggct atcgtggctg gccacgacgg gcgttccttg cgcagctgtg 240 ctcgacgttg tcactgaagc gggaagggac tggctgctat tgggcgaagt gccggggcag 300 gatctcctgt catctcacct tgctcctgcc gagaaagtat ccatcatggc tgatgcaatg 360 cggcggctgc atacgcttga tccggctacc tgcccattcg accaccaagc gaaacatcgc 420 atcgagcgag cacgtactcg gatggaagcc ggtcttgtcg atcaggatga tctggacgaa 480 gagcatcagg ggctcgcgcc agccgaactg ttcgccaggc tcaaggcgcg catgcccgac 540 ggcgaggatc tcgtcgtgac ccatggcgat gcctgcttgc cgaatatcat ggtggaaaat 600 ggccgctttt ctggattcat cgactgtggc cggctgggtg tggcggaccg ctatcaggac 660 atagcgttgg ctacccgtga tattgctgaa gagcttggcg gcgaatgggc tgaccgcttc 720 ctcgtgcttt acggtatcgc cgctcccgat tcgcagcgca tcgccttcta tcgccttctt 780 gacgagttct tctga 795 <110> Chung-Ang University Industry-Academy Cooperation Foundation <120> Production method of brazzein from transgenic tobacco for high          expression of brazzein <130> P18U21C0844 <160> 9 <170> KoPatentIn 3.0 <210> 1 <211> 53 <212> PRT <213> Artificial Sequence <220> <223> brazzein minor type <400> 1 Asp Lys Cys Lys Lys Val Tyr Glu Asn Tyr Pro Val Ser Lys Cys Gln   1 5 10 15 Leu Ala Asn Gln Cys Asn Tyr Asp Cys Lys Leu Asp Lys His Ala Arg              20 25 30 Ser Gly Glu Cys Phe Tyr Asp Glu Lys Arg Asn Leu Gln Cys Ile Cys          35 40 45 Asp Tyr Cys Glu Tyr      50 <210> 2 <211> 159 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> brazzein minor type <400> 2 gacaaatgca aaaaagttta cgaaaattac ccagtttcta agtgccaact ggccaatcaa 60 tgcaattacg attgcaagct tgataagcat gctcgatctg gagaatgctt ttacgatgaa 120 aagagaaatc ttcaatgcat ttgcgattac tgcgaatac 159 <210> 3 <211> 32 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> AMV enhancer <400> 3 ttttattttt aattttcttt caaatacttc ca 32 <210> 4 <211> 87 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> endoplasmic reticulum signal peptide <400> 4 gctacccaaa ggagagcaaa ccctagttct ctacatctta tcactgtgtt ctcactgctt 60 gctgcagtag tttccgccga agttgat 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Claims (5)

브라제인 고발현용 재조합 발현벡터를 이용하여 형질전환된 담배를 제작하고, 상기 형질전환된 담배에서 발현된 재조합 브라제인을 염석, 열 처리, 음이온 크로마토그래피 및 양이온 크로마토그래피를 순차적으로 실시하여 정제하는 단계;
를 포함하는, 형질전환 담배로부터 브라제인을 생산하는 방법.
To prepare a transformed tobacco using a recombinant expression vector for high expression of braze, and to purify the recombinant brazein expressed in the transformed tobacco by sequentially performing salting, heat treatment, anion chromatography and cation chromatography step;
Comprising, a method for producing brazein from a transgenic tobacco.
제 1 항에 있어서,
상기 브라제인 고발현용 재조합 발현벡터는 프로모터 및 이와 작동 가능하게 연결된 AMV(Alfalfa Mosaic Virus RNA4) 인핸서, 소포체 신호 서열(endoplasmic reticulum signal peptide) 및 브라제인을 암호화하는 폴리뉴클레오타이드를 포함하는 것인, 방법.
The method of claim 1,
The recombinant expression vector for high expression brazein will include a promoter and an operably linked AMV (Alfalfa Mosaic Virus RNA4) enhancer, an endoplasmic reticulum signal peptide, and a polynucleotide encoding brazein. .
제 1 항에 있어서,
상기 염석은 30~80% 농도의 황산암모늄 용액으로 침전시켜 수행하는, 방법.
The method of claim 1,
The salting out is carried out by precipitation with an ammonium sulfate solution of 30-80% concentration.
제 1 항에 있어서,
상기 열 처리는 70~90℃에서 1~3시간 동안 실시하는, 방법.
The method of claim 1,
The heat treatment is carried out for 1 to 3 hours at 70 ~ 90 ℃.
제 1 항에 있어서,
상기 음이온 크로마토그래피는 음이온 교환 수지인 DEAE-세파로스 (diethylamnioethyl-Sepharose)를 이용하여 수행하고,
상기 양이온 크로마토그래피는 양이온 이온 수지인 CM-세파로스(carboxymethyl-Sepharose)를 이용하여 수행하는, 방법.
The method of claim 1,
The anion chromatography is performed using DEAE-Sepharose, an anion exchange resin,
Wherein the cation chromatography is performed using a cation ion resin CM-Sepharose (carboxymethyl-Sepharose).
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