KR20230114870A - Family VIII Carbixylesterase For High Purity (S)-Sec-Alcohol Preparation - Google Patents

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Abstract

본 발명의 (S)-2차 알코올 제조용 패밀리 VIII 카르복실에스테라제는 키랄 2차 알코올 에스테르 기질에 대한 높은 (S)-입체선택성을 가져 고순도의 (S)-2차 알코올을 제조할 수 있는 장점이 있다. 따라서 본 발명의 (S)-2차 알코올 제조용 패밀리 VIII 카르복실에스테라제를 이용하면 광화학적으로 순수한 (S)-2차 알코올을 산업적으로 대량 생산 할 수 있는 효과가 있다.The family VIII carboxylesterase for producing (S)-secondary alcohol of the present invention has high (S)-stereoselectivity for chiral secondary alcohol ester substrates, which can produce high-purity (S)-secondary alcohol. There are advantages. Therefore, using the family VIII carboxylesterase for producing (S) -secondary alcohol of the present invention has an effect of industrially mass-producing photochemically pure (S) -secondary alcohol.

Description

고순도 (S)-2차 알코올 제조용 패밀리 VIII 카르복실에스테라제{Family VIII Carbixylesterase For High Purity (S)-Sec-Alcohol Preparation} Family VIII Carbixylesterase For High Purity (S)-Sec-Alcohol Preparation}

본 발명은 고순도 (S)-2차 알코올 제조용 패밀리 VIII 카르복실에스테라제에 관한 것이다.The present invention relates to family VIII carboxylesterases for the production of high-purity (S)-secondary alcohols.

리파아제(lipase)는 다양한 키랄 2차 알코올(Chiral sec-alcohol)에 대하여 높은 (R)-입체선택성을 가져 동적 분해능(kinetic resolution) 또는 동역학적 분해능(dynamic kinetic resolution)을 통한 키랄 2차 알코올((R)-2차 알코올) 제조에 널리 사용된다. 상기 거울상 이성질체는 구조 특성 및 광학 특성에 따라 구분되며 상기 구조 특성에 따른 거울상 이성질체는 (R)-거울상 이성질체 및 (S)-거울상 이성질체로 구분된다. 상기 (R)-거울상 이성질체 및 (S)-거울상 이성질체는 카이랄 중심에 붙어 있는 치환기를 원자 번호에 기반을 둔 칸-인골드-프렐로그 순위 규칙에 따라 우선순위를 붙이고 카이랄 중심을 회전시켜 가장 낮은 우선순위를 지니는 치환기가 카이랄 중심에 가려서 보이지 않게 한 후 나머지 치환기의 우선순위가 오른쪽으로 감소(시계방향으로 감소)하면 (R)-거울상 이성질체라 하며 왼쪽으로 감소(반시계방향으로 감소)하면 (S)-거울상 이성질체라 한다. 키랄 2차 알코올의 키랄 중심에는 두 가지 치환기가 존재하며, 리파아제의 입체 선택성(enantioselectivity)에 관한 선행연구결과에 따르면 상기 치환기는 리파아제의 특정 결합부위(binding pocket)들에 각기 결합하게 된다. Lipase has high (R)-stereoselectivity for various chiral sec-alcohols, so that chiral sec-alcohols ((( R) - is widely used in the manufacture of secondary alcohols). The enantiomers are classified according to structural properties and optical properties, and the enantiomers according to the structural properties are classified into (R)-enantiomers and (S)-enantiomers. The (R)-enantiomer and (S)-enantiomer are obtained by prioritizing substituents attached to the chiral center according to the Cahn-Ingold-Prelog ranking rule based on atomic number and rotating the chiral center. If the priority of the remaining substituents decreases to the right (decreasing in a clockwise direction) after the substituent with the lowest priority is obscured by the chiral center, it is called an (R)-enantiomer and decreases to the left (decreasing in a counterclockwise direction). ) is called the (S)-enantiomer. Two substituents exist at the chiral center of a chiral secondary alcohol, and according to previous studies on the enantioselectivity of lipase, the substituents bind to specific binding pockets of lipase, respectively.

칸디다 안타르티카 리파아제 B(Candida antarctica lipase B, CAL-B)는 키랄 2차 알코올을 제조하는 효소로 가장 널리 사용되어왔다. 상기 CAL-B는 두 가지의 결합부위(binding pocket)로 구성된 알코올 결합영역(binding region)을 가지며 상기 두 가지 결합부위는 결합영역 입구에 위치하고 있는 큰 결합부위와 결합영역 내부 깊숙이 위치하고 있는 중간 결합부위로 구분된다. 상기 중간 결합부위는 입체특이성(stereospecificity) 결합 부위로서 에틸기(ethyl-group)보다 큰 치환기는 이에 결합할 수 없음이 알려져 있다. 상기 중간 결합부위의 결합특성은 CAL-B의 키랄 2차 알코올 기질에 대한 높은 입체 선택성을 설명하고, 대부분의 리파아제가 가지는 고유의 (R)-입체선택성으로서 이해된다. Candida antarctica lipase B (CAL-B) has been most widely used as an enzyme for producing chiral secondary alcohols. The CAL-B has an alcohol binding region composed of two binding pockets, the large binding region located at the entrance of the binding region and the middle binding region located deep inside the binding region. are separated by It is known that the intermediate binding site is a stereospecificity binding site, and substituents larger than ethyl-group cannot bind thereto. The binding characteristic of the intermediate binding site explains the high stereoselectivity of CAL-B for chiral secondary alcohol substrates, and is understood as the inherent (R)-stereoselectivity possessed by most lipases.

현재까지 다양한 키랄 2차 알코올에 대해 높은 (S)-입체선택성을 가지는 리파아제는 거의 보고 되지 않았다. 따라서 높은 (S)-입체선택성을 가지는 리파아제를 발견하여 이를 활용하면, 종래의 (R)-입체선택성을 가지는 리파아제를 통해 얻을 수 없었던 키랄 2차 알코올 기질에 대한 동적 분해능 또는 동역학적 분해능을 통해 고순도의 (S)-2차 알코올을 제조할 수 있을 것으로 기대된다. Until now, few lipases with high (S)-stereoselectivity for various chiral secondary alcohols have been reported. Therefore, if a lipase with high (S)-stereoselectivity is discovered and utilized, high purity can be obtained through dynamic resolution or dynamic resolution for chiral secondary alcohol substrates that could not be obtained through conventional lipases with (R)-stereoselectivity. It is expected to be able to prepare (S) -secondary alcohols of

(S)-입체선택성을 지닌 효소로서 세린 프로테아제(Serine protease)가 알려져 있다. 그러나 세린 프로테아제는 좁은 범위의 기질만을 수용할 뿐 아니라 중간 이하의 (S)-입체선택성을 지니기 때문에, 광화학적으로 순수한 2차알코올의 제조에 널리 사용되지 못했다. 그런데 세린 프로테아제는 리파아제에 대비하여 흥미로운 구조적 특징을 지니고 있다. 세린 프로테아제의 촉매 삼잔기(Catalytic triad)는 리파아제와 거의 동일하나 공간적으로 거울상 배열을 가지는 차이점이 있다.Serine proteases are known as enzymes with (S)-stereoselectivity. However, serine proteases have not been widely used in the production of photochemically pure secondary alcohols because they accept only a narrow range of substrates and have a moderate or less (S)-stereoselectivity. However, serine proteases have interesting structural features compared to lipases. The catalytic triad of serine proteases is almost identical to that of lipases, but has a spatial mirror image arrangement.

최근에 보고된 패밀리 VIII 카르복실에스테라아제(family VIII carboxylesterase) 결정구조(PDR ID: 4IVK 및 5GMX)에 대한 연구결과에 따르면 패밀리 VIII 카르복실에스테라아제의 촉매 삼잔기는 세린 프로테아제 및 리파아제의 촉매 삼잔기와 아미노산 구성은 서로 상이하지만, 세린 프로테아제와 공간적인 배열이 서로 유사한 것으로 밝혀졌다. 즉, 패밀리 VIII 카르복실에스테라아제의 촉매 삼잔기는 리파제의 촉매 삼잔기와 공간적으로 거울상 관계에 있게 된다. 따라서 패밀리 VIII 카르복실에스테라아제는 세린 프로테아제와 마찬가지로 키랄 2차알코올에 대해서 (S)-입체선택성을 보여줄 것으로 기대된다.According to the results of a recently reported crystal structure (PDR ID: 4IVK and 5GMX) of family VIII carboxylesterase, the catalytic residues of family VIII carboxylesterases are amino acids and the catalytic residues of serine proteases and lipases. Although different in composition, serine proteases and spatial arrangements were found to be similar to each other. That is, the three catalytic residues of family VIII carboxylesterases are spatially mirror images of the three catalytic residues of lipases. Thus, family VIII carboxylesterases are expected to show (S)-stereoselectivity for chiral secondary alcohols as well as serine proteases.

그러므로 패밀리 VIII 카르복실에스테라아제는 동적 분해능(Kinetic resolution) 또는 동역학적 분해능(Dynamic kinetic resolution)을 통해 광화학적으로 순수한 (S)-2차 알코올 제조에 사용될 수 있을 것으로 예상된다. 그러나 현재까지 상기 패밀리 VIII 카르복실에스테라아제를 이용한 키랄 2차 알코올 제조에 대하여는 실험적으로 증명된바가 없었다.Therefore, it is expected that family VIII carboxylesterases can be used for photochemically pure (S) -secondary alcohol production through kinetic resolution or dynamic kinetic resolution. However, there has been no experimental proof of the production of chiral secondary alcohols using the family VIII carboxylesterases.

본 명세서에서 언급된 특허문헌 및 참고문헌은 각각의 문헌이 참조에 의해 개별적이고 명확하게 특정된 것과 동일한 정도로 본 명세서에 참조로 삽입된다. The patents and references mentioned herein are incorporated herein by reference to the same extent as if each document were individually and expressly specified by reference.

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본 발명은 키랄 2차 알코올 에스테르(chiral sec-alcohol ester)에 대하여 높은 (S)-입체선택성을 가져 고순도 (S)-2차 알코올(sec-alcohol)을 산업적으로 생산 가능한 새로운 패밀리 VIII 카르복실에스테라아제를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention is a new family VIII carboxylesterase capable of industrially producing high-purity (S)-secondary alcohol (sec-alcohol) with high (S)-stereoselectivity for chiral sec-alcohol ester It aims to provide

본 발명의 다른 목적 및 기술적 특징은 이하의 발명의 상세한 설명, 청구의 범위 및 도면에 의해 보다 구체적으로 제시된다. Other objects and technical features of the present invention are presented more specifically by the following detailed description, claims and drawings.

본 발명은 서열번호 1의 아미노산 서열에서 283번째 아미노산인 세린(Serine, S)이 아스파라긴산(Aspartic acid, D), 아스파라긴(Asparagine, N), 발린(Valine, V), 글루탐산(Glutamic acid, E), 글루타민(Glutamine, Q), 히스티딘(Histidine, H), 류신(Leucine, L), 이소류신(Isoleucine, I), 메티오닌(Methionine, M), 페닐알라닌(Phenylalanine, F), 티로신(Tyrosine, Y) 및 트립토판(Tryptophan, W)으로 구성된 아미노산 군으로부터 선택된 어느 하나의 아미노산으로 치환된 것을 특징으로 하는 패밀리 VIII 카르복실에스테라제의 변이체를 제공한다.In the present invention, serine (S), the 283rd amino acid in the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1, is aspartic acid (D), asparagine (N), valine (V), glutamic acid (E) , Glutamine (Q), Histidine (H), Leucine (L), Isoleucine (I), Methionine (M), Phenylalanine (F), Tyrosine (Y) and Provided is a variant of family VIII carboxylesterase characterized in that it is substituted with any one amino acid selected from the group of amino acids consisting of tryptophan (W).

상기 패밀리 VIII 카르복실에스테라제의 변이체는 키랄 2차 알코올 에스테르(Chiral sec-alcohol ester)를 기질로 이용하여 고순도 (S)-2차 알코올(sec-alcohol)을 제조하는 것을 특징으로 하며 상기 키랄 2차 알코올 에스테르는 (±)-2-butyl acetate, (±)-2-butyl butyrate, (±)-3-methyl-2-butyl acetate, (±)-3-methyl-2-butyl butyrate, (±)-2-pentyl acetate, (±)-2-pentyl butyrate, (±)-3-butyn-2-yl acetate, (±)-3-butyn-2-yl butyrate, (±)-1-phenylethyl acetate, (±)-1-phenylethyl butyrate, (±)-1-(4-chlorophenyl)ethyl acetate, (±)-1-(4-chlorophenyl)ethyl butyrate, (±)-1-phenyl-2-propyl acetate, (±)-1-phenyl-2-propyl butyrate, (±)-4-phenyl-2-butyl acetate 및 (±)-4-phenyl-2-butyl butyrate로 구성된 키랄 2차 알코올 에스테르군 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.The variant of the family VIII carboxylesterase is characterized in that it produces high-purity (S) -secondary alcohol (sec-alcohol) using a chiral sec-alcohol ester as a substrate, and the chiral Secondary alcohol esters are (±)-2-butyl acetate, (±)-2-butyl butyrate, (±)-3-methyl-2-butyl acetate, (±)-3-methyl-2-butyl butyrate, ( ±)-2-pentyl acetate, (±)-2-pentyl butyrate, (±)-3-butyn-2-yl acetate, (±)-3-butyn-2-yl butyrate, (±)-1-phenylethyl acetate, (±)-1-phenylethyl butyrate, (±)-1-(4-chlorophenyl)ethyl acetate, (±)-1-(4-chlorophenyl)ethyl butyrate, (±)-1-phenyl-2-propyl Any of the chiral secondary alcohol esters consisting of acetate, (±)-1-phenyl-2-propyl butyrate, (±)-4-phenyl-2-butyl acetate and (±)-4-phenyl-2-butyl butyrate It is characterized by being one.

상기 패밀리 VIII 카르복실에스테라제 변이체는 상기 키랄 2차 알코올 에스테르 기질에 대하여 (S)-입체선택성을 보이며 입체선택 비율(Enantiomeric ratio, E)이 39 내지 5500인 것을 특징으로 하며 상기 키랄 2차 알코올 에스테르 기질을 가수분해하여 제조한 상기 (S)-2차 알코올은 순도가 90 내지 99.9%인 것을 특징으로 한다.The Family VIII carboxylesterase variant is characterized by showing (S)-stereoselectivity with respect to the chiral secondary alcohol ester substrate and having an Enantiomeric ratio (E) of 39 to 5500, and the chiral secondary alcohol The (S) -secondary alcohol prepared by hydrolyzing the ester substrate is characterized in that the purity is 90 to 99.9%.

본 발명은 상기 패밀리 VIII 카르복실에스테라제의 변이체를 코딩하는 폴리뉴클레오티드 및 상기 폴리뉴클레오티드를 포함하는 벡터를 제공하며 상기 패밀리 VIII 카르복실에스테라제의 변이체, 상기 폴리뉴클레오티드 및 상기 벡터 중 어느 하나 이상을 포함하여 패밀리 VIII 카르복실에스테라제의 변이체를 생산하는 미생물을 제공한다.The present invention provides a polynucleotide encoding a variant of the family VIII carboxylesterase and a vector containing the polynucleotide, and any one or more of the variant, the polynucleotide, and the vector of the family VIII carboxylesterase. Provides a microorganism that produces a variant of family VIII carboxylesterase, including.

본 발명은 상기 패밀리 VIII 카르복실에스테라제의 변이체, 상기 폴리뉴클레오티드 및 상기 벡터 중 어느 하나 이상을 포함하여 패밀리 VIII 카르복실에스테라제의 변이체를 생산하는 미생물을 배지에서 배양하는 단계; 및 상기 배양된 배지 또는 미생물에서 패밀리 VIII 카르복실에스테라제의 변이체를 회수하는 단계를 포함하는, 패밀리 VIII 카르복실에스테라제의 변이체의 생산 방법을 제공한다.The present invention comprises the steps of culturing a microorganism producing a variant of Family VIII carboxylesterase, including any one or more of the variant of Family VIII carboxylesterase, the polynucleotide and the vector, in a medium; and recovering the variant of Family VIII carboxylesterase from the cultured medium or microorganism.

본 발명의 고순도 (S)-2차 알코올 제조용 패밀리 VIII 카르복실에스테라제는 키랄 2차 알코올 에스테르 기질에 대한 높은 (S)-입체선택성을 가져 고순도의 (S)-2차 알코올을 제조할 수 있는 장점이 있다. 따라서 본 발명의 패밀리 VIII 카르복실에스테라제를 이용하면 광화학적으로 순수한 (S)-2차 알코올을 산업적으로 대량 생산 할 수 있는 효과가 있다.The high-purity (S)-secondary alcohol production family VIII carboxylesterase of the present invention has a high (S)-stereoselectivity for chiral secondary alcohol ester substrates, so that high-purity (S)-secondary alcohol can be prepared. There are advantages to being Therefore, using the family VIII carboxylesterase of the present invention has the effect of industrially mass-producing photochemically pure (S) -secondary alcohol.

도 1은 본 발명의 상동 검색결과를 보여준다.
도 2는 본 발명의 상동검색결과로부터 선택된 8가지 유전자의 단백질 발현 및 정제 결과를 보여준다. 패널 a)는 8가지 유전자의 단백질 발현 결과를 보여주며, 패널 b)는 Bradyrhizobium canariense 유래 단백질, 패널 c)는 Bradyrhizobium erythrophlei 유래 단백질, 패널 d)는 Afipia sp. Root123D2 유래 단백질, 패널 e)는 Bradyrhizobium sp. WSM1417 유래 단백질, 패널 f)는 Proteobacteria bacterium SG_bin9 유래 단백질의 정제결과를 보여준다.
도 3은 본 발명의 패밀리 VIII 에스테라아제에 의해 키랄 2차 알코올 에스테르가 가수분해되어 (S)-2차 알코올로 변환되는 반응을 보여준다.
도 4는 본 발명의 기질 5a가 포함된 패밀리 VIII 에스테라아제와 중간체 구조를 보여준다. 패널 a)는 상기 중간체를 선(line)으로 보여주며, 패널 b)는 빠른 반응 이성질체를 보여주며, 패널 c)는 느린 반응 이성질체를 보여준다.
도 5는 본 발명의 패밀리 VIII 에스테라아제의 촉매반응을 단계별로 보여준다.
도 6은 본 발명의 패밀리 VIII 에스테라아제 변이체의 부피변화에 따른 거울상 이성질체간의 활성화 에너지 차이(ΔΔG‡=-RTlnE)를 보여준다.
도 7은 본 발명의 패밀리 VIII 에스테라아제 및 패밀리 VIII 에스테라아제 변이체에 의해 키랄 2차 알코올 에스테르가 가수분해되어 (S)-2차 알코올로 변화되는 반응을 개괄적으로 보여준다.
1 shows the homology search results of the present invention.
Figure 2 shows the protein expression and purification results of eight genes selected from the homologous search results of the present invention. Panel a) shows the protein expression results of 8 genes, panel b) is a protein derived from Bradyrhizobium canariense, panel c) is a protein derived from Bradyrhizobium erythrophlei, panel d) is a protein derived from Afipia sp. Root123D2-derived protein, panel e) is Bradyrhizobium sp. Proteins from WSM1417, panel f) shows the results of purification of proteins from Proteobacteria bacterium SG_bin9.
3 shows a reaction in which chiral secondary alcohol esters are hydrolyzed and converted into (S) -secondary alcohols by Family VIII esterases of the present invention.
Figure 4 shows the structures of family VIII esterases and intermediates containing substrate 5a of the present invention. Panel a) shows the intermediate as a line, panel b) shows the fast reacting isomer and panel c) shows the slow reacting isomer.
Figure 5 shows the catalysis of the family VIII esterase of the present invention step by step.
Figure 6 shows the difference in activation energy (ΔΔG‡=-RTlnE) between enantiomers according to the volume change of the family VIII esterase variants of the present invention.
7 schematically shows a reaction in which chiral secondary alcohol esters are hydrolyzed to (S) -secondary alcohols by the Family VIII esterases and the Family VIII esterase variants of the present invention.

본 발명은 서열번호 1의 아미노산 서열에서 283번째 아미노산인 세린(Serine, S)이 아스파라긴산(Aspartic acid, D), 아스파라긴(Asparagine, N), 발린(Valine, V), 글루탐산(Glutamic acid, E), 글루타민(Glutamine, Q), 히스티딘(Histidine, H), 류신(Leucine, L), 이소류신(Isoleucine, I), 메티오닌(Methionine, M), 페닐알라닌(phenylalanine, F), 티로신(Tyrosine, Y) 및 트립토판(Tryptophan, W)으로 구성된 아미노산 군으로부터 선택된 어느 하나의 아미노산으로 치환된 것을 특징으로 하는 패밀리 VIII 카르복실에스테라제의 변이체를 제공한다.In the present invention, serine (S), the 283rd amino acid in the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1, is aspartic acid (D), asparagine (N), valine (V), glutamic acid (E) , Glutamine (Q), Histidine (H), Leucine (L), Isoleucine (I), Methionine (M), Phenylalanine (F), Tyrosine (Y) and Provided is a variant of family VIII carboxylesterase characterized in that it is substituted with any one amino acid selected from the group of amino acids consisting of tryptophan (W).

상기 패밀리 VIII 카르복실에스테라제의 변이체는 키랄 2차 알코올 에스테르(chiral sec-alcohol ester)를 기질로 이용하여 (S)-2차 알코올(sec-alcohol)을 제조하는 것을 특징으로 한다. 상기 키랄 2차 알코올 에스테르는 (±)-2-butyl acetate, (±)-2-butyl butyrate, (±)-3-methyl-2-butyl acetate, (±)-3-methyl-2-butyl butyrate, (±)-2-pentyl acetate, (±)-2-pentyl butyrate, (±)-3-butyn-2-yl acetate, (±)-3-butyn-2-yl butyrate, (±)-1-phenylethyl acetate, (±)-1-phenylethyl butyrate, (±)-1-(4-chlorophenyl)ethyl acetate, (±)-1-(4-chlorophenyl)ethyl butyrate, (±)-1-phenyl-2-propyl acetate, (±)-1-phenyl-2-propyl butyrate, (±)-4-phenyl-2-butyl acetate, 및 (±)-4-phenyl-2-butyl butyrate로 구성된 키랄 2차 알코올 에스테르군 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.The variant of the Family VIII carboxylesterase is characterized by producing (S) -secondary alcohol (sec-alcohol) using a chiral sec-alcohol ester as a substrate. The chiral secondary alcohol esters are (±)-2-butyl acetate, (±)-2-butyl butyrate, (±)-3-methyl-2-butyl acetate, (±)-3-methyl-2-butyl butyrate , (±)-2-pentyl acetate, (±)-2-pentyl butyrate, (±)-3-butyn-2-yl acetate, (±)-3-butyn-2-yl butyrate, (±)-1 -phenylethyl acetate, (±)-1-phenylethyl butyrate, (±)-1-(4-chlorophenyl)ethyl acetate, (±)-1-(4-chlorophenyl)ethyl butyrate, (±)-1-phenyl-2 Chiral secondary alcohol esters composed of -propyl acetate, (±)-1-phenyl-2-propyl butyrate, (±)-4-phenyl-2-butyl acetate, and (±)-4-phenyl-2-butyl butyrate Characterized in that it is any one of the groups.

상기 패밀리 VIII 카르복실에스테라제는 Proteobacteria bacterium SG_bin9의 카르복실에스테라제(PBE)를 의미하며 상기 PBE 변이체는 PBE의 Ser381을 다른 아미노산으로 치환(위치지정 돌연변이)하여 상기 키랄 2차 알코올 에스테르 기질에 대하여 (S)-입체선택성을 보이며 입체선택 비율(Enantiomeric ratio, E)이 39 내지 5500인 것을 특징으로 한다.The Family VIII carboxylesterase refers to a carboxylesterase (PBE) of Proteobacteria bacterium SG_bin9, and the PBE variant substitutes Ser381 of PBE with another amino acid (position-directed mutation) to the chiral secondary alcohol ester substrate. It is characterized in that it shows (S) -stereoselectivity and has an enantiomeric ratio (E) of 39 to 5500.

본 발명의 실시 예에 따르면 돌연변이가 없는 상기 패밀리 VIII 카르복실에스테라제의 경우 상기 키랄 2차 알코올 에스테르에 대하여 낮은 (S)-입체선택성을 가져 입체선택 비율이 E=1.1 내지 36.1에 불과할 뿐 아니라 기질에 따라 (R)-입체선택성 또는 (S)-입체선택성을 가지므로 순도가 높은 (S)-2차-알코올을 제조할 수 없는 한계가 있었다. According to an embodiment of the present invention, in the case of the family VIII carboxylesterase without mutation, it has a low (S)-stereoselectivity with respect to the chiral secondary alcohol ester, so that the stereoselection ratio is only E = 1.1 to 36.1, and Since it has (R)-stereoselectivity or (S)-stereoselectivity depending on the substrate, there is a limitation in that high-purity (S)-secondary-alcohol cannot be prepared.

이에 반하여 본 발명의 패밀리 VIII 카르복실에스테라제 변이체는 상기 키랄 2차 알코올 에스테르에 대하여 높은 (S)-입체선택성을 지니므로 입체선택 비율(Enantiomeric ratio, E)이 39 내지 5500으로 향상 되었으므로 순도가 90 내지 99.9%에 달하는 고순도의 (S)-2차 알코올을 제조할 수 있는 특징이 있다. In contrast, the family VIII carboxylesterase variants of the present invention have high (S)-stereoselectivity with respect to the chiral secondary alcohol ester, so the enantiomeric ratio (E) is improved to 39 to 5500, so the purity is It is characterized by being able to produce high-purity (S) -secondary alcohol ranging from 90 to 99.9%.

따라서 본 발명의 패밀리 VIII 카르복실에스테라제 변이체를 이용하면 광화학적으로 순수한 (S)-2차 알코올을 산업적으로 대량 생산 할 수 있다.Therefore, using the family VIII carboxylesterase variant of the present invention, photochemically pure (S) -secondary alcohol can be industrially mass-produced.

본 발명은 상기 설명한 패밀리 VIII 카르복실에스테라제의 변이체를 코딩하는 폴리뉴클레오티드를 제공한다. 상기 폴리뉴클레오티드는 뉴클레오티드 단위체(Monomer)가 공유결합에 의해 길게 사슬모양으로 이어진 뉴클레오티드의 중합체(Polymer)로 일정한 길이 이상의 DNA 또는 RNA 가닥으로서, 보다 구체적으로는 상기 변이체를 코딩하는 폴리뉴클레오티드 단편을 의미한다.The present invention provides polynucleotides encoding variants of the family VIII carboxylesterases described above. The polynucleotide is a polymer of nucleotides in which nucleotide units are covalently linked in a long chain shape, and is a DNA or RNA strand of a certain length or more. More specifically, it refers to a polynucleotide fragment encoding the variant. .

본 발명은 상기 설명한 패밀리 VIII 카르복실에스테라제의 변이체를 코딩하는 폴리뉴클레오티드를 포함하는 벡터를 제공한다. 상기 벡터(Vector)는 적합한 숙주 내에서 목적 폴리펩티드를 발현시킬 수 있도록 적합한 조절 서열에 작동 가능하게 연결된 상기 목적 폴리펩티드를 코딩하는 폴리뉴클레오티드의 염기서열을 함유하는 DNA 제조물을 의미한다. 상기 조절 서열은 전사를 개시할 수 있는 프로모터, 그러한 전사를 조절하기 위한 임의의 오퍼레이터 서열, 적합한 mRNA 리보좀 결합부위를 코딩하는 서열 및 전사 및 해독의 종결을 조절하는 서열을 포함할 수 있다. 벡터는 적당한 숙주세포 내로 형질전환된 후, 숙주 게놈과 무관하게 복제되거나 기능할 수 있으며, 게놈 그 자체에 통합될 수 있다. 본 발명에서 사용되는 벡터는 특별히 한정되지 않으며, 당업계에 알려진 임의의 벡터를 이용할 수 있다.The present invention provides a vector comprising a polynucleotide encoding a variant of the family VIII carboxylesterase described above. The vector refers to a DNA product containing a nucleotide sequence of a polynucleotide encoding the target polypeptide operably linked to a suitable control sequence so as to express the target polypeptide in a suitable host. The regulatory sequence may include a promoter capable of initiating transcription, any operator sequence for regulating such transcription, a sequence encoding a suitable mRNA ribosome binding site, and a sequence regulating termination of transcription and translation. After transformation into a suitable host cell, the vector can replicate or function independently of the host genome and can integrate into the genome itself. Vectors used in the present invention are not particularly limited, and any vectors known in the art may be used.

본 발명은 상기 설명한 패밀리 VIII 카르복실에스테라제의 변이체, 이의 폴리뉴클레오티드 및 벡터 중 어느 하나 이상을 포함하여, 패밀리 VIII 카르복실에스테라제의 변이체를 생산하는 미생물을 제공한다.The present invention provides microorganisms that produce variants of Family VIII carboxylesterases, including any one or more of the above-described variants of Family VIII carboxylesterases, polynucleotides thereof, and vectors thereof.

상기 변이체를 생산하는 미생물은 패밀리 VIII 카르복실에스테라제의 변이체 생산능이 없거나 약한 모균주에 패밀리 VIII 카르복실에스테라제의 변이체 생산능이 부여된 미생물을 의미한다. 구체적으로, 상기 미생물은 본 발명의 패밀리 VIII 카르복실에스테라제의 변이체를 발현하는 미생물일 수 있다. 상기 패밀리 VIII 카르복실에스테라제의 변이체를 생산하는 미생물은 패밀리 VIII 카르복실에스테라제 또는 패밀리 VIII 카르복실에스테라제의 변이체를 생산할 수 있다면 그 종류가 특별히 제한되지 않으나, E. coli와 같은 재조합 단백질 생산에 많이 사용되는 재조합 미생물일 수 있으며 효모인 경우 구체적으로 피치아 파스토리스 (Pichia pastoris), 사카로마이세스 세레비지에 (Saccharomyces cerevisiae), 쉬조사카로마세스 (Schizosaccharomyces), 뉴로스포라 크라사Neurosporacrassa) 등일 수 있다.The microorganism producing the variant means a microorganism endowed with the ability to produce variants of Family VIII carboxylesterase to a parent strain having no or weak ability to produce variants of Family VIII carboxylesterase. Specifically, the microorganism may be a microorganism expressing a variant of the family VIII carboxylesterase of the present invention. The type of microorganism producing the variant of the Family VIII carboxylesterase is not particularly limited as long as it can produce the Family VIII carboxylesterase or the variant of the Family VIII carboxylesterase, but recombinant microorganisms such as E. coli It may be a recombinant microorganism widely used for protein production, and in the case of yeast, specifically Pichia pastoris, Saccharomyces cerevisiae, Schizosaccharomyces, Neurospora kra Neurospora crassa) and the like.

본 발명은 상기 패밀리 VIII 카르복실에스테라제의 변이체, 이의 폴리뉴클레오티드 및 상기 폴리뉴클레오티드를 포함하는 벡터 중 어느 하나 이상을 포함하여, 패밀리 VIII 카르복실에스테라제의 변이체를 생산하는 미생물을 배지에서 배양하는 단계; 및 배양된 배지 또는 미생물에서 패밀리 VIII 카르복실에스테라제의 변이체를 회수하는 단계를 포함하는, 패밀리 VIII 카르복실에스테라제의 변이체의 생산 방법을 제공한다.The present invention is directed to culturing microorganisms producing variants of Family VIII carboxylesterases, including any one or more of the variants of the Family VIII carboxylesterases, polynucleotides thereof, and vectors containing the polynucleotides, in a medium. doing; And it provides a method for producing a variant of Family VIII carboxylesterase, comprising recovering the variant of Family VIII carboxylesterase from the cultured medium or microorganism.

상기 배양은 상기 미생물을 적당히 조절된 환경 조건에서 생육시키는 것을 의미하며 당업계에 알려진 적당한 배지와 배양조건에 따라 이루어질 수 있다. 배양 과정은 선택되는 균주에 따라 당업자가 용이하게 조정하여 사용할 수 있다. The culturing means growing the microorganisms under appropriately controlled environmental conditions, and may be performed according to appropriate media and culture conditions known in the art. The culturing process can be easily adjusted and used by those skilled in the art according to the selected strain.

상기 배지는 상기 미생물을 배양하기 위해 필요로 하는 영양물질을 주성분으로 혼합한 물질을 의미하며, 생존 및 발육에 불가결한 물을 비롯하여 영양물질 및 발육인자 등을 공급한다. 상기 배지는 미생물을 적당한 탄소원(Carbon source), 질소원(Nitrate source), 인원(Phosphorous source), 무기화합물, 아미노산 및/또는 비타민 등을 함유한 통상의 배지 내에서 호기성 조건 하에서 온도, pH 등을 조절하면서 배양할 수 있다. 상기 탄소원으로는 글루코오스, 프룩토오스, 수크로오스, 말토오스 등과 같은 탄수화물; 만니톨, 소르비톨 등과 같은 당 알콜, 피루브산, 락트산, 시트르산 등과 같은 유기산; 글루탐산, 메티오닌, 리신 등과 같은 아미노산 등이 포함될 수 있다. 또한, 전분 가수분해물, 당밀, 블랙스트랩 당밀, 쌀겨울, 카사버, 사탕수수 찌꺼기 및 옥수수 침지액 같은 천연의 유기 영양원을 사용할 수 있으며, 구체적으로는 글루코오스 및 살균된 전처리 당밀(즉, 환원당으로 전환된 당밀) 등과 같은 탄수화물이 사용될 수 있다. 상기 질소원으로는 암모니아, 황산암모늄, 염화암모늄, 초산암모늄, 인산암모늄, 탄산안모늄, 질산암모늄 등과 같은 무기질소원; 글루탐산, 메티오닌, 글루타민 등과 같은 아미노산, 펩톤, NZ-아민, 육류 추출물, 효모 추출물, 맥아 추출물, 옥수수 침지액, 카세인 가수분해물, 어류 또는 그의 분해생성물, 탈지 대두 케이크 또는 그의 분해 생성물 등과 같은 유기 질소원이 사용될 수 있다. 상기 인원(Phosphorous source)으로는 인산 제1칼륨, 인산 제2칼륨, 또는 이에 대응되는 소디움-함유 염 등이 포함될 수 있다. 무기화합물로는 염화나트륨, 염화칼슘, 염화철, 황산마그네슘, 황산철, 황산망간, 탄산칼슘 등이 사용될 수 있으며, 그 외에 아미노산, 비타민 및/또는 적절한 전구체 등이 포함될 수 있다. 미생물의 배양 중에는 수산화암모늄, 수산화칼륨, 암모니아, 인산, 황산 등과 같은 화합물을 배지에 적절한 방식으로 첨가하여, 배지의 pH를 조정할 수 있으며 지방산 폴리글리콜 에스테르와 같은 소포제를 사용하여 기포 생성을 억제할 수 있다. 또한, 배지의 호기 상태를 유지하기 위하여, 배지 내로 산소 또는 산소 함유 기체를 주입하거나 혐기 및 미호기 상태를 유지하기 위해 기체의 주입 없이 혹은 질소, 수소 또는 이산화탄소 가스를 주입할 수 있다. 배지의 온도는 20 ℃ 내지 50 ℃, 구체적으로는 30 ℃ 내지 37 ℃일 수 있으며 배양 기간은 유용 물질의 원하는 생성량이 수득될 때까지 계속될 수 있다.The medium means a material in which nutrients necessary for culturing the microorganisms are mixed as main components, and supplies nutrients and growth factors, including water essential for survival and growth. The medium controls the temperature, pH, etc. under aerobic conditions in a conventional medium containing a suitable carbon source, nitrogen source, phosphorous source, inorganic compound, amino acid and / or vitamin, etc. You can cultivate while doing it. Examples of the carbon source include carbohydrates such as glucose, fructose, sucrose, and maltose; sugar alcohols such as mannitol and sorbitol; organic acids such as pyruvic acid, lactic acid, citric acid and the like; Amino acids such as glutamic acid, methionine, lysine, and the like may be included. In addition, natural organic nutrients such as starch hydrolysate, molasses, blackstrap molasses, rice winter, cassava, sorghum pomace and corn steep liquor can be used, specifically glucose and sterilized pretreated molasses (i.e. converted to reducing sugar). Carbohydrates such as molasses) may be used. Examples of the nitrogen source include inorganic nitrogen sources such as ammonia, ammonium sulfate, ammonium chloride, ammonium acetate, ammonium phosphate, ammonium carbonate, and ammonium nitrate; Amino acids such as glutamic acid, methionine, glutamine, etc., organic nitrogen sources such as peptone, NZ-amine, meat extract, yeast extract, malt extract, corn steep liquor, casein hydrolysate, fish or degradation products thereof, defatted soybean cake or degradation products thereof, etc. can be used The phosphorous source may include monopotassium phosphate, dipotassium phosphate, or a sodium-containing salt corresponding thereto. As the inorganic compound, sodium chloride, calcium chloride, iron chloride, magnesium sulfate, iron sulfate, manganese sulfate, calcium carbonate, etc. may be used, and amino acids, vitamins, and/or appropriate precursors may be included. During cultivation of microorganisms, the pH of the medium can be adjusted by adding compounds such as ammonium hydroxide, potassium hydroxide, ammonia, phosphoric acid, sulfuric acid, etc. to the medium in an appropriate manner, and foaming can be inhibited by using antifoaming agents such as fatty acid polyglycol esters. there is. In addition, in order to maintain the aerobic state of the medium, oxygen or oxygen-containing gas may be injected into the medium, or nitrogen, hydrogen or carbon dioxide gas may be injected without gas injection or to maintain an anaerobic and non-aerobic state. The temperature of the medium may be 20 °C to 50 °C, specifically 30 °C to 37 °C, and the culture period may be continued until a desired production amount of useful substances is obtained.

상기 배양에 의하여 생산된 본 발명의 패밀리 VIII 카르복실에스테라제의 변이체는 배지 중으로 배출되거나 미처 배출되지 못하고 세포 내에 잔류할 수 있다. 상기 패밀리 VIII 카르복실에스테라제의 변이체 생산 방법은 배양된 미생물 또는 배지에서 패밀리 VIII 카르복실에스테라제의 변이체를 회수하는 단계를 포함할 수 있다. 본 발명의 상기 배양 단계에서 생산된 패밀리 VIII 카르복실에스테라제의 변이체를 회수하는 방법은 배양방법에 따라 당해 분야에 공지된 적합한 방법을 이용할 수 있으며 예를 들어 원심분리, 여과, 음이온 교환 크로마토그래피, 결정화 및 HPLC 등 당해 분야에 공지된 적합한 방법을 이용하여 배지 또는 미생물로부터 패밀리 VIII 카르복실에스테라제의 변이체를 회수할 수 있다.The variants of the Family VIII carboxylesterases of the present invention produced by the above culture may be released into the medium or remain in cells without being released. The method for producing the variant of the Family VIII carboxylesterase may include recovering the variant of the Family VIII carboxylesterase from the cultured microorganism or culture medium. The method for recovering the variant of Family VIII carboxylesterase produced in the culturing step of the present invention may use a suitable method known in the art according to the culturing method, for example, centrifugation, filtration, anion exchange chromatography Variants of family VIII carboxylesterases can be recovered from media or microorganisms using suitable methods known in the art, such as , crystallization and HPLC.

또한, 상기 회수 단계는 정제 공정을 포함할 수 있으며, 당해 분야에 공지된 적합한 방법, 예를 들어 막을 이용한 여과 등을 이용하여 수행될 수 있다. In addition, the recovery step may include a purification process, and may be performed using a suitable method known in the art, for example, filtration using a membrane.

참고로 본 발명의 방법에 따라 생산된 패밀리 VIII 카르복실에스테라제의 변이체는 효소 그 자체로 반응에 직접 사용될 수 있지만, 불용성 담체(Matrix)에 물리적 또는 화학적 방법으로 고정시켜 고정화 효소(Immobilized enzyme)의 형태로 제조하여 사용할 수 있다. 상기 고정화 효소(Immobilized enzyme)는 효소반응이 완료된 후에 반응물과 효소의 분리가 용이하므로 반복 사용이 가능하고, 반응조건)에 대한 효소의 안정성을 증대시킬 수 있다는 장점이 있다. 본 발명의 패밀리 VIII 카르복실에스테라제의 변이체와 같은 리파아제 효소를 아크릴수지(아크릴 레진), 직물 막, 폴리프로필렌, 셀라이트, 규조토 등의 담체에 고정시키는 기술이 널리 알려져 있으며, 본 발명의 패밀리 VIII 카르복실에스테라제의 변이체를 고정화하는 방법 및 담체 선택 등은 특별한 제한을 두지 않으나 효소반응속도를 증가시켜 짧은 시간내에 전환율을 높이기 위한 방법으로 고정화 효소를 나노미터(nm) 내지 마이크로미터(㎛) 크기로 미세 분말화하여 사용하는 것이 바람직하다.For reference, the variant of family VIII carboxylesterase produced according to the method of the present invention can be directly used in the reaction as the enzyme itself, but it is immobilized enzyme by immobilizing it to an insoluble carrier (Matrix) by physical or chemical methods. It can be prepared and used in the form of The immobilized enzyme has the advantage of being able to be used repeatedly because it is easy to separate the reactant and the enzyme after the enzyme reaction is completed, and to increase the stability of the enzyme for reaction conditions). Techniques for fixing lipase enzymes, such as variants of Family VIII carboxylesterases of the present invention, to carriers such as acrylic resins (acrylic resins), fabric membranes, polypropylene, celite, and diatomaceous earth are widely known. The method of immobilizing the variant of VIII carboxylesterase and the selection of the carrier are not particularly limited, but the enzyme reaction rate is increased to increase the conversion rate in a short time. ) It is preferable to use it after being finely powdered to the size.

하기에서 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명한다.In the following, the present invention will be described in detail through examples.

실시예 Example

1. 실험방법1. Experiment method

1) 실험재료1) Experiment materials

실험에 사용한 시약들은 Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, Acros 및 TCI에서 구입하였다. Pfu DNA 중합효소(Polymerase) 및 T4 DNA 연결효소(Ligase)는 Elpis-biotech (Daejeon, Korea)에서 구입하였다. 제한효소(Restriction enzymes, NcoI and SalI)는 New England Biolabs에서 구입하였다. 발현 벡터(pBADgIIIa)는 Invitrogen Korea (Seoul, Korea)에서 구입하였다. DNA 올리고머 및 상동체 유전자(Homologous gene)는 Bionics(Seoul, Korea)에서 구입하였다. DNA 서열분석은 Solgent Co. (Daejeon, Korea)에서 수행하였다. CIRCLEGROW® broth는 MP Biomedicals에서 구입하였다. Ni-NTA agarose resin은 QIAGEN에서 구입하였다. 가스 크로마토그래피(Gas chromatography)는 chiral capillary column(Cyclosil-B, 30m×0.25mm)이 구비된 Agilent 6890N을 이용하여 수행하였다. 1H NMR 분석은 CDCl3용매를 이용하여 JNM-ECZ500R/S1(500 MHz)에서 수행하였다. 화학적 이동(Chemical shift)은 CDCl3의 피크를 내부 기준으로 하여 ppm 단위로 표시하였다. Reagents used in the experiments were purchased from Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, Acros and TCI. Pfu DNA polymerase (Polymerase) and T4 DNA ligase (Ligase) were purchased from Elpis-biotech (Daejeon, Korea). Restriction enzymes (NcoI and SalI) were purchased from New England Biolabs. Expression vector (pBADgIIIa) was purchased from Invitrogen Korea (Seoul, Korea). DNA oligomers and homologous genes were purchased from Bionics (Seoul, Korea). DNA sequencing was performed by Solgent Co. (Daejeon, Korea). CIRCLEGROW® broth was purchased from MP Biomedicals. Ni-NTA agarose resin was purchased from QIAGEN. Gas chromatography was performed using an Agilent 6890N equipped with a chiral capillary column (Cyclosil-B, 30m×0.25mm). 1H NMR analysis was performed on JNM-ECZ500R/S1 (500 MHz) using CDCl 3 solvent. Chemical shift (Chemical shift) was expressed in ppm units using the peak of CDCl 3 as an internal standard.

2) 단백질 발현벡터2) Protein expression vector

PDB ID: 4IVK의 단백질 서열을 단백질 서열 데이터베이스(https://blast.ncbi.nlm.nih.gov)에서 알려진 단백질 서열들과 비교하였다. 서열일치도가 64%보다 높은 8가지의 단백질 서열을 선별하였다. 상기 단백질 서열에 NcoI 및 SalI 제한효소 사이트를 첨가한 유전자를 Bionics(Seoul, Korea)에서 합성하였다. 합성한 유전자를 NcoI 및 SalI로 처리한 후 pBADgIIIa 벡터에 삽입하여 발현용 플라스미드(plasmid)를 제조하였다. 상기 플라스미드를 이용하여 E. coli(Top 10)을 형질전환시켰다.The protein sequence of PDB ID: 4IVK was compared with known protein sequences in the Protein Sequence Database (https://blast.ncbi.nlm.nih.gov). Eight protein sequences with a sequence identity higher than 64% were selected. Genes in which NcoI and SalI restriction sites were added to the protein sequence were synthesized by Bionics (Seoul, Korea). The synthesized gene was treated with NcoI and SalI, and then inserted into the pBADgIIIa vector to prepare a plasmid for expression. E. coli (Top 10) was transformed using the plasmid.

3) 단백질 발현3) protein expression

상기 형질전환된 E. coli(Top 10)을 100 ㎎/㎖ 암피실린 10 ㎕을 함유하는 CIRCLEGROW® 배지(10 ㎖)에 접종 한 후 37℃ 및 200 rpm의 조건으로 밤새도록 배양하였다. 상기 밤새도록 배양한 배양액 5 ㎖을 100 ㎎/㎖ 암피실린(Ampicillin) 500 ㎕을 함유하는 CIRCLEGROW® 배지 500 ㎖에 희석한 후 37℃ 및 200 rpm의 조건으로 OD600 0.5가 될 때까지 배양하였다. 상기 배양액에 L-(+)-arabinose(500 ㎕ of 2% w/v)을 첨가하여 단백질 발현을 유도하였으며 20℃ 및 200 rpm의 조건으로 20 시간동안 더 배양한 후 4,500 rpm, 4℃에서 45 분간 원심분리하여 E.coli 세포를 펠렛으로 수득하고, 라이소자임 용액(1 ㎎/㎖ 라이소자임, 5 mM BES 버퍼, pH 7.2) 20 ㎖을 이용하여 E. coli 세포 현탄액을 제조하였다. 상기 E.coli 세포 현탁액을 45분간 얼음에서 배양한 후 동결 및 해동하고, 20게이지(gauge) 주사기 바늘로 통과시켜 E.coli 세포를 파쇄 한 후 10,000 rpm, 4℃에서 30 분간 원심분리하여 용액성 분획과 불용성 분획을 분리하였다. 상기 불용성 분획은 요소버퍼(100 mM NaH2PO4, 10 mM Tris-Cl, 8 M urea, pH 8.0) 20 ㎖에 용해시켰으며 상기 용액성 분획은 Ni-NTA 아가로스 레진(agarose resin, 50% emulsion in 20% ethanol) 1 ㎖과 혼합하여 용액성 분획-Ni-NTA 혼합물을 제조하고, 4℃에서 1시간 동안 혼합시켰다. 상기 용액성 분획-Ni-NTA 혼합물은 Poly-Prep 크로마토그래피 컬럼(Bio-Rad)에 장입하여 통과시킨 후 단백질을 정제하였다. 버퍼용액을 Poly-Prep 크로마토그래피 컬럼에 흘려주어 레진을 세척한 후 용해 버퍼(50 mM NaH2PO4, 300 mM NaCl, 10 mM imidazole, pH 8.0) 5 ㎖을 3회 흘려주었다. 그 후 세척 버퍼(50 mM NaH2PO4, 300 mM NaCl, 20 mM imidazole, pH 8.0) 5 ㎖을 3회 흘려준 후, 용출버퍼(50 mM NaH2PO4, 300 mM NaCl, 250 mM imidazole, pH 8.0) 5 ㎖을 더 흘려주어 단백질을 용출시켰다. 상기 단백질 용출액은 원심분리 필터(Viva spin 20, GE healthcare)를 이용하여 BES 버퍼(5 mM, pH 7.2)로 교환하고 각 분획에 대하여 SDS-PAGE 분석을 수행하였다. 최종 단백질 농도는 Bradford 에세이를 이용하여 정량하였다.The transformed E. coli (Top 10) was inoculated into CIRCLEGROW® medium (10 ml) containing 10 μl of 100 mg/ml ampicillin, and then cultured overnight at 37° C. and 200 rpm. 5 ml of the overnight culture medium was diluted in 500 ml of CIRCLEGROW® medium containing 500 μl of 100 mg/ml Ampicillin, and cultured at 37° C. and 200 rpm until the OD 600 reached 0.5. Protein expression was induced by adding L-(+)-arabinose (500 μl of 2% w/v) to the culture medium, and further incubated for 20 hours at 20°C and 200 rpm, followed by 450°C at 4,500 rpm and 4°C. E. coli cells were pelleted by centrifugation for 1 minute, and an E. coli cell suspension was prepared using 20 ml of a lysozyme solution (1 mg/ml lysozyme, 5 mM BES buffer, pH 7.2). The E. coli cell suspension was incubated on ice for 45 minutes, then frozen and thawed, passed through a 20-gauge syringe needle to disrupt E. coli cells, and then centrifuged at 10,000 rpm and 4° C. for 30 minutes to obtain a solution The fraction and the insoluble fraction were separated. The insoluble fraction was dissolved in 20 ml of urea buffer (100 mM NaH 2 PO4, 10 mM Tris-Cl, 8 M urea, pH 8.0), and the soluble fraction was Ni-NTA agarose resin (50% emulsion) in 20% ethanol) to prepare a solution fraction-Ni-NTA mixture, and mixed for 1 hour at 4 ℃. The solution fraction-Ni-NTA mixture was loaded and passed through a Poly-Prep chromatography column (Bio-Rad) to purify the protein. The buffer solution was flowed through the Poly-Prep chromatography column to wash the resin, and then 5 ml of dissolution buffer (50 mM NaH 2 PO 4 , 300 mM NaCl, 10 mM imidazole, pH 8.0) was flowed three times. Then, 5 ml of washing buffer (50 mM NaH 2 PO 4 , 300 mM NaCl, 20 mM imidazole, pH 8.0) was flowed three times, and then the elution buffer (50 mM NaH 2 PO 4 , 300 mM NaCl, 250 mM imidazole, pH 8.0) 5 ml was further flowed to elute the protein. The protein eluate was exchanged with BES buffer (5 mM, pH 7.2) using a centrifugal filter (Viva spin 20, GE healthcare), and SDS-PAGE analysis was performed on each fraction. Final protein concentration was quantified using the Bradford assay.

4) 기질의 준비4) Preparation of Substrate

본 발명의 기질로서 사용되는 2차 알코올 에스테르는 Sigma-Aldrich에서 구입하거나 합성을 통해 준비하였다. 2차 알코올 에스테르의 합성은 하기의 방법에 따라 준비하였다. 20 mmol 아세트산 무수물(acetic anhydride) 또는 부티르산 무수물(butyric anhydride)을 30 mmol 트리에틸아민(triethylamine) 및 20 ㎎ 4-디메틸아미노피리딘(4-dimetylaminopyridine, DMAP)과 10 mmol 알코올이 포함된 염화 메틸렌(methylene chloride) 용액 50 ㎖에 첨가하여 반응혼합물을 제조하였다. 상기 반응 혼합물은 질소가스 분위기에서 25℃에서 16 시간동안 저어주었다. 그 후 1% 염산용액 50 ㎖로 2회 세척하고 포화 NaHCO3 용액 50 ㎖로 2회 더 세척하여 유기층을 제조하였다. 상기 유기층은 무수 MgSO4(10 g)로 건조시킨 후 회전 증발기로 용매를 제거하였다. 상기 합성물은 NMR(Jeol, JNM-ECZ500R/S1)로 분석하였다. 표 1은 본 발명의 2차 알코올 에스테르기질을 보여준다.Secondary alcohol esters used as substrates in the present invention were purchased from Sigma-Aldrich or prepared through synthesis. The synthesis of secondary alcohol esters was prepared according to the following method. 20 mmol acetic anhydride or butyric anhydride was mixed with 30 mmol triethylamine and methylene chloride with 20 mg 4-dimetylaminopyridine (DMAP) and 10 mmol alcohol. chloride) solution was added to 50 ml to prepare a reaction mixture. The reaction mixture was stirred at 25° C. for 16 hours in a nitrogen gas atmosphere. Thereafter, the organic layer was prepared by washing twice with 50 ml of 1% hydrochloric acid solution and twice more with 50 ml of saturated NaHCO 3 solution. The organic layer was dried with anhydrous MgSO 4 (10 g) and the solvent was removed using a rotary evaporator. The compound was analyzed by NMR (Jeol, JNM-ECZ500R/S1). Table 1 shows the secondary alcohol ester substrates of the present invention.

이름name 기질 화합물의 정식명칭Formal name of substrate compound 준비방법How to prepare Chemical shift of 1H NMR (500 MHz, CDCl3)Chemical shift of 1H NMR (500 MHz, CDCl 3 ) Chemical shift of 13C NMR (125 MHz, CDCl3)Chemical shift of 13C NMR (125 MHz, CDCl 3 ) (±)-1a(±)-1a (±)-2-butyl acetate(±)-2-butyl acetate 합성synthesis δ 4.86-4.80 (m, 1H), 2.03 (s, 3H), 1.62-1.49 (m, 2H), 1.20 (d, 3H), 0.89 (t, 3H)δ 4.86-4.80 (m, 1H), 2.03 (s, 3H), 1.62-1.49 (m, 2H), 1.20 (d, 3H), 0.89 (t, 3H) δ 170.94, 72.30, 28.85, 21.45, 19.53, 9.75.δ 170.94, 72.30, 28.85, 21.45, 19.53, 9.75. (±)-1b(±)-1b (±)-2-butyl butyrate(±)-2-butyl butyrate 합성synthesis δ 4.87- 4.81 (m, 1H), 2.25 (t, 2H), 1.67-1.62 (m, 2H), 1.58-1.49 (m, 2H), 1.19 (d, 3H), 0.94 (t, 3H), 0.89 (t, 3H)δ 4.87-4.81 (m, 1H), 2.25 (t, 2H), 1.67-1.62 (m, 2H), 1.58-1.49 (m, 2H), 1.19 (d, 3H), 0.94 (t, 3H), 0.89 (t, 3H) δ 173.54, 71.97, 36.71, 28.90, 19.59, 18.66, 13.73, 9.78.δ 173.54, 71.97, 36.71, 28.90, 19.59, 18.66, 13.73, 9.78. (±)-2a(±)-2a (±)-3-methyl-2-butyl acetate (±)-3-methyl-2-butyl acetate 합성synthesis δ 4.74-4.69 (m, 1H), 2.03 (s, 3H), 1.80-1.73 (m, 1H), 1.15 (d, 3H), 0.90 (d, 6H)δ 4.74-4.69 (m, 1H), 2.03 (s, 3H), 1.80-1.73 (m, 1H), 1.15 (d, 3H), 0.90 (d, 6H) δ 170.93, 75.29, 32.69, 21.41, 18.13, 18.07, 16.75.δ 170.93, 75.29, 32.69, 21.41, 18.13, 18.07, 16.75. (±)-2b(±)-2b (±)-3-methyl-2-butyl butyrate(±)-3-methyl-2-butyl butyrate 합성synthesis δ 4.76-4.71 (m, 1H), 2.26 (t, 2H), 1.74-1.78 (m, 1H), 1.66-1.63 (m, 2H), 1.15 (d, 3H), 0.94 (t, 3H), 0.89 (d, 6H); δ 4.76-4.71 (m, 1H), 2.26 (t, 2H), 1.74-1.78 (m, 1H), 1.66-1.63 (m, 2H), 1.15 (d, 3H), 0.94 (t, 3H), 0.89 (d, 6H); δ 173.48, 74.96, 36.75, 32.774, 18.68, 18.15, 18.10, 16.84, 13.75.δ 173.48, 74.96, 36.75, 32.774, 18.68, 18.15, 18.10, 16.84, 13.75. (±)-3a(±)-3a (±)-2-pentyl acetate(±)-2-pentyl acetate 구입purchase -- -- (±)-3b(±)-3b (±)-2-pentyl butyrate(±)-2-pentyl butyrate 구입purchase -- -- (±)-4a(±)-4a (±)-3-butyn-2-yl acetate(±)-3-butyn-2-yl acetate 합성synthesis δ 5.45-5.40 (m, 1H), 2.45(d, 1H), 2.08 (s, 3H), 1.50 (d, 3H)δ 5.45-5.40 (m, 1H), 2.45 (d, 1H), 2.08 (s, 3H), 1.50 (d, 3H) δ 169.96, 82.20, 72.88, 60.11, 21.28, 21.10.δ 169.96, 82.20, 72.88, 60.11, 21.28, 21.10. (±)-4b(±)-4b (±)-3-butyn-2-yl butyrate(±)-3-butyn-2-yl butyrate 합성synthesis δ 5.47-5.42 (m, 1H), 2.44(d, 1H), 2.30 (t, 2H), 1.67-1.62 (m, 2H), 1.49 (d, 3H), 0.95 (t, 3H)δ 5.47-5.42 (m, 1H), 2.44 (d, 1H), 2.30 (t, 2H), 1.67-1.62 (m, 2H), 1.49 (d, 3H), 0.95 (t, 3H) δ172.58, 82.35, 72.76, 59.81, 36.20, 21.31, 18.45, 13.65.δ172.58, 82.35, 72.76, 59.81, 36.20, 21.31, 18.45, 13.65. (±)-5a(±)-5a (±)-1-phenylethyl acetate(±)-1-phenylethyl acetate 구입purchase -- -- (±)-5b(±)-5b (±)-1-phenylethyl butyrate(±)-1-phenylethyl butyrate 구입purchase -- -- (±)-6a(±)-6a (±)-1-(4-chlorophenyl)ethyl acetate(±)-1-(4-chlorophenyl)ethyl acetate 합성synthesis δ 7.32-7.26 (m,4H), 5.86-5.82 (m, 1H), 2.06 (s, 3H), 1.51 (d, 3H)δ 7.32-7.26 (m, 4H), 5.86-5.82 (m, 1H), 2.06 (s, 3H), 1.51 (d, 3H) δ170.33, 140.29, 133.70, 128.76, 127.61, 71.68, 22.23, 21.38.δ170.33, 140.29, 133.70, 128.76, 127.61, 71.68, 22.23, 21.38. (±)-6b(±)-6b (±)-1-(4-chlorophenyl)ethyl butyrate(±)-1-(4-chlorophenyl)ethyl butyrate 합성synthesis δ 7.31-7.26(dd, 4H), 5.86-5.82 (q, 1H), 2.30-2.27 (m, 2H), 1.67-1.60 (q, 2H), 1.50-1.49 (d, 3H), 0.93-0.90 (t, 3H)δ 7.31-7.26 (dd, 4H), 5.86-5.82 (q, 1H), 2.30-2.27 (m, 2H), 1.67-1.60 (q, 2H), 1.50-1.49 (d, 3H), 0.93-0.90 ( t, 3H) δ 172.93, 140.47, 133.62, 128.73, 127.56, 71.39, 36.51, 22.30, 18.52, 13.71.δ 172.93, 140.47, 133.62, 128.73, 127.56, 71.39, 36.51, 22.30, 18.52, 13.71. (±)-7a(±)-7a (±)-1-phenyl-2-propyl acetate(±)-1-phenyl-2-propyl acetate 합성synthesis δ 7.30-7.18 (m, 5H), 5.14-5.08 (m, 1H), 2.95-2.73 (m, 2H), 2.00 (s, 3H), 1.22 (d, 3H)δ 7.30-7.18 (m, 5H), 5.14-5.08 (m, 1H), 2.95-2.73 (m, 2H), 2.00 (s, 3H), 1.22 (d, 3H) δ 170.67, 137.70, 129.50, 128.41, 126.55, 71.56, 2.32, 21.41, 19.53.δ 170.67, 137.70, 129.50, 128.41, 126.55, 71.56, 2.32, 21.41, 19.53. (±)-7b(±)-7b (±)-1-phenyl-2-propyl butyrate (±)-1-phenyl-2-propyl butyrate 합성synthesis δ 7.29-7.18 (m, 5H), 5.16-5.10 (m, 1H), 2.93-2.73 (m, 2H), 2.22 (t, 2H), 1.63-1.55 (m, 2H), 1.22 (d, 3H), 0.88 (t, 3H)δ 7.29-7.18 (m, 5H), 5.16-5.10 (m, 1H), 2.93-2.73 (m, 2H), 2.22 (t, 2H), 1.63-1.55 (m, 2H), 1.22 (d, 3H) , 0.88 (t, 3H) δ 173.26, 137.77, 129.50, 128.38, 126.50, 71.24, 42.39, 36.61, 19.63, 18.53, 13.66.δ 173.26, 137.77, 129.50, 128.38, 126.50, 71.24, 42.39, 36.61, 19.63, 18.53, 13.66. (±)-8a(±)-8a (±)-4-phenyl-2-butyl acetate(±)-4-phenyl-2-butyl acetate 합성synthesis δ 7.30-7.16 (m, 5H), 4.96-4.92 (m, 1H), 2.71-2.58 (m, 2H), 2.03 (s, 3H), 1.94-1.81 (m, 2H), 1.25 (d, 3H)δ 7.30-7.16 (m, 5H), 4.96-4.92 (m, 1H), 2.71-2.58 (m, 2H), 2.03 (s, 3H), 1.94-1.81 (m, 2H), 1.25 (d, 3H) δ 170.89, 141.63, 128.51, 128.39, 126.00, 70.65, 37.67, 31.92, 21.44, 20.12.δ 170.89, 141.63, 128.51, 128.39, 126.00, 70.65, 37.67, 31.92, 21.44, 20.12. (±)-8b(±)-8b (±)-4-phenyl-2-butyl butyrate(±)-4-phenyl-2-butyl butyrate 합성synthesis δ 7.28-7.15 (m, 5H), 4.96-4.92 (m, 1H), 2.41-2.44 (t, 2H), 2.24-2.27 (t, 2H), 1.95-1.88 (m, 2H), 1.72-1.65 (m, 2H), 1.24-1.23 (d, 3H), 1.00-0.97 (t, 3H)δ 7.28-7.15 (m, 5H), 4.96-4.92 (m, 1H), 2.41-2.44 (t, 2H), 2.24-2.27 (t, 2H), 1.95-1.88 (m, 2H), 1.72-1.65 ( m, 2H), 1.24-1.23 (d, 3H), 1.00-0.97 (t, 3H) δ 173.45, 141.69, 128.50, 128.40, 125.98, 70.29, 37.19, 36.67, 31.93, 20.17, 18.65, 13.78.δ 173.45, 141.69, 128.50, 128.40, 125.98, 70.29, 37.19, 36.67, 31.93, 20.17, 18.65, 13.78.

5) p-니트로페닐 아세테이트 및 p-니트로페닐 부티레이트에 대한 가수분해 활성 측정5) Measurement of hydrolysis activity for p-nitrophenyl acetate and p-nitrophenyl butyrate

200 mM p-니트로페닐 아세테이트(p-nitrophenyl acetate) 또는 p-니트로페닐 부티레이트(p-nitrophenyl butyrate) 용액(용매: 아세토니트릴) 20㎕와 아세토니트릴 870㎕을 5 mM BES 버퍼용액(pH 7.2) 11,110 ㎕에 혼합하여 에세이 용액을 제조하고 상기 에세이 용액 100 ㎕에 0.1 ㎎/㎖ 효소용액 5 ㎕를 첨가하여 10분 동안 404 ㎚ 5초 간격으로 흡광도를 측정하였다.20 μl of 200 mM p-nitrophenyl acetate or p-nitrophenyl butyrate solution (solvent: acetonitrile) and 870 μl of acetonitrile were mixed with 5 mM BES buffer solution (pH 7.2) 11,110 To prepare an assay solution, 5 μl of a 0.1 mg/ml enzyme solution was added to 100 μl of the assay solution, and the absorbance was measured at 404 nm for 5 seconds for 10 minutes.

6) 입체선택 비율(E) 측정 6) Measurement of stereoselection ratio (E)

BES 버퍼(100mM, pH7.2) 9.2 ㎖에 1M 에스테르 기질용액(용매: 아세토니트릴) 100㎕, 아세토니트릴 600 ㎕ 및 0.1 ㎎/㎖ 효소 용액(용매: 5 mM BES, pH 7.2)이 포함된 반응 혼합물을 준비하였다. 상기 반응 혼합물을 25℃에서 500 rpm으로 교반하였다. 상기 교반한 반응 혼합물 100 ㎕를 약 40% 전환율 근처에서 취하여, 메틸 t-뷰틸에테르(Tert-butylmethyl ether) 1 ㎖로 추출하였다. 상기 유기층을 무수 Na2SO4로 건조시킨 후 키랄 컬럼(Chiral column)이 장착된 가스크로마토그래피(GC)로 분석하였다. 상기 기질 및 반응물의 정량을 위한 GC 분석 조건은 하기 표 2와 같다. 상기 거울상 이성질체의 머무름 시간(retention time)은 거울상 순수 샘플의 머무름 시간과 비교하여 확인하였다.Reaction containing 100 μl of 1M ester substrate solution (solvent: acetonitrile), 600 μl of acetonitrile and 0.1 mg/ml enzyme solution (solvent: 5 mM BES, pH 7.2) in 9.2 ml of BES buffer (100 mM, pH7.2) A mixture was prepared. The reaction mixture was stirred at 500 rpm at 25 °C. 100 μl of the stirred reaction mixture was taken at about 40% conversion and extracted with 1 ml of methyl t-butyl ether. After drying the organic layer with anhydrous Na 2 SO 4 , it was analyzed by gas chromatography (GC) equipped with a chiral column. GC analysis conditions for quantification of the substrate and reactant are shown in Table 2 below. The retention time of the enantiomer was confirmed by comparison with the retention time of the enantiomer sample.

7) Proteobacteria bacterium SG_bin9의 카르복실에스테라제(PBE) 상동성 모델의 확보7) Securing homology model of carboxyl esterase (PBE) of Proteobacteria bacterium SG_bin9

SWISS-MODEL(http://swissmodel.expasy.org/)의 자동 모드에서 아미노산 서열을 기탁하여 Proteobacteria bacterium SG_bin9의 카르복실에스테라제(PBE)의 상동성 모델을 확보하였다.Amino acid sequences were deposited in the automatic mode of SWISS-MODEL (http://swissmodel.expasy.org/) to secure a homology model of carboxylesterase (PBE) of Proteobacteria bacterium SG_bin9.

8) 분자 모델링8) Molecular Modeling

분자 모델링은 SYBYL-X 2.11 패키지를 이용하여 수행하였다. 물 분자에 대한 좌표는 패밀리 VIII 카르복실에스테라제(PDB ID: 4IVK)의 결정 구조로부터 채택하였다. 일부 물 분자(H2O601, H2O626 및 H2O927)는 모델의 입체 충돌을 피하기 위해 제거하였다. 사면체 중간체는 결정 구조가 포함하고 있는 억제제를 기반으로 수동 생성하였다. 원자 유형 및 효소와 기질의 부분 전하는 AMBER99력장(Force field)의 기본 설정에 의해 지정되었다. 일반 AMBER99력장을 이용하여 사면체 중간체의 누락된 원자 유형 및 매개변수를 정의하였다. 모든 계산에 8Å의 비접합 차단 거리와 거리 종속 유전 함수가 사용되었다. 에너지 최소화는 Powell 방법으로 수행되었으며 rms 미분값이 0.005 kcal·mol-1·Å-1 미만이 될 때까지 수행되었다. 모델의 구조는 PYMOL(http://www.pymol.org)를 통해 표현되었다.Molecular modeling was performed using the SYBYL-X 2.11 package. Coordinates for water molecules were adopted from the crystal structure of family VIII carboxylesterases (PDB ID: 4IVK). Some water molecules (H2O601, H2O626 and H2O927) were removed to avoid steric collisions in the model. The tetrahedral intermediate was manually generated based on the inhibitor contained in the crystal structure. Atomic types and partial charges of enzymes and substrates are specified by default settings in the AMBER99 Force field. The generic AMBER99 force field was used to define the missing atom type and parameters of the tetrahedral intermediate. A non-junction cut-off distance of 8 Å and a distance-dependent dielectric function were used for all calculations. Energy minimization was performed by the Powell method until the rms derivative was less than 0.005 kcal·mol -1 ·Å -1 . The structure of the model was expressed through PYMOL (http://www.pymol.org).

9) PBE 위치지정 돌연변이9) PBE site-directed mutations

하기 표 3의 프라이머로 overlap extension PCR을 수행하여 돌연변이 유전자를 제조하였다. PCR을 통해 제조한 돌연변이 유전자는 제한효소 NcoI 및 SalI로 처리한 후 동일한 제한효소로 처리된 pBADgIIIa 벡터에 삽입하여 플라스미드를 제조하고 상기 플라스미드는 E. Coli(Top 10)에 형질전환 하였다.Mutant genes were prepared by performing overlap extension PCR with the primers shown in Table 3 below. The mutant gene prepared through PCR was treated with restriction enzymes NcoI and SalI, and then inserted into the pBADgIIIa vector treated with the same restriction enzymes to prepare a plasmid, and the plasmid was transformed into E. coli (Top 10).

2. 실험결과 및 토의2. Experiment results and discussion

본 발명에서는 새로운 패밀리 VIII 에스테라아제를 발견하고 이를 제시하였다. 이를 위하여 단백질 데이터베이스에서 3차원 구조가 이미 알려진 패밀리 VIII 에스테라아제(PDB ID: 4IVK)의 단백질 서열을 사용하여 상동 검색(Homologous search)을 수행하였다. 도 1은 상기 상동 검색 결과를 보여주며 표 4는 상기 상동 검색 결과 중 아미노산 서열 동일성(Sequence identity) 60% 이상인 것을 보여준다.In the present invention, a new family VIII esterase was discovered and presented. To this end, a homologous search was performed using the protein sequence of family VIII esterase (PDB ID: 4IVK) whose three-dimensional structure was already known in the protein database. Figure 1 shows the homology search results, and Table 4 shows that the amino acid sequence identity among the homology search results is 60% or more.

아미노산 서열 동일성이 50% 이상인 경우 거의 동일한 3차원 구조를 가지는 것으로 알려져 있다. 상기 선택한 8가지 서열의 유전자 코돈을 최적화한 후 pBADgIIIa 발현 벡터에 삽입하여 E. coli(Top 10)를 형질전환하였다. E. coli(Top 10)를 이용한 단백질 발현은 배양된 E. coli(Top 10)에 L-아라비노스를 첨가하여 수행하였다. 8가지 유전자 중 다섯 가지 유전자만이 성공적으로 발현되는 것이 확인되었으며 그 중 프로테오박테리아 박테리아의 카르복실에스테라아제(Proteobacteria bacterium SG_bin9, PBE)가 가장 높은 수율을 보이는 것으로 확인되었다(도 2 및 표 5 참조).When the amino acid sequence identity is 50% or more, it is known to have an almost identical three-dimensional structure. After optimizing the gene codons of the 8 selected sequences, they were inserted into the pBADgIIIa expression vector to transform E. coli (Top 10). Protein expression using E. coli (Top 10) was performed by adding L-arabinose to the cultured E. coli (Top 10). It was confirmed that only five genes out of eight genes were successfully expressed, and among them, Proteobacteria bacterium carboxylesterase (Proteobacteria bacterium SG_bin9, PBE) was confirmed to have the highest yield (see Fig. 2 and Table 5) .

성공적으로 발현된 상기 다섯 가지 유전자의 카르복실에스테라제에 대하여 p-니트로페닐 아세테이트(p-nitrophenyl acetate, pNPAc) 및 p-니트로페닐 부티레이트(p-nitrophenyl butyrate, pNPBu)에 대한 가수분해 활성을 측정하였다. 상기 가수분해활성은 25℃에서 15 분 동안 404 nm에서 흡광도 변화를 측정하여 반응속도를 산출하였다. 실험결과 다섯 가지 효소 모두 pNPAc보다 pNPBu에 대해 더 높은 활성을 보이는 것으로 확인되었으며 PBE의 경우 pNPAc와 pNPBu 모두에 대해 높은 활성을 보이는 것으로 확인되었다(표 5 참조). 상기 결과에서 보는 바와 같이 프로테오박테리아 박테리아의 카르복실에스테라아제(Proteobacteria bacterium SG_bin9, PBE)가 가장 높은 수율로 발현되었으며, 또한 가장 높은 활성을 보이는 것으로 확인되었다. 따라서 본 발명에서는 상기 PBE 만을 이용하여 키랄 2차-알코올을 대상으로 동적 분해능을 분석하였다. The hydrolytic activity of p-nitrophenyl acetate (pNPAc) and p-nitrophenyl butyrate (pNPBu) was measured for the carboxylesterases of the five genes successfully expressed. did The hydrolytic activity was determined by measuring the absorbance change at 404 nm for 15 minutes at 25° C. to calculate the reaction rate. As a result of the experiment, it was confirmed that all five enzymes showed higher activity against pNPBu than pNPAc, and in the case of PBE, it was confirmed that it showed high activity against both pNPAc and pNPBu (see Table 5). As shown in the above results, it was confirmed that proteobacteria bacterium carboxylesterase (Proteobacteria bacterium SG_bin9, PBE) was expressed in the highest yield and also showed the highest activity. Therefore, in the present invention, dynamic resolution was analyzed for chiral secondary-alcohols using only the PBE.

PBE의 입체선택성은 but-3-yn-2-yl ester를 포함하는 일련의 2차 알코올 에스테르의 가수분해에 대한 입체선택 비율(Enantiomeric ratio, E)을 통해 결정하였다. 상기 but-3-yn-2-yl ester는 생리활성 화합물 합성에 유용한 빌딩 블록으로서, 효소를 활용한 동적 분해능으로 이의 거울상 이성질체들을 분리하기 어려운 기질로 알려져 있다. 도 3은 PBE에 의해 2차 알코올 에스테르가 가수분해 되어 (S)-2차 알코올로 변화되는 반응을 보여준다. 표 6은 상기 PBE의 거울상 이성질체 선택성을 분석한 결과를 보여준다.The stereoselectivity of PBE was determined through the enantiomeric ratio (E) of hydrolysis of a series of secondary alcohol esters including but-3-yn-2-yl ester. The but-3-yn-2-yl ester is a useful building block for the synthesis of bioactive compounds, and is known as a substrate for which it is difficult to separate enantiomers using enzyme-based dynamic resolution. Figure 3 shows a reaction in which secondary alcohol esters are hydrolyzed by PBE to (S) -secondary alcohols. Table 6 shows the results of analyzing the enantiomeric selectivity of the PBE.

분석결과 상기 PBE는 1-phenylethyl alcohol ester(E=9.9 또는 36.1)를 제외한 대부분의 2차 알코올 에스테르에 대해 낮거나 중간 정도의 입체선택성(입체선택 비율 E=1.1 내지 10.1)을 보이는 것으로 확인되었다. As a result of the analysis, it was confirmed that the PBE showed low or medium stereoselectivity (stereoselectivity ratio E = 1.1 to 10.1) for most secondary alcohol esters except for 1-phenylethyl alcohol ester (E = 9.9 or 36.1).

흥미롭게도 PBE의 거울상 이성질체 선호도는 치환기에 따라 다양한 것으로 확인되었다. 예를 들어 PBE는 분지형 알킬 사슬을 보유하는 2차 알코올 에스테르(기질 4a), 아세틸렌 치환기를 보유하는 2차 알코올 에스테르(기질 4b) 및 페닐 치환기를 보유하는 2차 알코올 에스테르(기질 5a, 기질 5b 및 기질 6a)에 대해서 (S)-입체선택성을 보여주는 것으로 확인되었으며, 메틸렌기(methylene group)를 치환기 내에 갖는 기질 1a, 기질 3a, 기질 3b, 기질 7a 및 기질 8a에 대하여는 (R)-입체선택성을 보여주는 것으로 확인되었다. 추가적으로 아실기(acyl group)는 PBE의 거울상 이성질체 선호도에 영향을 미치는 것으로 확인되었는데 예를 들어 더 긴 아실기인 부틸기를 지닌 반응물에 대해서는 (S)-입체선택성을 가지는 경향이 있다. 상기 PBE는 특정 기질에 대한 (S)-입체선택성을 보이는 것으로 확인된다. 그러나 PBE의 입체 선택성은 충분히 높지 않아, 동적 분해능을 이용한 고순도 (S)-2차 알코올 제조의 산업상 적용이 어려울 것으로 판단된다. Interestingly, the enantiomeric preference of PBE was confirmed to vary depending on the substituent. For example, PBE is a secondary alcohol ester with a branched alkyl chain (substrate 4a), a secondary alcohol ester with an acetylene substituent (substrate 4b) and a secondary alcohol ester with a phenyl substituent (substrate 5a, substrate 5b). and (S)-stereoselectivity for substrate 6a), and (R)-stereoselectivity for substrate 1a, substrate 3a, substrate 3b, substrate 7a and substrate 8a having a methylene group in the substituent was confirmed to show Additionally, the acyl group has been found to influence the enantiomeric preference of PBE, for example it tends to have (S)-stereoselectivity for reactants with longer acyl butyl groups. The PBE is found to exhibit (S)-stereoselectivity towards certain substrates. However, since the stereoselectivity of PBE is not high enough, it is judged that industrial application of high-purity (S) -secondary alcohol production using dynamic resolution will be difficult.

PBE의 입체선택성을 향상시키기 위하여 (S)-1-phenylethyl acetate 또는 (R)-1-phenylethyl acetate을 기질로 한 PBE의 반응에 대한 분자 모델링을 수행하였다(표 6의 entry 9). 먼저 SWISS-Model 웹사이트를 이용하여 PBE 모델의 상동성 구조를 제조하였다. 그리고 알려진 단백질 결정구조(PDB code: 4IVK)에 포함된 물분자들의 좌표를 사용하여, 상기 상동성 구조에 물분자들 추가하여 보다 정확한 에너지 최소화를 수행하였다. 상기 4IVK 결정 구조에는 억제제인 세팔로틴(cephalothin)이 포함되어 있으므로 상기 4IVK 구조에 포함된 세팔로틴(cephalothin)을 기반으로 상기 (S)- 및 (R)-1-페닐에틸 아세테이트의 사면체 중간체를 생성하고 에너지 최소화 및 분석을 수행하였다(도 4 및 표 7 참조)In order to improve the stereoselectivity of PBE, molecular modeling was performed for the reaction of PBE with (S)-1-phenylethyl acetate or (R)-1-phenylethyl acetate as a substrate (entry 9 in Table 6). First, the homologous structure of the PBE model was prepared using the SWISS-Model website. In addition, more accurate energy minimization was performed by adding water molecules to the homologous structure using the coordinates of water molecules included in the known protein crystal structure (PDB code: 4IVK). Since the 4IVK crystal structure contains the inhibitor cephalothin, the tetrahedral intermediate of (S)- and (R)-1-phenylethyl acetate based on the cephalothin included in the 4IVK structure was generated and energy minimization and analysis were performed (see FIG. 4 and Table 7)

패밀리 VIII 카르복실에스테라아제에 의한 촉매 반응은 종래의 리파아제 촉매 반응과 유사하게 아실화 및 탈아실화 단계로 발생하는 것으로 판단된다(도 5). 알려진 결정구조(PBD ID: 4IVK)에 따르면 촉매 세린이 카르보닐 탄소를 공격하여 아실-효소 중간체를 생성하는 것을 알 수 있으며 이 과정에서 열린 β-락탐 고리의 카르보닐 산소는 Ser100(촉매 세린) 및 Ala384로 구성된 옥시음이온 구멍(oxyanion hole)에 수소 결합하는 것으로 확인된다. 상기 알려진 결정구조(PBD ID: 4IVK)의 Ser100(촉매 세린) 및 Ala384는 상기 PBE의 Ser98 및 Ala383에 대응된다. 그러나 패밀리 VIII 카르복실에스테라아제의 반응 기전은 촉매 삼잔기가 종래의 리파아제 또는 세린 프로테아제의 동일하지는 않기 때문에 완전히 이해할 수 없었다.It is believed that the catalytic reaction by family VIII carboxylesterase occurs in acylation and deacylation steps similar to conventional lipase catalysis (FIG. 5). According to the known crystal structure (PBD ID: 4IVK), the catalyst serine attacks the carbonyl carbon to form an acyl-enzyme intermediate, and in this process, the carbonyl oxygen of the open β-lactam ring is Ser100 (catalytic serine) and It is confirmed that hydrogen bonds to the oxyanion hole composed of Ala384. Ser100 (catalyst serine) and Ala384 of the known crystal structure (PBD ID: 4IVK) correspond to Ser98 and Ala383 of the PBE. However, the reaction mechanism of family VIII carboxylesterases is not fully understood because the catalytic triresidues are not identical to those of conventional lipases or serine proteases.

상기 분자 모델링은 촉매 삼잔기(Ser98-Lys101-Tyr216) 사이의 수소 결합 및 옥시음이온과 Ser98과 Ala383으로 구성된 옥시음이온 구멍사이의 수소 결합을 보여준다. 상기 결과는 촉매 삼잔기를 구성하는 아미노산의 역할을 설명해 준다(도 4의 패널a) 참조). 특히 촉매 Lys은 Ser의 양성자를 받아 후자의 하이드록실기 친핵성(hydroxyl group nucleophilicity)을 증가시킨다. 상기 분자모델의 Lys은 리파아제 및 세린 가수분해효소의 표준 Ser-His-Asp 세작용기 중 촉매 His의 등가물이다. 그러나 상기 Lys은 Ser에서 에스테르 기질의 알코올에 해당하는 이탈기(leaving group)로 양성자를 전달할 수 없다. 왜냐하면 Lys의 Nε 원자와 알코올의 O 원자 사이의 거리가 4.4 Å로서 일반적인 수소 결합 거리를 벗어나기 때문이다(표 7 참조). 그렇지만 반응이 진행되기 위해서 촉매 Ser의 양성자는 상기 His와 동일한 방식으로 이탈기(알코올 부분의 산소 원자)로 전달되어야 한다. 분자 모델링 결과에 따르면 촉매 Tyr이 양성자 다리 역할을 하는 것으로 판단된다. Tyr의 수소는 촉매 Lys 및 알코올 부분의 산소와도 결합한다. 따라서 Tyr은 촉매 Lys에서 양성자를 받아 알코올 부분에 양성자를 제공하는 것이다. 상기에서 설명한 기작은 패밀리 VIII 카르복실에스테라아제에 대한 위치지정 돌연변이 실험결과에 의해 지지된다. 실험결과에 따르면, 촉매 Tyr을 포함하는 상기 촉매 삼잔기에 돌연변이가 발생하게 되면 패밀리 VIII 카르복실에스테라아제의 활성이 급격히 저하되는 것이 확인되었다. The molecular modeling shows hydrogen bonding between the catalytic triresidues (Ser98-Lys101-Tyr216) and between the oxyanion and the oxyanion hole composed of Ser98 and Ala383. The above results explain the role of amino acids constituting the catalytic triresidue (see panel a of FIG. 4). In particular, the catalyst Lys accepts a Ser proton and increases the hydroxyl group nucleophilicity of the latter. Lys in the above molecular model is the equivalent of the catalyst His among three standard Ser-His-Asp functional groups of lipase and serine hydrolase. However, the Lys cannot transfer a proton from Ser to a leaving group corresponding to the alcohol of the ester substrate. This is because the distance between the Nε atom of Lys and the O atom of alcohol is 4.4 Å, which is outside the normal hydrogen bond distance (see Table 7). However, in order for the reaction to proceed, the proton of the catalyst Ser must be transferred to the leaving group (oxygen atom of the alcohol moiety) in the same manner as His. According to the molecular modeling results, the catalytic Tyr is judged to act as a proton bridge. The hydrogen of Tyr also bonds with the catalyst Lys and the oxygen of the alcohol moiety. Thus, Tyr accepts a proton from the catalytic Lys and donates a proton to the alcohol moiety. The mechanism described above is supported by the results of site-directed mutagenesis experiments on family VIII carboxylesterases. According to the experimental results, it was confirmed that when a mutation occurs in the three catalytic residues including the catalytic Tyr, the activity of family VIII carboxylesterase is rapidly reduced.

상기 분자모델링 결과에 따르면 두 가지 거울상 이성질체의 메틸 치환기는 서로 다른 포켓에 결합하는 반면, 보다 큰 치환기(페닐기)의 경우는 동일한 입구 포켓(entrance pocket)에 위치하는 것으로 판단된다. 또한 빠르게 반응하는 거울상 이성질체의 메틸 치환기는 Leu349, Trp380, Ser381 및 Thr409로 구성된 포켓에 결합하는 반면, 느리게 반응하는 거울상 이성질체의 메틸 치환기는 Ser381, Ala383 및 Arg408로 구성된 포켓에 결합하는 것으로 확인된다(도 4의 패널 b) 및 패널 c) 참조). 느리게 반응하는 거울상 이성질체의 메틸기가 결합하는 포켓의 크기는 빠르게 반응하는 거울상 이성질체의 경우 보다 작은 것으로 판단되는데, 이는 느리게 반응하는 거울상 이성질체가 빠르게 반응하는 거울상 이성질체 보다 그 결합이 잘 이루어지지 않음을 의미한다. 상기 두 포켓 크기의 차이는 기질 5a에 대한 PBE의 (S)-입체선택성을 설명해주는 것으로 판단된다.According to the molecular modeling results, the methyl substituents of the two enantiomers bind to different pockets, whereas the larger substituent (phenyl group) is located in the same entrance pocket. It is also confirmed that the methyl substituent of the fast-reacting enantiomer binds to the pocket composed of Leu349, Trp380, Ser381 and Thr409, whereas the methyl substituent of the slow-reacting enantiomer binds to the pocket composed of Ser381, Ala383 and Arg408 (Fig. see panels b) and c) of 4). The size of the binding pocket of the slow-reacting enantiomer's methyl group is believed to be smaller than that of the fast-reacting enantiomer, indicating that the slow-reacting enantiomer is less likely to bind than the fast-reacting enantiomer. . The difference between the two pocket sizes is believed to explain the (S)-stereoselectivity of PBE for substrate 5a.

본 발명에서는 느리게 반응하는 거울상 이성질체의 메틸 치환기의 결합을 더욱 방해하게 되면 PBE의 거울상 이성질체 선택성이 향상될 것으로 판단하였다. 상기 느리게 반응하는 거울상 이성질체에 대한 결합 포켓의 잔기 중 Ser381과 Arg408의 측쇄는 활성 자리를 향하고 있는 것으로 확인된다. 상기 결과는 두 잔기가 치환되면 PBE의 거울상 이성질체 선택성이 변화될 것을 의미한다. In the present invention, it was determined that the enantioselectivity of PBE would be improved if the binding of the methyl substituent of the slowly reacting enantiomer was further hindered. Among the residues in the binding pocket for the slow-reacting enantiomer, the side chains of Ser381 and Arg408 were confirmed to face the active site. These results indicate that the enantiomeric selectivity of PBE will change when two residues are substituted.

본 발명에서는 PBE의 두 잔기 중에서 Ser381을 선택하여, 위치지정 돌연변이를 통해 이의 변이체들을 생성하였다. Ser의 부피는 94.1 Å3으로서 Arg의 부피(192.8Å3)보다 작다. 따라서 상기 Ser을 더 큰 부피를 가지는 아미노산으로 치환하게 되면, 더욱 효과적으로 결합 포켓의 크기를 변화시킬 수 있을 것으로 판단하였다. 먼저 상기 Ser381을 Leu(부피=164.6Å3)과 Ile(부피=164.9Å3)로 치환하였다(표 8 참조). 상기 Leu과 Ile을 선택한 이유는 상기 Ser보다 큰 부피를 가지면서도 Ser보다 큰 부피를 가지는 아미노산 중 중간 정도의 부피값 가지기 때문이다, 또한 상기 Leu과 Ile은 아미노산 측쇄가 극성 작용기를 가지지 않고 전하를 띠지 않는 특징이 있으므로 결합 포켓의 크기외의 다른 특성에는 영향을 주지 않을 것으로 판단되었다. 상기 돌연변이 유전자는 중첩 확장 중합효소 연쇄반응을 통해 제조하여 pBADgIIIa에 삽입된 후 E. coli (Top10)에 형질전환되어 단백질로 발현되었다. 상기 발현된 PBE 변이체 단백질은 Ni-NTA 레진을 이용하여 정제한 후 기질 5a에 대한 가수분해반응을 수행하였다. 그리고 상기 반응액을 가스 크로마토그래피로 분석하여 PBE 변이체의 거울상 선택성을 분석하였다.In the present invention, Ser381 was selected from two residues of PBE and its variants were generated through site-directed mutagenesis. The volume of Ser is 94.1 Å 3 , which is smaller than that of Arg (192.8 Å 3 ). Therefore, it was determined that the size of the binding pocket could be changed more effectively when the Ser was substituted with an amino acid having a larger bulk. First, the Ser381 was substituted with Leu (volume = 164.6Å 3 ) and Ile (volume = 164.9Å 3 ) (see Table 8). The reason for selecting Leu and Ile is that they have a volume larger than Ser and have a volume value intermediate among amino acids having a volume larger than Ser. In addition, Leu and Ile have amino acid side chains that do not have polar functional groups and do not carry electric charges. It was judged that it would not affect other characteristics other than the size of the binding pocket. The mutant gene was prepared through overlapping extension polymerase chain reaction, inserted into pBADgIIIa, transformed into E. coli (Top10), and expressed as a protein. The expressed PBE mutant protein was purified using Ni-NTA resin and then hydrolyzed with substrate 5a. And the reaction solution was analyzed by gas chromatography to analyze the enantioselectivity of the PBE variant.

분석결과 돌연변이가 없는 PBE(wild type PBE)의 경우 입체선택 비율(E)은 E=36.1인 것으로 확인되었으나 PBE의 변이체인 PBE S381L 및 PBE S381I의 경우 입체선택 비율(E)이 각각 E=515 및 212로 현저히 증가된 것이 확인되었다. 추가적으로 상기 Ser381을 상기 Leu 및 Ile과 동일한 측쇄 특성을 가지나 부피가 가장 작은 Ala(측쇄 부피=90.1Å3)으로 치환한 PBE S381A의 경우 입체선택 비율(E)이 E=18.4로 wild type PBE보다 더 낮아진 것으로 확인되었다. 상기 결과는 결합 포켓의 크기 증가와 기질 5a에 대한 입체 선택성은 서로 반비례한다는 것을 의미한다(표 8 참조).As a result of the analysis, in the case of PBE (wild type PBE) without mutation, the stereoselection ratio (E) was confirmed to be E = 36.1, but in the case of PBE S381L and PBE S381I, which are variants of PBE, the stereoselection ratio (E) was E = 515 and 515 respectively. 212, a significant increase was confirmed. In addition, in the case of PBE S381A in which Ser381 is substituted with Ala (side chain volume = 90.1Å 3 ) having the same side chain characteristics as the Leu and Ile but having the smallest volume, the stereoselection ratio (E) is E = 18.4, which is higher than that of wild type PBE. found to be lowered. This result means that the increase in the size of the binding pocket and the stereoselectivity for substrate 5a are inversely proportional to each other (see Table 8).

Ser보다 부피가 큰 다른 아미노산을 이용한 PBE 변이체를 추가적으로 제조하였고, 이들의 입체 선택성을 분석하였다(표 8의 entry 2-8 및 entry 11-16 참조). 상기 표 8의 PBE 변이체 중 반응이 너무 느려 입체선택 비율을 산출할 수 없었던 PBE S381P, PBE S381K, 및 PBE S381R와 PBE S381A를 제외한 모든 PBE 변이체들의 입체 선택성(입체선택 비율, E)이 증가하는 것으로 확인되었다. 상기 변이체 중 반응이 너무 느려 입체선택 비율을 산출할 수 없게 되었던 이유는 Pro 치환으로 인한 구조적 변화 또는 양전하를 가지는 아미노산의 치환으로 인한 급격한 촉매 기작의 변화 때문인 것으로 판단된다.PBE variants using other bulky amino acids than Ser were additionally prepared, and their stereoselectivity was analyzed (see entries 2-8 and 11-16 in Table 8). Among the PBE variants in Table 8, the stereoselectivity (stereoselection ratio, E) of all PBE variants except for PBE S381P, PBE S381K, and PBE S381R and PBE S381A, in which the reaction was too slow to calculate the stereoselection ratio, was found to increase. Confirmed. It is believed that the reason why the reaction among the variants was too slow to calculate the stereoselection ratio was due to a structural change due to Pro substitution or a rapid change in catalytic mechanism due to substitution of a positively charged amino acid.

상기 PBE 변이체가 보이는 입체 선택성의 향상은 (S)-거울상 이성질체의 효소 내 결합이 방해됨으로써 이루어진 것으로 판단된다. PBE S381F는 가장 높은 거울상 선택성(E=882)을 보이는 것으로 확인되며 PBE S381Y와 PBE S381W 또한 큰 부피를 가져 높은 입체 선택성을 보이는 것으로 확인된다. 도 6은 본 발명의 PBE 변이체의 부피 변화에 따른 거울상 이성질체간의 활성화 에너지 차이(ΔΔG‡=-RTlnE)를 보여준다. 도 6에 따르면 치환된 아미노산에 의한 부피에 따른 활성화 에너지 차이의 변화는 포화곡선의 양상을 보이는 것으로 확인되었다. 상기 결과는 치환된 아미노산의 부피가 증가하게 되면 거울상 선택성 역시 증가한다는 것을 의미한다. It is believed that the improvement in stereoselectivity of the PBE variant is achieved by hindering the intraenzyme binding of the (S)-enantiomer. PBE S381F is confirmed to show the highest enantioselectivity (E = 882), and PBE S381Y and PBE S381W are also confirmed to show high stereoselectivity due to their large volume. Figure 6 shows the activation energy difference (ΔΔG‡=-RTlnE) between enantiomers according to the volume change of the PBE variant of the present invention. According to FIG. 6, it was confirmed that the change in the activation energy difference according to the volume of the substituted amino acid showed the aspect of a saturation curve. This result means that enantioselectivity also increases when the volume of substituted amino acids increases.

기질 범위를 보다 확장시키기 위하여 PBE S381F, PBE S381Y, 및 PBE S381W의 거울상 선택성을 분석하였다. 분석결과 상기 세 가지 변이체 모두 2차 알코올 에스테르 시리즈의 가수분해와 관련된 입체 선택성을 보이는 것으로 확인되었다(표 9 참조).In order to further expand the substrate range, the enantioselectivity of PBE S381F, PBE S381Y, and PBE S381W was analyzed. As a result of the analysis, it was confirmed that all three variants showed stereoselectivity related to the hydrolysis of the secondary alcohol ester series (see Table 9).

특히, 상기 PBE S381F, PBE S381Y, 및 PBE S381W는 기질 1a, 기질 3a, 기질 7a 및 기질 8a에 대하여 높은 (S)-입체선택성(E=162 내지 5,450)을 나타내는 것으로 확인되었다. 이는 wild type PBE가 낮은 (R)-입체선택성(E=1.1 내지 4.8)을 보이는 것과 대비된다.In particular, the PBE S381F, PBE S381Y, and PBE S381W were confirmed to exhibit high (S)-stereoselectivity (E=162 to 5,450) with respect to substrate 1a, substrate 3a, substrate 7a, and substrate 8a. This is in contrast to wild type PBE showing low (R)-stereoselectivity (E = 1.1 to 4.8).

상기 PBE S381F는 기질 2a(E=83) 및 기질 7a(E=167)를 제외한 다른 기질에 대해 높은 입체 선택성을 보이는 것으로 확인되며 상기 PBE S381W는 기질 2a(E=345) 및 기질 7a(E=459)에 더 높은 입체 선택성을 보이는 것으로 확인된다. 상기 기질 1a 및 기질 4a는 동적 분해능에 의한 거울상 이성질체 분리를 적용하기 어려운 기질(difficult-to-resolve substrate)로 알려져 있다. 예를 들어 2차 알코올에 대한 동적 분해능(kinetic resolution)에 널리 사용되는 리파아제 중 하나인 칸디다 안타르티카 리파아제 B(Candida antarctica lipase B, CAL-B)의 경우 상기 기질 1a 및 기질 4a에 대하여 (R)-선택성으로 낮은 입체 선택성을 보이는 것으로 확인되었다. 이에 반하여 PBE S381F의 경우 분리가 어려운 기질인 기질 1a 및 기질 4a에 대하여 (S)-선택성으로 높은 입체 선택성(기질 1a의 E=162 및 기질 4a의 E=2,001)을 보이는 것으로 확인되었다. The PBE S381F was found to exhibit high stereoselectivity for substrates other than substrate 2a (E = 83) and substrate 7a (E = 167), and the PBE S381W showed high stereoselectivity to substrate 2a (E = 345) and substrate 7a (E = 167). 459) is confirmed to show higher stereoselectivity. Substrates 1a and 4a are known as difficult-to-resolve substrates for enantiomeric separation by dynamic resolution. For example, in the case of Candida antarctica lipase B (CAL-B), which is one of the lipases widely used for kinetic resolution of secondary alcohol, for substrate 1a and substrate 4a (R ) -selectivity was confirmed to show low stereoselectivity. In contrast, PBE S381F was confirmed to exhibit high stereoselectivity (E = 162 for substrate 1a and E = 2,001 for substrate 4a) with (S) -selectivity for substrate 1a and substrate 4a, which are difficult to separate.

따라서 본 발명의 PBE 변이체는 다양한 2차-알코올 에스테르 기질로부터 고순도의 (S)-2차 알코올을 제조하는데 적용 가능할 것으로 판단된다.Therefore, the PBE variant of the present invention is considered to be applicable to preparing high-purity (S) -secondary alcohol from various secondary-alcohol ester substrates.

3. 결론3. Conclusion

종래에는 2차 알코올 기질에 대하여 (R)-입체선택성을 가지는 리파아제가 많이 사용되고 있었을 뿐으로, 높은 (S)-입체선택성을 보이며 광범위한 기질 특이성을 가진 가수분해효소는 거의 보고된바 없었고, 그 동적 분해능의 활용에 대하여도 알려진 바 없었다. Conventionally, only lipases having (R)-stereoselectivity for secondary alcohol substrates have been widely used, and hydrolases with high (S)-stereoselectivity and broad substrate specificity have been rarely reported, and their dynamic resolution Also, nothing is known about its use.

본 발명에서는 신규 (S)-입체선택성 패밀리 VIII 카르복실에스테라아제(carboxylesterase from Proteobacteria bacterium SG_bin9, PBE)를 보고하였으며, 분자 모델링에 기반한 변이체 분석을 통해 높은 (S)-입체선택성을 가지는 새로운 패밀리 VIII 카르복실에스테라아제를 보고하였다.In the present invention, a novel (S)-stereoselective family VIII carboxylesterase (carboxylesterase from Proteobacteria bacterium SG_bin9, PBE) was reported, and a new family VIII carboxylesterase with high (S)-stereoselectivity was analyzed through variant analysis based on molecular modeling. esterases have been reported.

본 발명에서는 분자 모델링을 통해 기질 결합 포켓을 확인하였으며 결합 포켓의 아미노산을 치환하게 되면 PBE의 거울상 선택성이 변화한다는 것을 실험적으로 확인하였다. 상세하게는 결합 포켓 잔기 중 S381을 부피가 보다 큰 아미노산으로 치환하게 되면 다양한 키랄 2차 알코올 에스테르에 대한 입체 선택성이 향상된다는 것을 실험적으로 확인하였다. In the present invention, the substrate binding pocket was confirmed through molecular modeling, and it was experimentally confirmed that the enantioselectivity of PBE changes when amino acids in the binding pocket are substituted. Specifically, it was experimentally confirmed that stereoselectivity for various chiral secondary alcohol esters is improved when S381 among the binding pocket residues is substituted with a bulky amino acid.

상기 결과는 거울상 이성질체들의 활성화 에너지 차이와 도입된 아미노산의 부피를 그래프로 분석한 결과 포화 곡선 양상을 보이는 결과에 의해 지지되었으며, 느린 거울상 이성질체의 메틸 치환체에 대한 결합 포켓은 제한된 공간을 가져야 하고 이는 공간 감소로 향상된 입체 선택성이 최대값에 도달해야 한다는 것을 의미한다. 따라서 본 발명의 PBE 변이체의 거울상 이성질체 선택성 향상은 치환된 아미노산의 크기 효과 때문인 것으로 판단된다. 결론적으로 본 발명의 PBE 변이체를 이용하면 다양한 키랄 2차-알코올 에스테르 기질로부터 고순도의 (S)-2차 알코올을 제조할 수 있을 것으로 판단된다.The above result was supported by the results showing a saturation curve as a result of graphically analyzing the difference in activation energy of the enantiomers and the volume of the introduced amino acid, and the binding pocket for the methyl substituent of the slow enantiomer must have a limited space, which is This means that the enhanced stereoselectivity with the reduction should reach a maximum value. Therefore, it is believed that the enhancement of enantioselectivity of the PBE variants of the present invention is due to the effect of the size of the substituted amino acid. In conclusion, it is believed that using the PBE variant of the present invention, it is possible to prepare high-purity (S) -secondary alcohol from various chiral secondary-alcohol ester substrates.

본 명세서에서 설명된 구체적인 실시 예는 본 발명의 바람직한 구현 예 또는 예시를 대표하는 의미이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되지는 않는다. 본 발명의 변형과 다른 용도가 본 명세서 특허청구범위에 기재된 발명의 범위로부터 벗어나지 않는다는 것은 당업자에게 명백하다. The specific embodiments described in this specification are meant to represent preferred embodiments or examples of the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereby. It will be apparent to those skilled in the art that variations and other uses of the present invention do not depart from the scope of the invention described in the claims.

<110> SUNGSHIN R&DB FOUNDATION <120> Family VIII Carbixylesterase For High Purity (S)-Sec-Alcohol Preparation <130> MP21-0209 <160> 1 <170> KoPatentIn 3.0 <210> 1 <211> 426 <212> PRT <213> Unknown <220> <223> Proteobacteria bacterium SG_bin9 <400> 1 Met Lys Thr Ser Ala Lys Phe Leu Ser Phe Ala Val Ser Phe Val Leu 1 5 10 15 Leu Ile Ile Ala Ser Thr Ser Phe Ala Glu Gly Pro Val Thr Ala Thr 20 25 30 Lys Pro Lys Glu Ala Gly Phe Thr Ser Glu Gly Leu Ala Arg Ile Asp 35 40 45 Ala Tyr Leu Lys Asn Glu Ile Gln Ala Lys Thr Met Pro Gly Ala Val 50 55 60 Met Met Ile Lys Arg Asn Gly Glu Thr Ala Tyr Phe Ser Ser Phe Gly 65 70 75 80 Leu Arg Asp Pro Asp Thr Lys Glu Pro Met Thr Ala Glu Thr Ile Phe 85 90 95 Arg Ile Tyr Ser Met Ser Lys Pro Ile Thr Thr Val Ala Ala Met Met 100 105 110 Leu Val Glu Glu Gly Lys Leu Gln Leu Asp Glu Pro Val Ser Lys Tyr 115 120 125 Ile Pro Ser Phe Ala Asn Val Lys Val Gly Val Glu Thr Lys Gly Glu 130 135 140 Asn Gly Met Ala Leu Glu Thr Gly Pro Val Lys Arg Ala Ile Thr Ile 145 150 155 160 Gln Asp Leu Met Arg His Thr Ser Gly Ile Thr Tyr Gly Phe Val Gly 165 170 175 Asp Gly Leu Val Lys Lys Ala Tyr Ile Ala Ser Asn Leu Phe Asp Gly 180 185 190 Asp Phe Asp Asn Ala Glu Phe Ala Glu Arg Ile Ala Lys Leu Pro Leu 195 200 205 Val Tyr Gln Pro Gly Thr Thr Trp Asp Tyr Gly His Ser Thr Asp Ile 210 215 220 Leu Gly Arg Val Val Glu Val Val Ser Gly Lys Ser Leu Tyr Gln Phe 225 230 235 240 Glu Lys Glu Arg Leu Leu Asp Pro Leu Gly Met Lys Asp Thr Gly Phe 245 250 255 Tyr Val Thr Asp Pro Ala Lys Lys Ser Leu Val Ala Glu Ala Met Pro 260 265 270 Asn Asp Arg Lys Ile Gly Gly Ser Glu Met Phe Asp Pro Arg Val Gln 275 280 285 Lys Lys Trp Glu Pro Gly Gly Gln Gly Met Val Ser Thr Ile Gly Asp 290 295 300 Tyr Ala Arg Phe Thr Gln Met Val Leu Asn Gly Gly Thr Leu Asp Gly 305 310 315 320 Lys Arg Tyr Leu Ser Pro Lys Thr Ile Ala Tyr Met Gly Ser Asn His 325 330 335 Ile Pro Gln Ala Ser Gly Ile Val Pro Gly Ala Tyr Tyr Leu Pro Gly 340 345 350 Pro Gly Val Gly Phe Gly Leu Gly Phe Ala Val Arg Thr Glu Ala Gly 355 360 365 Val Thr Pro Val Glu Gly Ser Val Gly Asp Leu Ser Trp Gly Gly Ala 370 375 380 Gly Gly Thr Val Phe Trp Ile Asp Pro Lys Glu Asn Leu Thr Val Val 385 390 395 400 Phe Met Ala Pro Met Val Ser Pro Arg Ala Arg Val Trp Arg Thr Leu 405 410 415 Arg Asn Ile Val Tyr Gly Ala Phe Asp Arg 420 425 <110> SUNGSHIN R&DB FOUNDATION <120> Family VIII Carbixylesterases For High Purity (S)-Sec-Alcohol Preparation <130> MP21-0209 <160> 1 <170> KoPatentIn 3.0 <210> 1 <211> 426 <212> PRT <213> unknown <220> <223> Proteobacteria bacterium SG_bin9 <400> 1 Met Lys Thr Ser Ala Lys Phe Leu Ser Phe Ala Val Ser Phe Val Leu 1 5 10 15 Leu Ile Ile Ala Ser Thr Ser Phe Ala Glu Gly Pro Val Thr Ala Thr 20 25 30 Lys Pro Lys Glu Ala Gly Phe Thr Ser Glu Gly Leu Ala Arg Ile Asp 35 40 45 Ala Tyr Leu Lys Asn Glu Ile Gln Ala Lys Thr Met Pro Gly Ala Val 50 55 60 Met Met Ile Lys Arg Asn Gly Glu Thr Ala Tyr Phe Ser Ser Phe Gly 65 70 75 80 Leu Arg Asp Pro Asp Thr Lys Glu Pro Met Thr Ala Glu Thr Ile Phe 85 90 95 Arg Ile Tyr Ser Met Ser Lys Pro Ile Thr Thr Val Ala Ala Met Met 100 105 110 Leu Val Glu Glu Gly Lys Leu Gln Leu Asp Glu Pro Val Ser Lys Tyr 115 120 125 Ile Pro Ser Phe Ala Asn Val Lys Val Gly Val Glu Thr Lys Gly Glu 130 135 140 Asn Gly Met Ala Leu Glu Thr Gly Pro Val Lys Arg Ala Ile Thr Ile 145 150 155 160 Gln Asp Leu Met Arg His Thr Ser Gly Ile Thr Tyr Gly Phe Val Gly 165 170 175 Asp Gly Leu Val Lys Lys Ala Tyr Ile Ala Ser Asn Leu Phe Asp Gly 180 185 190 Asp Phe Asp Asn Ala Glu Phe Ala Glu Arg Ile Ala Lys Leu Pro Leu 195 200 205 Val Tyr Gln Pro Gly Thr Thr Trp Asp Tyr Gly His Ser Thr Asp Ile 210 215 220 Leu Gly Arg Val Val Glu Val Val Ser Gly Lys Ser Leu Tyr Gln Phe 225 230 235 240 Glu Lys Glu Arg Leu Leu Asp Pro Leu Gly Met Lys Asp Thr Gly Phe 245 250 255 Tyr Val Thr Asp Pro Ala Lys Lys Ser Leu Val Ala Glu Ala Met Pro 260 265 270 Asn Asp Arg Lys Ile Gly Gly Ser Glu Met Phe Asp Pro Arg Val Gln 275 280 285 Lys Lys Trp Glu Pro Gly Gly Gln Gly Met Val Ser Thr Ile Gly Asp 290 295 300 Tyr Ala Arg Phe Thr Gln Met Val Leu Asn Gly Gly Thr Leu Asp Gly 305 310 315 320 Lys Arg Tyr Leu Ser Pro Lys Thr Ile Ala Tyr Met Gly Ser Asn His 325 330 335 Ile Pro Gln Ala Ser Gly Ile Val Pro Gly Ala Tyr Tyr Leu Pro Gly 340 345 350 Pro Gly Val Gly Phe Gly Leu Gly Phe Ala Val Arg Thr Glu Ala Gly 355 360 365 Val Thr Pro Val Glu Gly Ser Val Gly Asp Leu Ser Trp Gly Gly Ala 370 375 380 Gly Gly Thr Val Phe Trp Ile Asp Pro Lys Glu Asn Leu Thr Val Val 385 390 395 400 Phe Met Ala Pro Met Val Ser Pro Arg Ala Arg Val Trp Arg Thr Leu 405 410 415 Arg Asn Ile Val Tyr Gly Ala Phe Asp Arg 420 425

Claims (9)

서열번호 1의 아미노산 서열에서 283번째 아미노산인 세린(Serine, S)이 아스파라긴산(Aspartic acid, D), 아스파라긴(Asparagine, N), 발린(Valine, V), 글루탐산(Glutamic acid, E), 글루타민(Glutamine, Q), 히스티딘(Histidine, H), 류신(Leucine, L), 이소류신(Isoleucine, I), 메티오닌(Methionine, M), 페닐알라닌(Phenylalanine, F), 티로신(Tyrosine, Y) 및 트립토판(Tryptophan, W)으로 구성된 아미노산 군으로부터 선택된 어느 하나의 아미노산으로 치환된 것을 특징으로 하는 패밀리 VIII 카르복실에스테라제의 변이체.
Serine (S), the 283rd amino acid in the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1, is aspartic acid (D), asparagine (N), valine (V), glutamic acid (E), glutamine ( Glutamine (Q), Histidine (H), Leucine (L), Isoleucine (I), Methionine (M), Phenylalanine (F), Tyrosine (Y) and Tryptophan , W) is a variant of family VIII carboxylesterase, characterized in that substituted with any one amino acid selected from the group consisting of amino acids.
제 1 항에 있어서 상기 패밀리 VIII 카르복실에스테라제의 변이체는 키랄 2차 알코올 에스테르(sec-alcohol ester)를 기질로 이용하여 (S)-2차 알코올(sec-alcohol)을 제조하는 것을 특징으로 하는 패밀리 VIII 카르복실에스테라제의 변이체.
The variant of claim 1, wherein the family VIII carboxylesterase variant uses a chiral secondary alcohol ester (sec-alcohol ester) as a substrate to produce (S) -secondary alcohol (sec-alcohol). A variant of a family VIII carboxylesterase that does.
제 2 항에 있어서, 상기 키랄 2차 알코올 에스테르는 (±)-2-butyl acetate, (±)-2-butyl butyrate, (±)-3-methyl-2-butyl acetate, (±)-3-methyl-2-butyl butyrate, (±)-2-pentyl acetate, (±)-2-pentyl butyrate, (±)-3-butyn-2-yl acetate, (±)-3-butyn-2-yl butyrate, (±)-1-phenylethyl acetate, (±)-1-phenylethyl butyrate, (±)-1-(4-chlorophenyl)ethyl acetate, (±)-1-(4-chlorophenyl)ethyl butyrate, (±)-1-phenyl-2-propyl acetate, (±)-1-phenyl-2-propyl butyrate, (±)-4-phenyl-2-butyl acetate 및 (±)-4-phenyl-2-butyl butyrate로 구성된 키랄 2차 알코올 에스테르군 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 패밀리 VIII 카르복실에스테라제의 변이체.
The method of claim 2, wherein the chiral secondary alcohol ester is (±)-2-butyl acetate, (±)-2-butyl butyrate, (±)-3-methyl-2-butyl acetate, (±)-3-butyl acetate, methyl-2-butyl butyrate, (±)-2-pentyl acetate, (±)-2-pentyl butyrate, (±)-3-butyn-2-yl acetate, (±)-3-butyn-2-yl butyrate , (±)-1-phenylethyl acetate, (±)-1-phenylethyl butyrate, (±)-1-(4-chlorophenyl)ethyl acetate, (±)-1-(4-chlorophenyl)ethyl butyrate, (±) -1-phenyl-2-propyl acetate, (±)-1-phenyl-2-propyl butyrate, (±)-4-phenyl-2-butyl acetate and (±)-4-phenyl-2-butyl butyrate A variant of the family VIII carboxylesterase, characterized in that it is any one of the chiral secondary alcohol ester group.
제 2 항에 있어서, 상기 패밀리 VIII 카르복실에스테라제의 변이체는 상기 키랄 2차 알코올 에스테르 기질에 대하여 (S)-입체선택성을 보이며 입체선택 비율(Enantiomeric ratio, E)이 39 내지 5500인 것을 특징으로 하는 패밀리 VIII 카르복실에스테라제의 변이체.
The method of claim 2, wherein the variant of the family VIII carboxylesterase shows (S)-stereoselectivity for the chiral secondary alcohol ester substrate and an enantiomeric ratio (E) of 39 to 5500. A variant of the family VIII carboxylesterase.
제 2 항에 있어서, 상기 패밀리 VIII 카르복실에스테라제의 변이체가 상기 키랄 2차 알코올 에스테르 기질을 가수분해하여 제조한 상기 (S)-2차 알코올은 순도가 90 내지 99.9%인 것을 특징으로 하는 패밀리 VIII 카르복실에스테라제의 변이체.
The method of claim 2, wherein the (S) -secondary alcohol prepared by hydrolyzing the chiral secondary alcohol ester substrate with the variant of the family VIII carboxylesterase has a purity of 90 to 99.9%. Variants of family VIII carboxylesterases.
청구항 1 항 내지 5 항 중 어느 한 항의 패밀리 VIII 카르복실에스테라제의 변이체를 코딩하는 폴리뉴클레오티드.
A polynucleotide encoding a variant of the family VIII carboxylesterase of any one of claims 1 to 5.
청구항 6 항의 폴리뉴클레오티드를 포함하는 벡터.
A vector comprising the polynucleotide of claim 6.
청구항 1 항 내지 5 항 중 어느 한 항의 패밀리 VIII 카르복실에스테라제의 변이체, 청구항 6 항의 폴리뉴클레오티드 및 청구항 7 항의 벡터 중 어느 하나 이상을 포함하여 패밀리 VIII 카르복실에스테라제의 변이체를 생산하는 미생물.
A microorganism producing a variant of Family VIII carboxylesterase, including any one or more of the variant of any one of claims 1 to 5, the polynucleotide of claim 6, and the vector of claim 7. .
청구항 1 항 내지 5 항 중 어느 한 항의 패밀리 VIII 카르복실에스테라제의 변이체, 청구항 6 항의 폴리뉴클레오티드 및 청구항 7 항의 벡터 중 어느 하나 이상을 포함하여 패밀리 VIII 카르복실에스테라제의 변이체를 생산하는 미생물을 배지에서 배양하는 단계; 및
상기 배양된 배지 또는 미생물에서 패밀리 VIII 카르복실에스테라제의 변이체를 회수하는 단계를 포함하는, 패밀리 VIII 카르복실에스테라제의 변이체의 생산 방법.
A microorganism producing a variant of Family VIII carboxylesterase, including any one or more of the variant of any one of claims 1 to 5, the polynucleotide of claim 6, and the vector of claim 7. culturing in a medium; and
A method for producing a variant of Family VIII carboxylesterase comprising the step of recovering the variant of Family VIII carboxylesterase from the cultured medium or microorganism.
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