KR20230155962A - Biosensor for detecting manganese - Google Patents

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KR20230155962A
KR20230155962A KR1020230050444A KR20230050444A KR20230155962A KR 20230155962 A KR20230155962 A KR 20230155962A KR 1020230050444 A KR1020230050444 A KR 1020230050444A KR 20230050444 A KR20230050444 A KR 20230050444A KR 20230155962 A KR20230155962 A KR 20230155962A
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mntr
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biosensor
recombinant
manganese
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KR1020230050444A
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윤영대
전양원
장규필
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건국대학교 산학협력단
전남대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 망간을 검출하기 위한 미생물 기반 바이오센서에 관한 것으로, 본 발명의 바이오리포터 미생물은 센싱 도메인으로서 MntR 또는 재조합 MntR을 이용하고 리포터 도메인으로서 리포터 유전자와 연결된 mntS 유전자의 프로모터를 포함함으로써 망간을 높은 표적 선택성 및 특이성으로 검출할 수 있고, mntP를 결실시킴으로써 망간에 대한 민감성을 향상시켰으므로, 이를 망간 특이적 검출용 바이오센서로 이용할 수 있다.The present invention relates to a microbial-based biosensor for detecting manganese. The bioreporter microorganism of the present invention uses MntR or recombinant MntR as a sensing domain and contains the promoter of the mntS gene linked to the reporter gene as a reporter domain, thereby producing high levels of manganese. It can be detected with target selectivity and specificity, and sensitivity to manganese has been improved by deleting mntP , so it can be used as a biosensor for manganese-specific detection.

Description

망간 검출용 바이오센서{BIOSENSOR FOR DETECTING MANGANESE}Biosensor for detecting manganese {BIOSENSOR FOR DETECTING MANGANESE}

본 발명은 망간을 검출하기 위한 미생물 기반 바이오센서에 관한 것이다.The present invention relates to a microbial-based biosensor for detecting manganese.

중금속은 자연계에 흔하게 존재하며, 생물체에 이중효과(dual effect)를 나타낸다 (C.H. Jang, L.L. Cheng, C.W. Olsen, N.L. Abbott, Nano Lett. 6 (2006) 1053.). 인간에게 있어 미량의 많은 중금속들은 신체의 조절 기능을 유지하는데 중요하지만, 인간의 장기에 중금속이 축척되는 경우에는 다양한 건강상의 문제를 일으킨다. 중금속은 분해되지 않고 생태계에 해로우므로, 그들의 존재를 모니터링하는 것은 인간의 건강에 있어 매우 중요하여 중금속 이온의 검출을 위한 센서는 의약분야, 수질분야, 공기분야, 식품분야 등 다양한 분야에서 그 중요성이 더욱 증대되고 있다. 중금속 이온은 생체 독성 및 병 유발에 인자로서 알려져 있으며, 특히 수용액 상의 중금속 이온은 세포 독성을 야기하게 되는데, 뇌 속의 아미로이드 섬유와 결합하게 되면 알츠하이머, 파킨슨병 등의 신경퇴행성 질병과 깊은 연관성이 있다. 따라서 대상 중금속 이온을 선택성 있고 낮은 농도까지 검출하는 것이 매우 중요하다.Heavy metals are commonly present in the natural world and have a dual effect on living organisms (C.H. Jang, L.L. Cheng, C.W. Olsen, N.L. Abbott, Nano Lett. 6 (2006) 1053.). For humans, trace amounts of many heavy metals are important in maintaining the body's regulatory functions, but when heavy metals accumulate in human organs, they cause various health problems. Since heavy metals do not decompose and are harmful to the ecosystem, monitoring their presence is very important for human health, so sensors for detecting heavy metal ions are important in various fields such as medicine, water quality, air, and food. It is increasing further. Heavy metal ions are known to be a factor in biotoxicity and disease-causing. In particular, heavy metal ions in aqueous solution cause cytotoxicity, and when combined with amyloid fibers in the brain, they are closely related to neurodegenerative diseases such as Alzheimer's and Parkinson's diseases. . Therefore, it is very important to detect target heavy metal ions selectively and at low concentrations.

현재 미량의 중금속 모니터링을 위한 측정 방법으로는 고체시료를 이용한 방사화분석법, 알파(α)선-스펙트로메트리 등이 있고, 액체시료를 이용한 형광분석법, 자외선 흡광광도법, ICP(Industively Coupled Plasma) 발광분광법, ICP 질량분석법 등이 있다. 최근 나노/바이오센서 개발의 증가로 우수한 검출 성능을 갖는 감지층의 개발과 활용을 위한 연구가 증대되고 있으며, 특히 선택적 특이 결합을 이용할 수 있어 고감도 검출이 가능한 광학 검출용 바이오센서를 개발하는 연구가 늘어나고 있다Currently, measurement methods for monitoring trace amounts of heavy metals include radioactivity analysis using solid samples and alpha (α)-ray-spectrometry, as well as fluorescence analysis using liquid samples, ultraviolet absorptiometry, and ICP (Industively Coupled Plasma) luminescence. These include spectroscopy and ICP mass spectrometry. Recently, with the increase in the development of nano/biosensors, research on the development and use of sensing layers with excellent detection performance is increasing. In particular, research on developing optical biosensors for high sensitivity detection that can utilize selective and specific binding is being conducted. It's increasing

바이오센서란 고정화된 생물학적 구성요소와 생화학적 신호를 정량화할 수 있는 전기적 신호로 전환해주는 변환기(transducer)로 이루어진 장치로서 다양한 환경 내에 있는 물질들을 저 농도에서 신속하고 정확하게 감지할 수 있는 분석기술이다. 바이오센서는 크게 단백질을 기초로 한 것과 세포를 기초로 한 방법으로 나누어지며, 생물학적 응용성과 선택성, 편리성 그리고 측정 감도 등의 관점에서 세포를 기초로 한 전세포 바이오센서(whole-cell biosensor)의 연구가 많이 이루어지고 있다. 전세포 바이오센서는 환경 오염물질로 인한 독성에 특이적으로 반응할 수 있는 프로모터와 β-갈락토시다제나 반딧불 루시퍼라제(firefly luciferase) 등의 리포터 시스템으로 구성된 유전공학적으로 변형된 재조합 세포를 이용하여 강, 호수, 및 상·하수원, 토양 등의 환경오염 측정에 응용될 수 있는 첨단 바이오 모니터링 기술이다. 종래 중금속을 검출하는 바이오센서의 경우, 중금속에 반응하는 프로모터 및 유전자부위를 발굴하고 이를 벡터에 삽입하여 형질전환한 숙주세포를 바이오센서로 사용하여 형질전환된 숙주세포를 바이오센서로 개발하는 형태의 연구가 수행되어 왔다.A biosensor is a device consisting of immobilized biological components and a transducer that converts biochemical signals into quantifiable electrical signals. It is an analysis technology that can quickly and accurately detect substances in various environments at low concentrations. Biosensors are largely divided into protein-based and cell-based methods. In terms of biological applicability, selectivity, convenience, and measurement sensitivity, cell-based whole-cell biosensors are used. A lot of research is being done. Whole-cell biosensors use genetically engineered recombinant cells composed of a promoter that can specifically respond to toxicity caused by environmental pollutants and a reporter system such as β-galactosidase or firefly luciferase. It is an advanced bio-monitoring technology that can be applied to measure environmental pollution in rivers, lakes, water and sewage sources, and soil. In the case of conventional biosensors that detect heavy metals, promoters and gene regions that respond to heavy metals are discovered, inserted into a vector, and the transformed host cells are used as biosensors to develop the transformed host cells into biosensors. Research has been conducted.

본 발명의 목적은 망간 검출용 미생물을 제조하기 위한 재조합 벡터를 제공하는 것이다.The purpose of the present invention is to provide a recombinant vector for producing microorganisms for detecting manganese.

또한, 본 발명의 목적은 망간 검출용 재조합 미생물을 제공하는 것이다.Additionally, an object of the present invention is to provide a recombinant microorganism for detecting manganese.

또한, 본 발명의 목적은 망간 검출용 바이오센서를 제공하는 것이다.Additionally, an object of the present invention is to provide a biosensor for detecting manganese.

또한, 본 발명의 목적은 망간 검출용 바이오센서의 제조 방법을 제공하는 것이다.Additionally, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a biosensor for detecting manganese.

또한, 본 발명의 목적은 망간 검출 방법을 제공하는 것이다.Additionally, an object of the present invention is to provide a method for detecting manganese.

아울러, 본 발명의 목적은 망간의 정량화 방법을 제공하는 것이다.Additionally, an object of the present invention is to provide a method for quantifying manganese.

상기 목적의 달성을 위해, 본 발명은 mntS 프로모터 영역 및 상기 프로모터 영역에 작동가능하도록 연결된 리포터 유전자를 포함하는 재조합 벡터를 제공한다.To achieve the above object, the present invention provides a recombinant vector comprising an mntS promoter region and a reporter gene operably linked to the promoter region.

또한, 본 발명은 상기 재조합 벡터로 형질전환된 재조합 미생물을 제공한다.Additionally, the present invention provides a recombinant microorganism transformed with the above recombinant vector.

또한, 본 발명은 상기 재조합 미생물을 포함하는 망간 검출용 바이오센서를 제공한다.Additionally, the present invention provides a biosensor for detecting manganese containing the above recombinant microorganism.

또한, 본 발명은 망간 검출용 바이오센서의 제조 방법을 제공한다.Additionally, the present invention provides a method for manufacturing a biosensor for detecting manganese.

또한, 본 발명은 시료 내 망간 검출 방법을 제공한다.Additionally, the present invention provides a method for detecting manganese in a sample.

아울러, 본 발명은 시료 내 망간의 정량화 방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method for quantifying manganese in a sample.

본 발명의 바이오리포터 미생물은 센싱 도메인으로서 MntR 또는 재조합 MntR을 이용하고 리포터 도메인으로서 리포터 유전자와 연결된 mntS 유전자의 프로모터를 포함함으로써 망간을 높은 표적 선택성 및 특이성으로 검출할 수 있고, mntP를 결실시킴으로써 망간에 대한 민감성을 향상시켰으므로, 이를 망간 특이적 검출용 바이오센서로 이용할 수 있다.The bioreporter microorganism of the present invention can detect manganese with high target selectivity and specificity by using MntR or recombinant MntR as a sensing domain and containing the promoter of the mntS gene linked to the reporter gene as a reporter domain, and deleting mntP to detect manganese. Since the sensitivity has been improved, it can be used as a biosensor for manganese-specific detection.

도 1은 E. coli의 mnt-오페론에 있는 mntS, mntP 및 mntH의 프로모터 영역 (A) 및 Mn(Ⅱ) 센싱 대장균 기반 바이오센서를 나타낸 모식도 (B)이다.
도 2는 센싱 플라스미드 pMntS-eGFP, pMntH-eGFP, pMntP-eGFP 및 pMntP-ribo-eGFPF를 각각 대장균에 형질전환하여 제작한 각 바이오센서들의 Mn(Ⅱ) 노출 후 리포터 유전자 발현 정도를 확인한 도이다:
pMntH-eGFP: pMntH-eGFP 벡터를 대장균에 형질전환하여 제작한 바이오센서;
pMntP-eGFP: pMntP-eGFP 벡터를 대장균에 형질전환하여 제작한 바이오센서;
pMntP-ribo-eGFPF: pMntP-ribo-eGFPF 벡터를 대장균에 형질전환하여 제작한 바이오센서; 및
pMntS-eGFP: pMntS-eGFP 벡터를 대장균에 형질전환하여 제작한 바이오센서.
도 3은 다양한 농도 (0.1 내지 10 μM)의 Mn(Ⅱ)에 다양한 시간 (0 내지 4시간) 노출한 E. coli_pMntS-eGFP 바이오센서의 반응을 나타낸 도이다.
도 4는 pMntS-eGFP를 포함하는 MntR 유전자가 결실된 대장균 세포 기반 바이오센서를 이용하여 MntR의 역할을 확인한 도이다:
BL21 WT mntS GFP: 야생형 대장균에 pMntS-eGFP를 도입한 바이오센서;
ΔmntR + pMntS-eGFP: mntR 결실 대장균에 pMntS-eGFP를 도입한 바이오센서; 및
ΔmntR + pMntS-eGFP + mntR: mntR 결실 대장균에 pMntS-eGFP 및 재조합 mntR을 도입한 바이오센서.
도 5는 pMntS-eGFP를 포함하는 MntR 유전자가 결실된 대장균 세포 기반 바이오센서를 이용하여 MntR의 역할을 확인한 도이다.
도 6은 mntP 유전자 결실된 E. coli를 이용하여 제작된 감도 개선된 E. coli 세포 기반 망간-검출용 바이오센서의 Mn(Ⅱ) 노출 후 리포터 유전자 발현 정도를 확인한 도이다.
도 7은 E. coli 세포 기반 망간-검출용 바이오센서의 Mn(Ⅱ)에 대한 선택성(selectivity)을 확인한 도이다.
Figure 1 is a schematic diagram showing the promoter regions of mntS, mntP, and mntH in the mnt-operon of E. coli (A) and the Mn(II) sensing E. coli-based biosensor (B).
Figure 2 is a diagram confirming the level of reporter gene expression after exposure to Mn(II) of each biosensor produced by transforming the sensing plasmids pMntS-eGFP, pMntH-eGFP, pMntP-eGFP, and pMntP-ribo-eGFPF into E. coli, respectively:
pMntH-eGFP: Biosensor produced by transforming the pMntH-eGFP vector into E. coli;
pMntP-eGFP: Biosensor produced by transforming the pMntP-eGFP vector into E. coli;
pMntP-ribo-eGFPF: Biosensor produced by transforming the pMntP-ribo-eGFPF vector into E. coli; and
pMntS-eGFP: A biosensor produced by transforming the pMntS-eGFP vector into E. coli.
Figure 3 shows the response of the E. coli _pMntS-eGFP biosensor exposed to various concentrations (0.1 to 10 μM) of Mn(II) for various times (0 to 4 hours).
Figure 4 is a diagram confirming the role of MntR using an E. coli cell-based biosensor with a deleted MntR gene including pMntS-eGFP:
BL21 WT mntS GFP: biosensor introducing pMntS-eGFP into wild-type E. coli;
ΔmntR + pMntS-eGFP: biosensor introducing pMntS-eGFP into mntR deletion E. coli; and
ΔmntR + pMntS-eGFP + mntR: Biosensor introducing pMntS-eGFP and recombinant mntR into mntR deletion E. coli.
Figure 5 is a diagram confirming the role of MntR using an E. coli cell-based biosensor with a deleted MntR gene including pMntS-eGFP.
Figure 6 shows an E. coli cell-based manganese-detection biosensor with improved sensitivity produced using E. coli with the mntP gene deleted. This diagram confirms the level of reporter gene expression after exposure to Mn(II).
Figure 7 is a diagram confirming the selectivity for Mn(II) of the E. coli cell-based manganese-detection biosensor.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구현예로 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 다만, 하기 구현예는 본 발명에 대한 예시로 제시되는 것으로, 당업자에게 주지 저명한 기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 수 있고, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않는다. 본 발명은 후술하는 특허청구범위의 기재 및 그로부터 해석되는 균등 범주 내에서 다양한 변형 및 응용이 가능하다. Hereinafter, the present invention will be described in detail through embodiments of the present invention with reference to the attached drawings. However, the following embodiments are provided as examples of the present invention, and if it is judged that a detailed description of a technology or configuration well known to those skilled in the art may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description may be omitted. , the present invention is not limited thereby. The present invention is capable of various modifications and applications within the description of the claims described below and the scope of equivalents interpreted therefrom.

또한, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.In addition, the terminology used in this specification is a term used to appropriately express preferred embodiments of the present invention, and may vary depending on the intention of the user or operator or the customs of the field to which the present invention belongs. Therefore, definitions of these terms should be made based on the content throughout this specification. Throughout the specification, when a part is said to “include” a certain element, this means that it may further include other elements rather than excluding other elements, unless specifically stated to the contrary.

본 발명에서 사용되는 모든 기술용어는, 달리 정의되지 않는 이상, 본 발명의 관련 분야에서 통상의 당업자가 일반적으로 이해하는 바와 같은 의미로 사용된다. 또한 본 명세서에는 바람직한 방법이나 시료가 기재되나, 이와 유사하거나 동등한 것들도 본 발명의 범주에 포함된다. 본 명세서에 참고문헌으로 기재되는 모든 간행물의 내용은 본 발명에 통합된다.All technical terms used in the present invention, unless otherwise defined, are used with the same meaning as commonly understood by a person skilled in the art in the field related to the present invention. In addition, preferred methods and samples are described in this specification, but similar or equivalent methods are also included in the scope of the present invention. The contents of all publications incorporated herein by reference are hereby incorporated by reference.

본 명세서 전반을 통하여, 천연적으로 존재하는 아미노산에 대한 통상의 1문자 및 3문자 코드가 사용될 뿐만 아니라 Aib(α-아미노이소부티르산), Sar(N-methylglycine) 등과 같은 다른 아미노산에 대해 일반적으로 허용되는 3문자 코드가 사용된다. 또한 본 발명에서 약어로 언급된 아미노산은 하기와 같이 IUPAC-IUB 명명법에 따라 기재되었다:Throughout this specification, the usual one- and three-letter codes for naturally occurring amino acids are used, as well as generally acceptable codes for other amino acids such as Aib (α-aminoisobutyric acid), Sar (N-methylglycine), etc. A three-character code is used. Additionally, amino acids referred to by abbreviations in the present invention are described according to the IUPAC-IUB nomenclature as follows:

알라닌: A, 아르기닌: R, 아스파라긴: N, 아스파르트산: D, 시스테인: C, 글루탐산: E, 글루타민: Q, 글리신: G, 히스티딘: H, 이소류신: I, 류신: L, 리신: K, 메티오닌: M, 페닐알라닌: F, 프롤린: P, 세린: S, 트레오닌: T, 트립토판: W, 티로신: Y 및 발린: V. Alanine: A, Arginine: R, Asparagine: N, Aspartic Acid: D, Cysteine: C, Glutamic Acid: E, Glutamine: Q, Glycine: G, Histidine: H, Isoleucine: I, Leucine: L, Lysine: K, Methionine : M, phenylalanine: F, proline: P, serine: S, threonine: T, tryptophan: W, tyrosine: Y and valine: V.

일 측면에서, 본 발명은 mnt-오페론의 mntS 프로모터 영역 및 상기 프로모터 영역에 작동가능하도록 연결된 리포터 유전자를 포함하는 재조합 벡터에 관한 것이다.In one aspect, the present invention relates to a recombinant vector comprising the mntS promoter region of the mnt-operon and a reporter gene operably linked to the promoter region.

일 구현예에서, 상기 재조합 벡터는 망간 검출용 바이오리포터 미생물 제조용일 수 있다.In one embodiment, the recombinant vector may be used to produce a bioreporter microorganism for manganese detection.

일 구현예에서, 상기 mntS 프로모터 영역은 서열번호 1의 핵산서열을 포함할 수 있다.In one embodiment, the mntS promoter region may include the nucleic acid sequence of SEQ ID NO: 1.

일 구현예에서, 리포터 유전자는 기질의 발색 또는 발광 반응을 촉매 하는 효소를 암호화하는 유전자, 항생제 내성 유전자 또는 형광 단백질을 암호화하는 유전자일 수 있으며, 기질의 발색반응을 촉매하는 효소는 호스래디쉬 퍼옥시다아제(horseradish peroxidase), 알칼리성 인산가수분해효소(alkaline phosphatase), 글루코시다아제(glucosidase), 베타-갈락토시다제(β-galactosidase, LacZ), 티로시나아제(tyrosinase) 및 GUS(β-glucuronidase) 중에서 선택된 어느 하나일 수 있고, 기질의 발광 반응을 촉매하는 효소는 루시퍼라아제일 수 있으며, 형광 단백질은 GFP(Green Fluorescent Protein), eGFP(enhanced green flouorescent protein), YFP(Yellow Fluorescent Protein), RFP(Red Fluorescent Protein) 및 에쿠오린(Aequorin) 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.In one embodiment, the reporter gene may be a gene encoding an enzyme that catalyzes a color reaction or luminescence reaction of a substrate, an antibiotic resistance gene, or a gene encoding a fluorescent protein, and the enzyme that catalyzes a color reaction of the substrate is horseradish fur. Horseradish peroxidase, alkaline phosphatase, glucosidase, β-galactosidase (LacZ), tyrosinase, and β-glucuronidase (GUS). The enzyme that catalyzes the luminescence reaction of the substrate may be luciferase, and the fluorescent protein may be GFP (Green Fluorescent Protein), eGFP (enhanced green fluorescent protein), YFP (Yellow Fluorescent Protein), or RFP ( It may be any one selected from Red Fluorescent Protein and Aequorin.

일 측면에서, 본 발명은 재조합 벡터로 형질전환된 재조합 미생물에 관한 것이다.In one aspect, the present invention relates to a recombinant microorganism transformed with a recombinant vector.

일 구현예에서, 상기 재조합 미생물은 망간 검출용 바이오리포터 미생물일 수 있다.In one embodiment, the recombinant microorganism may be a bioreporter microorganism for detecting manganese.

일 구현예에서, 본 발명의 재조합 미생물은 mntR, mntP, 또는 mntR mntP 유전자가 결실된 미생물일 수 있으며, mntP 유전자가 결실된 미생물인 것이 망간 검출 민감도가 높아져 더욱 바람직하다.In one embodiment, the recombinant microorganism of the present invention may be a microorganism with a deletion of the mntR , mntP , or mntR and mntP genes, and a microorganism with a deletion of the mntP gene is more preferable because the sensitivity for manganese detection increases.

일 구현예에서, 본 발명의 재조합 미생물은 mntR 유전자 또는 재조합 mntR 유전자를 포함하는 재조합 벡터로 추가로 형질전환될 수 있다.In one embodiment, the recombinant microorganism of the present invention may be further transformed with a recombinant vector containing an mntR gene or a recombinant mntR gene.

일 구현예에서, 상기 재조합 mntR 유전자는 야생형(Wild type) MntR에서 V19K, K73L, R77L 및 H135A로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 아미노산 치환을 포함하는 MntR 변이체를 암호화할 수 있으며, 야생형 MntR은 서열번호 2의 아미노산 서열을 포함할 수 있으며, 서열번호 3의 핵산 서열로 암호화될 수 있다.In one embodiment, the recombinant mntR gene may encode a MntR variant containing one or more amino acid substitutions selected from the group consisting of V19K, K73L, R77L, and H135A in wild type MntR, and the wild type MntR is SEQ ID NO: 2 and may be encoded with the nucleic acid sequence of SEQ ID NO: 3.

일 구현예에서, 상기 미생물은 대장균(Escherichia coli)일 수 있다. In one embodiment, the microorganism may be Escherichia coli.

일 구현예에서, 본 발명의 재조합 미생물은 중금속 이온(heavy metal(loid) ions) (As, Cd, Cr, Ni, Hg, Pb, Zn, Au, Sb, Fe, Co 및 Mn) 검출용일 수 있으며, 망간 이온 Mn(Ⅱ) 검출용인 것이 더욱 바람직하다.In one embodiment, the recombinant microorganism of the present invention may be used to detect heavy metal(loid) ions (As, Cd, Cr, Ni, Hg, Pb, Zn, Au, Sb, Fe, Co and Mn), , It is more preferable that it is for detecting manganese ion Mn(II).

본 발명의 mntR 유전자의 프로모터는 Mn(Ⅱ) 반응성 오페론의 프로모터이며, Mn(Ⅱ) 반응성 오페론의 프로모터 영역인 mntS 유전자의 프로모터는 Mn(Ⅱ) 반응성 오페론의 조절 단백질인 MntR의 결합 부위를 갖는다. Mn(Ⅱ) 반응성 오페론의 조절단백질인 MntR은 Mn(Ⅱ)의 존재 하에 Mn(Ⅱ) 유입자(importer)인 mntH의 전사를 억제하고 배출자(exporter)인 mntP를 활성화하는 등 MntH, MntS (Mn(Ⅱ) 유입자) 및 MntP를 조절함으로써 망간 항상성을 조절한다. 프로모터 영역은 프로모터(조절자 결합 부위), 오퍼레이터 및 그 사이의 유전자들을 포함하는 영역을 의미한다. Mn(Ⅱ) 반응성 오페론은 다양한 박테리아 종에 존재하는 것인 바, 프로모터 영역의 유전자 서열은 특별히 한정되지 않고 Mn(Ⅱ) 반응성 오페론을 갖는 다양한 박테리아로부터 유래한 것일 수 있다. 구체적인 예로는 헬리코박터 파이로리(Helicobacter pylori), 마이코박테리움 투버쿨로시스(Mycobacterium tuberculosis), 스타필로코커스 아우레우스(Staphylococcus aureus), 에세리키아 콜라이(Escherichia coli), 살모넬라 엔테리카(Salmonella enteric), 아시네토박터 바우메니(Acinetobacter baumannii) 등의 박테리아 유래 서열을 사용할 수 있다. 이들은 NCBI protein database에 등록된 서열을 갖는 것일 수 있다. The promoter of the mntR gene of the present invention is the promoter of the Mn(II)-responsive operon, and the promoter of the mntS gene, which is the promoter region of the Mn(II)-responsive operon, has a binding site for MntR, a regulatory protein of the Mn(II)-responsive operon. MntR, a regulatory protein of the Mn(Ⅱ)-responsive operon, represses the transcription of mntH , a Mn(Ⅱ) importer, and activates mntP , an exporter, in the presence of Mn(Ⅱ). (Ⅱ) regulates manganese homeostasis by regulating importer) and MntP. The promoter region refers to a region containing a promoter (regulator binding site), an operator, and genes in between. Since the Mn(II)-responsive operon exists in various bacterial species, the gene sequence of the promoter region is not particularly limited and may be derived from various bacteria having the Mn(II)-responsive operon. Specific examples include Helicobacter pylori, Mycobacterium tuberculosis, Staphylococcus aureus, Escherichia coli, Salmonella enteric, Sequences derived from bacteria such as Acinetobacter baumannii can be used. These may have sequences registered in the NCBI protein database.

리포터 유전자는 상기 프로모터 영역에 작동가능하도록 연결된 것으로서(구조 유전자에 해당), 금속 이온, 특히 망간의 존재하에 MntR 단백질 또는 재조합 MntR 단백질이 프로모터 영역으로부터 분리되면 전사되어 리포터 단백질이 발현/생성된다. 리포터 단백질은 그 생성 정도를 용이하게 확인할 수 있는 것이라면 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면 형광 단백질일 수 있다. The reporter gene is operably linked to the promoter region (corresponding to a structural gene), and when the MntR protein or recombinant MntR protein is separated from the promoter region in the presence of metal ions, especially manganese, it is transcribed and the reporter protein is expressed/produced. The reporter protein is not particularly limited as long as the level of its production can be easily confirmed, and may be, for example, a fluorescent protein.

본 발명에서는 특정 아미노산이 치환된 재조합 MntR 단백질을 바이오센서에 도입함으로써 망간 선택성이 현저히 개선되었다.In the present invention, manganese selectivity was significantly improved by introducing a recombinant MntR protein with a specific amino acid substitution into the biosensor.

본 발명에서 용어, "미생물"은 액체 배지 중에서 배양될 수 있는 세포일 수 있다. 상기 미생물은 원핵 세포, 진핵 세포, 또는 분리된 동물세포로 액체 배지에서 배양될 수 있는 것일 수 있다. 상기 미생물은 예를 들면, 박테리아, 곰팡이, 또는 이들의 조합일 수 있다. 박테리아는 그람 양성 박테리아, 그람 음성 박테리아, 또는 이들의 조합일 수 있다. 그람 음성 박테리아는 에세리키아 (Escherichia) 속일 수 있다. 그람 양성 박테리아는 바실러스 속, 코리네박테리움 속, 유산균 또는 이들의 조합일 수 있다. 곰팡이는 효모, 클루베로마이세스, 또는 이들의 조합일 수 있다. 에세리키아 속 미생물은 예를 들면, 대장균일 수 있다. 상기 대장균은 DH5α, MG1655, BL21(DE), S17-1, XL1-Blue, BW25113 또는 이들의 조합일 수 있다.In the present invention, the term “microorganism” may be a cell that can be cultured in a liquid medium. The microorganism may be a prokaryotic cell, a eukaryotic cell, or an isolated animal cell that can be cultured in a liquid medium. The microorganism may be, for example, bacteria, mold, or a combination thereof. The bacteria may be gram-positive bacteria, gram-negative bacteria, or combinations thereof. Gram-negative bacteria may be of the genus Escherichia. The gram-positive bacteria may be of the genus Bacillus, Corynebacterium, Lactobacillus, or a combination thereof. The mold may be yeast, Kluveromyces, or a combination thereof. The microorganism of the Escherichia genus may be, for example, Escherichia coli. The E. coli may be DH5α, MG1655, BL21(DE), S17-1, XL1-Blue, BW25113, or a combination thereof.

본 발명자들은 재조합 벡터로 pET21a(Bacterial expression vector with T7lac promoter, adds N-terminal T7 epitope tag and C-terminal His tag), pCDFDuet-1(The vector encodes two multiple cloning sites (MCS) each of which is preceded by a T7 promoter, lac operator, and ribosome binding site (rbs). The vector also carries the pCloDF13 replicon, lacI gene and streptomycin/spectinomycin resistance marker.)를 사용하였으나, 이에 제한되는 것은 아니고 당 분야에 공지된 발현 벡터가 제한 없이 사용될 수 있다. 바람직하게는 재조합 벡터로는 서로 다른 항생제 저항성 유전자를 가지는 것을 사용할 수 있다. 그러한 경우에, 미생물 내로 2개의 재조합 벡터가 도입된 것을 쉽게 확인할 수 있다.The present inventors used recombinant vectors pET21a (Bacterial expression vector with T7lac promoter, adds N-terminal T7 epitope tag and C-terminal His tag), pCDFDuet-1 (The vector encodes two multiple cloning sites (MCS) each of which is preceded by a T7 promoter, lac operator, and ribosome binding site (rbs). The vector also carries the pCloDF13 replicon, lacI gene and streptomycin/spectinomycin resistance marker.) was used, but is not limited to this, and expression vectors known in the art are used. It can be used without restrictions. Preferably, recombinant vectors having different antibiotic resistance genes can be used. In such a case, it is easy to confirm that two recombinant vectors have been introduced into the microorganism.

본 발명의 미생물은 망간에 반응하여 리포터 단백질의 발현이 증가하게 되므로 망간 검출용으로 사용될 수 있고, 보다 바람직하게는 시료 내 망간을 검출하고, 이를 정량화하는데 사용될 수 있다.Since the microorganism of the present invention increases the expression of a reporter protein in response to manganese, it can be used to detect manganese, and more preferably, can be used to detect and quantify manganese in a sample.

일 측면에서, 본 발명은 본 발명의 재조합 미생물을 포함하는 망간 검출용 바이오센서에 관한 것이다.In one aspect, the present invention relates to a biosensor for detecting manganese comprising the recombinant microorganism of the present invention.

일 구현예에서, 본 발명의 바이오센서의 검출 한계는 0.01 내지 10μM일 수 있다.In one embodiment, the detection limit of the biosensor of the present invention may be 0.01 to 10 μM.

일 측면에서, 본 발명은 본 발명의 재조합 벡터를 미생물에 형질전환시키는 단계를 포함하는 망간 검출용 바이오센서의 제조 방법에 관한 것이다.In one aspect, the present invention relates to a method for producing a biosensor for detecting manganese, comprising the step of transforming a microorganism with the recombinant vector of the present invention.

일 구현예에서, 상기 형질전환시키는 단계 이전에 미생물에서 mntR 또는 mntP 유전자를 결실시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다.In one embodiment, the step of deleting the mntR or mntP gene in the microorganism may be further included before the transformation step.

일 구현예에서, 상기 방법은 mntR 유전자 또는 재조합 mntR 유전자를 포함하는 재조합 벡터로 형질전환시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다.In one embodiment, the method may further include the step of transformation with a recombinant vector containing the mntR gene or a recombinant mntR gene.

일 구현예에서, 상기 재조합 mntR 유전자는 야생형 MntR에서 V19K, K73L, R77L 및 H135A로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 아미노산 치환을 포함하는 MntR 변이체를 암호화할 수 있다.In one embodiment, the recombinant mntR gene may encode an MntR variant comprising one or more amino acid substitutions selected from the group consisting of V19K, K73L, R77L, and H135A in wild-type MntR.

일 측면에서, 본 발명은 1) 피검 시료를 본 발명의 바이오센서에 노출시키는 단계; 및 2) 상기 단계 1)의 바이오센서에서 리포터 유전자의 발현 변화를 대조군과 비교하는 단계를 포함하는 시료 내 망간 검출 방법에 관한 것이다.In one aspect, the present invention includes the steps of 1) exposing a test sample to the biosensor of the present invention; and 2) comparing the expression change of the reporter gene in the biosensor of step 1) with the control group.

일 구현예에서, 상기 리포터 유전자의 발현 수준을 리포터 단백질의 신호 세기로 확인할 수 있다.In one embodiment, the expression level of the reporter gene can be confirmed by the signal intensity of the reporter protein.

일 구현예에서, 상기 시료는 물 시료, 토양 시료 또는 토양 침출수 시료일 수 있다.In one embodiment, the sample may be a water sample, a soil sample, or a soil leachate sample.

일 측면에서, 본 발명은 1) 본 발명의 바이오센서에서 망간의 농도에 따른 리포터 유전자의 발현을 확인하여 정량 검정선을 얻는 단계; 2) 피검 시료를 바이오센서에 노출시키는 단계; 및 3) 리포터 유전자의 발현 수준을 상기 검정 곡선에 대입하는 단계를 포함하는 시료 내 망간의 정량화 방법에 관한 것이다.In one aspect, the present invention includes the following steps: 1) confirming the expression of a reporter gene according to the concentration of manganese in the biosensor of the present invention to obtain a quantitative calibration line; 2) exposing the test sample to the biosensor; and 3) substituting the expression level of the reporter gene into the calibration curve.

일 구현예에서, 리포터 유전자는 egfp 유전자일 수 있으며, 리포터 유전자의 발현은 하기 수학식 1로 표시되는 유도 계수로서 나타낼 수 있다:In one embodiment, the reporter gene may be an egfp gene, and expression of the reporter gene may be expressed as an induction coefficient represented by Equation 1 below:

[수학식 1][Equation 1]

. .

일 구현예에서, 시료를 바이오리포터 미생물에 처리하는 조건은 OD 600값 0.2 내지 0.6인 밀도의 미생물을 포함하는 바이오센서에 Mn(Ⅱ)을 1 내지 4시간 동안 노출시키는 것일 수 있다.In one embodiment, conditions for treating a sample with a bioreporter microorganism may be exposing Mn(II) to a biosensor containing microorganisms at a density of OD 600 of 0.2 to 0.6 for 1 to 4 hours.

하기의 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 내용을 구체화하기 위한 것일 뿐 이에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다. The present invention will be described in more detail through the following examples. However, the following examples are only for illustrating the content of the present invention and are not intended to limit the present invention.

실시예 1. 센싱 플라스미드 제작Example 1. Production of sensing plasmid

E. coli의 mnt-오페론에 있는 mntS, mntP 및 mntH의 프로모터 영역(regions)이 망간(Mn) 항상성과 연관되어 있으며, 그들의 전사 레벨은 내인성(endogenous) Mn(Ⅱ)에 의해 통제되므로, 이들 프로모터 영역들을 리포터 유전자로서 egfp와 융합하여(fused) pMntS-eGFP, pMntH-eGFP 및 pMntP-eGFP 플라스미드를 제작하였으며, PmntP 및 mntP 사이의 라이보스위치(riboswitch) 영역이 mntP의 전사와 관련된 것이 알려졌기 때문에 pMntP-ribo-eGFP 플라스미드 (mntP-riboswitch:egfp)도 추가로 제작하였다 (표 1). 구체적으로, E. coli BL21의 유전체 DNA로 부터 mntS 유전자의 프로모터 영역(PmntS) (서열번호 1), mntP 유전자의 프로모터 영역(PmntP) 및 mntH 유전자의 프로모터 영역(PmntH)을 중합효소 연쇄반응(polymerase chain reaction)으로 증폭하여 pET21-eGFP의 BglII 및 XbaI 제한 위치로 삽입하고, 프로모터 영역 및 형광 단백질 유전자를 포함하는 플라스미드들을 pMntS-eGFP, pMntH-eGF, pMntP-eGFP 및 pMntP-ribo-eGFP라 명명하였다 (도 1). 제작된 모든 플라스미드들은 DNA 시퀀싱으로 확인되었다. The promoter regions of mntS, mntP, and mntH in the mnt-operon of E. coli are associated with manganese (Mn) homeostasis, and their transcription levels are controlled by endogenous Mn(II). The regions were fused with egfp as a reporter gene to create pMntS-eGFP, pMntH-eGFP, and pMntP-eGFP plasmids. Since it is known that the riboswitch region between PmntP and mntP is involved in the transcription of mntP, The pMntP-ribo-eGFP plasmid (mntP-riboswitch:egfp) was also produced (Table 1). Specifically, the promoter region of the mntS gene (P mntS ) (SEQ ID NO: 1), the promoter region of the mntP gene (P mntP ), and the promoter region of the mntH gene (P mntH ) were extracted from the genomic DNA of E. coli BL21 through polymerase chain reaction. Amplified by polymerase chain reaction and inserted into the BglII and It was named (Figure 1). All constructed plasmids were confirmed by DNA sequencing.

실시예 2. Example 2. E. coliE. coli 세포 기반 망간-검출용 바이오센서 제작 Fabrication of cell-based manganese-detection biosensor

2-1. 대장균 기반 바이오 센서 제작 및 망간 센싱 특성 확인2-1. Fabrication of E. coli-based biosensor and confirmation of manganese sensing characteristics

상기 실시예 1에서 제작한 센싱 플라스미드 pMntS-eGFP, pMntH-eGFP, pMntP-eGFP 및 pMntP-ribo-eGFP을 E. coli BL21 WT 균주에 각각 형질전환(형질도입)하여 E. coli 세포 기반 망간-검출용 바이오센서들을 제작하였다. 제작한 바이오센서들을 하룻밤 동안 배양하고, 새 LB(Luria-Bertani) 배양액에 접종하였다. 세포들을 600 nm에서의 광학적 밀도 (OD600)가 0.3에 도달할 때까지 배양한 후, 세포들을 0 내지 100 μM의 Mn(Ⅱ)에 노출하였으며, 2시간 후 세포들을 160 mM HCl 을 포함하는 50 mM Tris buffer (pH 7.4)에 재부유하여 LB를 제거한 뒤, 녹색 형광 단백질의 발현 수준을 1nm 대역폭 필터가 장착된 형광 분광 광도계 (FluoroMate FS-2, Scinco, Seoul, South Korea)로 여기/방출(excitation/emission) 480 nm/520 nm파장에서 측정하고, 각 바이오센서의 형광 강도의 변화를 하기 수학식 1을 이용하여 유도 계수 값으로 변환하였다.The sensing plasmids pMntS-eGFP, pMntH-eGFP, pMntP-eGFP, and pMntP-ribo-eGFP prepared in Example 1 were each transformed into E. coli BL21 WT strain to perform E. coli cell-based manganese-detection. Biosensors were manufactured. The fabricated biosensors were cultured overnight and inoculated into new LB (Luria-Bertani) culture medium. After culturing the cells until the optical density at 600 nm (OD 600 ) reached 0.3, the cells were exposed to 0 to 100 μM Mn(II), and after 2 hours, the cells were incubated in 50 μM HCl containing 160 mM HCl. After removing LB by resuspending in mM Tris buffer (pH 7.4), the expression level of green fluorescent protein was measured by excitation/emission using a fluorescence spectrophotometer (FluoroMate FS-2, Scinco, Seoul, South Korea) equipped with a 1 nm bandwidth filter. excitation/emission) was measured at a wavelength of 480 nm/520 nm, and the change in fluorescence intensity of each biosensor was converted to an induction coefficient value using Equation 1 below.

그 결과, E. coli_pMntS-eGFP 바이오센서를 제외하고는, Mn(Ⅱ) 노출 후에 유의미한 발현 수준 변화를 보이지 않았다 (도 2). E. coli_pMntH-eGFP 바이오센서는 100μM의 Mn(Ⅱ) 노출 후에도 리포터 유전자가 발현 유도되지 않았으며 (도 2A), E. coli_pMntP-eGFP 바이오센서 및 E. coli_pMntP-ribo-eGFP 바이오센서는 Mn(Ⅱ) 농도와 상관없이 리포터 유전자를 발현 유도하였다 (도 2B 및 C). 반면, E. coli_pMntS-eGFP 바이오센서는 Mn(Ⅱ) 노출시 eGFP 신호 감소를 나타냈다 (도 2D). 추가적으로, 프로모터 없는 eGFP를 형질전환한 E. coli가 음성대조군으로 시험되었으며 아무런 형광도 관찰되지 않았다 (데이터 미도시). As a result, except for the E. coli _pMntS-eGFP biosensor, no significant expression level change was observed after Mn(II) exposure (Figure 2). In the E. coli _pMntH-eGFP biosensor, reporter gene expression was not induced even after exposure to 100 μM Mn(II) (Figure 2A), and in the E. coli _pMntP-eGFP biosensor and E. coli _pMntP-ribo-eGFP biosensor, Expression of the reporter gene was induced regardless of Mn(II) concentration (Figures 2B and C). On the other hand, the E. coli _pMntS-eGFP biosensor showed a decrease in eGFP signal upon Mn(II) exposure (Figure 2D). Additionally, E. coli transformed with promoterless eGFP was tested as a negative control, and no fluorescence was observed (data not shown).

2-2. 바이오센서의 Mn(Ⅱ) 검출능 확인2-2. Confirmation of Mn(Ⅱ) detection ability of biosensor

바이오센서의 망간 반응 분석 조건을 최적화하기 위해, 상기 실시예에서 제작한 상기 대장균 세포-기반 바이오센서 E. coli_pMntS-eGFP를 다양한 농도 (0.1 내지 10 μM)의 Mn(Ⅱ)에 0 내지 4시간 동안 노출한 뒤 Mn(Ⅱ)에 대한 반응을 유도 계수 값으로 변환하고, 이의 분석 조건을 최적화하였다. In order to optimize the conditions for manganese reaction analysis of the biosensor, the E. coli cell-based biosensor E. coli _pMntS-eGFP produced in the above example was exposed to various concentrations (0.1 to 10 μM) of Mn(II) for 0 to 4 hours. After exposure for a period of time, the response to Mn(II) was converted to an induction coefficient value, and its analysis conditions were optimized.

그 결과, Mn(Ⅱ)농도에 따라 노출 1시간 후 형광 강도가 증가했으며, 2시간 후 0.5 및 1 μM Mn(Ⅱ) 에서 유의미한 변화가 관찰되었다 (도 3). 또한, Mn(Ⅱ) 바이오센서는 0.05 및 0.1 μM의 Mn(Ⅱ)을 감지하는 능력을 나타냈다 (도 3).As a result, the fluorescence intensity increased 1 hour after exposure depending on the Mn(II) concentration, and significant changes were observed at 0.5 and 1 μM Mn(II) after 2 hours (Figure 3). Additionally, the Mn(II) biosensor showed the ability to detect 0.05 and 0.1 μM of Mn(II) (Figure 3).

실시예 3. MntR 역할 확인Example 3. Confirmation of MntR role

3-1. MntR 발현 플라스미드 제작3-1. Construction of MntR expression plasmid

MntR 야생형, 및 부위 특이적 돌연변이(site-directed mutagenesis)로 점 돌연변이를 유도한 재조합 MntR들 (V19K, K73L, R77L 및 H135A)을 각각 암호화하는 유전자를 각각 유전체 DNA로부터 증폭하고, pCDF-Duet의 NdeI 및 XhoI제한 위치로 삽입하여 pCDF-MntR WT, pCDF-MntR V19K, pCDF-MntR K73L, pCDF-MntR R77L 및 pCDF-MntR H135A을 제작하였다 (도 1B).Genes encoding wild-type MntR and recombinant MntRs (V19K, K73L, R77L, and H135A) in which point mutations were induced by site-directed mutagenesis were amplified from genomic DNA, respectively, and NdeI of pCDF-Duet and insertion into the

3-2. MntR 유전자 결실 대장균 제작3-2. Production of MntR gene deletion E. coli

E. coli BL21에서 MntR을 암호화하는 내인성 유전자인 mntR을 Quick and Easy E. coli Gene Deletion Kit를 사용해 결실시켰다. 구체적으로, 목표 유전자를 갖고 있는 FRT(FLP recognition target)-flanked PGK-gb2-neo 카세트를 증폭하고, 재조합효소를 암호화하는 유전자를 가진 pRedET 플라스미드를 포함하는 E. coli BL21(DE3)에 도입하여 mntR의 전체 ORF(open reading fram)를 교체하였다. 10% 아라비노즈 수용액을 추가해 목표 유전자를 카나마이신 저항성 유전자 (kan)로 교체하고, 단일 결실 E. coli에서 kan 유전자를 결실시켜 mntR -유전자-결실된 E. coli 균주 (E. coli-mntR)를 생성하였다. mntR의 삭제를 PCR로 확인하였다. mntR , an endogenous gene encoding MntR, was deleted in E. coli BL21 using the Quick and Easy E. coli Gene Deletion Kit. Specifically, the FRT (FLP recognition target)-flanked PGK-gb2-neo cassette containing the target gene was amplified and introduced into E. coli BL21(DE3) containing the pRedET plasmid containing the gene encoding the recombinase to generate mntR. The entire ORF (open reading frame) was replaced. Add a 10% arabinose solution to replace the target gene with a kanamycin resistance gene ( kan ), and delete the kan gene in single deletion E. coli to create an mntR -gene-deleted E. coli strain ( E. coli-mntR ). did. Deletion of mntR was confirmed by PCR.

3-3. MntR 유전자 결실 3-3. MntR gene deletion E. coliE. coli 세포 기반의 바이오센서 제작 및 확인 Production and verification of cell-based biosensors

PmntS 통제하의 리포터 유전자 발현을 MntR가 조절하는지 확인하기 위해, MntR 유전자가 결실된 E. coli 균주를 바이오센서의 호스트 세포로 사용하여 제작한 바이오센서를 제작하고 이를 확인하였다. 구체적으로, 상기 실시예 3-2에서 제작한 mntR-결실된 E. coli를 호스트 균주로 이용하여 리포터 유전자로 egfp를 포함하는 센싱 플라스미드인 pMntS-eGFP와 상기 실시예 3-1에서 제작한 pCDF-MntR 플라스미드를 각각 E. coli WT 및 E. coli-mntR (mntR 결실된 대장균)에 형질도입(transformed)하여, E. coli 세포 기반의 바이오센서로서 E. coli WT_pMntS-eGFP, E. coli mntR_pMntS-eGFP 및 E. coli-mntR_pMntS-eGFP/pCDF-MntR을 제작하였다. 상기 실시예 2-1에서와 같이 제작한 바이오센서를 0-10 μM의 Mn(Ⅱ)에 노출시키고, 바이오센서의 형광을 육안으로 확인하였으며, 각 바이오센서의 eGFP 신호의 변화를 유도 계수 값으로 변환하여 확인하였다.To confirm whether MntR regulates reporter gene expression under the control of P mntS , a biosensor was constructed and confirmed using an E. coli strain with the MntR gene deleted as a host cell for the biosensor. Specifically, using the mntR -deleted E. coli produced in Example 3-2 as a host strain, pMntS-eGFP, a sensing plasmid containing egfp as a reporter gene, and pCDF- produced in Example 3-1 were used. The MntR plasmid was transformed into E. coli WT and E. coli - mntR (E. coli with mntR deleted), respectively, to produce E. coli WT_pMntS-eGFP and E. coli mntR_pMntS-eGFP as E. coli cell-based biosensors. and E. coli -mntR_pMntS-eGFP/pCDF-MntR were produced. The biosensor manufactured as in Example 2-1 was exposed to 0-10 μM of Mn(II), the fluorescence of the biosensor was visually confirmed, and the change in the eGFP signal of each biosensor was calculated as the induction coefficient value. Confirmed by conversion.

그 결과, MntR의 존재 때문에 pMntS-eGFP을 도입한 E. coli WT (E. coli WT_pMntS-eGFP)은 자외선 빛 아래에서 약한 녹색 신호를 나타냈으나 (도 4A), MntR의 결실에 의해 녹색 신호가 현저히 증가하였다 (도 4B). 또한, 이 녹색 신호는 재조합 MntR이 도입되었을 때 다시 감소하는 것으로 나타났다 (도 4C). 따라서, mntS 프로모터 하의 egfp의 전사가 MntR에 의해 조절되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, E. coli WT_pMntS-eGFP 및 E. coli-mntR_pMntS-eGFP/pCDF-MntR 바이오센서의 eGFP 신호를 유도 계수 값으로 표시한 결과, 야생형(WT) E. coli에 기반한 바이오센서는 eGFP 신호에 차이를 나타냈으나, MntR 이 결실된 E. coli에 기반한 바이오센서는 Mn(Ⅱ) 노출에 반응하지 않았으며 (도 5A 및 B), 이는 재조합 MntR 도입에 의해 회복되었다 (도 5C). 이는 추가 도 1에 보여진 결과와 부합하는 것이며 MntR이 MntS 발현에 역할을 한다는 또 다른 증거이다. As a result, E. coli WT ( E. coli WT_pMntS-eGFP) into which pMntS-eGFP was introduced due to the presence of MntR showed a weak green signal under ultraviolet light (Figure 4A), but the green signal was reduced by deletion of MntR. increased significantly (Figure 4B). Additionally, this green signal appeared to decrease again when recombinant MntR was introduced (Figure 4C). Therefore, it was confirmed that transcription of egfp under the mntS promoter was regulated by MntR. In addition, as a result of expressing the eGFP signals of the E. coli WT_pMntS-eGFP and E. coli -mntR_pMntS-eGFP/pCDF-MntR biosensors as induction coefficient values, the biosensors based on wild type (WT) E. coli showed no difference in the eGFP signal. However, the biosensor based on E. coli with MntR deleted did not respond to Mn(II) exposure (Figures 5A and B), which was recovered by introduction of recombinant MntR (Figure 5C). This is consistent with the results shown in Supplementary Figure 1 and is further evidence that MntR plays a role in MntS expression.

실시예 4. 감도 개선된 Example 4. Improved sensitivity E. coliE. coli 세포 기반 망간-검출용 바이오센서 제작 Fabrication of cell-based manganese-detection biosensor

pMntS-eGFP 바이오센서가 Mn(Ⅱ) 농도 의존적인 신호를 보였으나, Mn(Ⅱ)에 대한 민감도(Sensitivity)는 충분하지 않아, Mn(Ⅱ)에 대한 민감성을 증진(개선)한 바이오센서를 제작하기 위해, mntP 유전자 결실된 E. coli를 호스트 균주로 이용하여 감도가 개선된 망간-검출용 바이오센서를 제작하였다. 구체적으로, mntP 유전자 결실된 E. coli를 제작하기 위해, FRT(FLP recognition target)-flanked PGK-gb2-neo 카세트를 증폭하고, 재조합효소를 암호화하는 유전자를 가진 pRedET 플라스미드를 포함하는 E. coli BL21(DE3)에 도입하여 mntPmntR의 전체 ORF(open reading fram)를 교체하였다. 10% 아라비노즈 수용액을 추가해 목표 유전자들을 카나마이신 저항성 유전자 (kan)로 교체하고, 단일 결실 E. coli에서 kan 유전자를 결실시킨 후, 동일한 절차를 반복하여 이중-유전자-삭제된 E. coli 균주 (E. coli-mntR/mntP)를 생성하였다. mntR, mntPmntR/mntP의 삭제를 PCR로 확인하였으며, 유전자-결실된 E. coli 균주들은 각각 E. coli-mntR, E. coli-mntPE. coli-mntR/mntP라 명명하고, 센싱 플라스미드인 pMntS-eGFP와 상기 실시예 3-1에서 제작한 pCDF-MntR 플라스미드를 각각의 균주에 형질도입하여 각 바이오센서를 제작하고, 0 내지 5 μM의 Mn(Ⅱ)에 2시간 동안 노출한 뒤, 유도 계수 값을 확인하였다.Although the pMntS-eGFP biosensor showed a Mn(Ⅱ) concentration-dependent signal, the sensitivity to Mn(Ⅱ) was not sufficient, so a biosensor with enhanced (improved) sensitivity to Mn(Ⅱ) was manufactured. To this end, a biosensor for manganese detection with improved sensitivity was manufactured using E. coli with the mntP gene deleted as a host strain. Specifically, to construct E. coli with the mntP gene deleted, the FRT (FLP recognition target)-flanked PGK-gb2-neo cassette was amplified, and E. coli BL21 containing the pRedET plasmid with the gene encoding the recombinase was generated. (DE3) to replace the entire open reading frame (ORF) of mntP and mntR . Add 10% arabinose solution to replace the target genes with the kanamycin resistance gene ( kan ), delete the kan gene in the single-deletion E. coli , and repeat the same procedure in the double-gene-deleted E. coli strain ( E coli-mntR/mntP ) was generated. Deletion of mntR, mntP, and mntR/mntP was confirmed by PCR, and the gene-deleted E. coli strains were named E. coli-mntR , E. coli-mntP , and E. coli-mntR/mntP , respectively, and the sensing plasmid Each biosensor was produced by transfecting each strain with pMntS-eGFP and the pCDF-MntR plasmid prepared in Example 3-1, and exposed to 0 to 5 μM Mn(II) for 2 hours, The induction coefficient value was confirmed.

그 결과, mntP-결실된 균주를 호스트 균주로 이용한 바이오센서가 Mn(Ⅱ)에 대해 개선된 민감도를 나타냈다 (도 6). mntP를 결실시키지 않은 E. coli 기반 바이오센서는 2 및 5 μM Mn(Ⅱ)에 노출된 후 약 2.0의 유도 계수 값을 보인 반면, mntP가 결실된 E. coli 기반 바이오센서는 약 2배 증강된 신호 변화를 나타냈다 (도 6). 따라서, 두 균주가 같은 Mn(Ⅱ) 농도에 다른 반응을 보였기에, mntP 결실이 세포 내부에 Mn(Ⅱ)을 축적했다고 추론하였으며, 바이오센서의 민감성이 호스트 세포의 유전자 공학을 통해 증진될 수 있음을 확인하였다.As a result, the biosensor using the mntP-deleted strain as the host strain showed improved sensitivity to Mn(II) (FIG. 6). The E. coli- based biosensor without mntP deletion showed an induction coefficient value of approximately 2.0 after exposure to 2 and 5 μM Mn(II), whereas the E. coli- based biosensor with mntP deletion showed an approximately two-fold enhancement. showed a signal change (Figure 6). Therefore, since the two strains showed different responses to the same Mn(Ⅱ) concentration, it was inferred that mntP deletion accumulated Mn(Ⅱ) inside the cells, and the sensitivity of the biosensor could be improved through genetic engineering of the host cell. was confirmed.

실시예 5. Example 5. E. coliE. coli 세포 기반 망간-검출용 바이오센서의 선택성 확인 Confirmation of selectivity of cell-based manganese-detection biosensor

본 발명에서 제작한 E. coli 세포 기반 망간-검출용 바이오센서의 Mn(Ⅱ)에 대한 선택성(selectivity)을 확인하기 위해, pMntS-eGFP을 포함하는 E. coli BL21 (E. coli WT_pMntS-eGFP), pMntS-eGFP 및 pCDF-MntR을 포함하는 E. coli-mntR (E. coli-mntR_pMntS-eGFP/pCDF-MntR), pMntS-eGFP 및 pCDF-MntR 을 포함하는 E. coli-mntR/mntP (E. coli-mntR/mntP_ pMntS-eGFP/pCDF-MntR) 바이오센서를 5 μM 의 다른 중금속 이온(heavy metal(loid) ions) (As, Cd, Cr, Ni, Hg, Pb, Zn, Au, Sb, Fe, Co 및 Mn)에 2시간 동안 노출시킨 뒤 유도 계수 값을 확인하였다.To confirm the selectivity for Mn(II) of the E. coli cell-based manganese-detection biosensor produced in the present invention, E. coli BL21 ( E. coli WT_pMntS-eGFP) containing pMntS-eGFP , E. coli -mntR containing pMntS-eGFP and pCDF-MntR ( E. coli -mntR_pMntS-eGFP/pCDF-MntR), E. coli -mntR/mntP containing pMntS-eGFP and pCDF-MntR ( E. coli-mntR/mntP _ pMntS-eGFP/pCDF-MntR) biosensor with 5 μM of other heavy metal(loid) ions (As, Cd, Cr, Ni, Hg, Pb, Zn, Au, Sb, After exposure to Fe, Co, and Mn) for 2 hours, the induction coefficient value was confirmed.

그 결과, 상기의 바이오센서 모두 오직 Mn(Ⅱ)에만 반응하였으며, mntP 결실된 호스트 균주를 사용한 바이오센서의 Mn(Ⅱ)에 대한 민감도(sensitivity)가 현저히 증가되는 것으로 나타났다 (도 7). 또한, 다른 농도의 중금속들에서도 농도 의존적 반응이 관찰되지 않았다 (데이터 미도시). 따라서, E. coli-mntR/mntP_ pMntS-eGFP/pCDF-MntR 바이오센서가 Mn(Ⅱ)에 대해 매우 특이적(specific)이고 선택적(selective)임을 확인하였다.As a result, all of the above biosensors responded only to Mn(II), and the sensitivity to Mn(II) of the biosensor using the mntP deleted host strain was found to be significantly increased (FIG. 7). Additionally, no concentration-dependent response was observed for other concentrations of heavy metals (data not shown). Therefore, it was confirmed that the E. coli-mntR/ mntP_pMntS-eGFP/pCDF-MntR biosensor is very specific and selective for Mn(II).

실시예 6. Example 6. E. coliE. coli 세포 기반 망간-검출용 바이오센서의 적용성 확인 Verification of applicability of cell-based manganese-detection biosensor

본 발명의 바이오센서의 적용성 평가를 위해, 인위적으로 Mn(Ⅱ)으로 오염시킨 물 및 토양 샘플을 바이오센서에 적용하고 Mn(Ⅱ)을 정량하였다. 구체적으로, 인위적으로 오염된 물 샘플은 알려진 농도의 Mn(Ⅱ) (1.2, 1.4, 1.6 및 1.8 μM) 또는 만코젭(mancozeb) (manganese/zinc ethylene-bis-dithiocarbamate) (1.0, 10.0 및 50.0 μM)을 주입(spike)하여 제조하고, 인위적으로 오염된 토양 샘플은 1g 의 양질토에 서로 다른 양의 만코젭 (1.0, 10.0 및 100.0 mg)을 처리해 제조하고, 증류수10mL를 첨가하여 37℃에서 250 rpm로 3일간 원심분리해 추출한 침출수를 바이오센서에 적용하였다. 이렇게 제조한 인위적으로 오염된 토양 및 물 샘플들을 본 발명의 E. coli 세포 기반 바이오센서에 적용하였으며, Mn(Ⅱ)의 양을 0-5 μM Mn(Ⅱ)을 사용해 얻어진 표준 커브를 이용하여 계산하고, 맙코젭의 양은 만코젭으로 부터 방출되는 Mn(Ⅱ)의 양이 표준 커브에 의해 계산되었다. 바이오센서의 정확성을 비교하기 위해, 토양샘플의 침출수 내 잔존 Mn(Ⅱ)를 한국 기초과학원의 ICP-AES(Inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy)를 사용하여 분석하였다.To evaluate the applicability of the biosensor of the present invention, water and soil samples artificially contaminated with Mn(II) were applied to the biosensor and Mn(II) was quantified. Specifically, artificially contaminated water samples were treated with known concentrations of Mn(II) (1.2, 1.4, 1.6, and 1.8 μM) or mancozeb (manganese/zinc ethylene-bis-dithiocarbamate) (1.0, 10.0, and 50.0 μM). ), and artificially contaminated soil samples were prepared by treating 1g of loamy soil with different amounts of Mancozeb (1.0, 10.0, and 100.0 mg), adding 10mL of distilled water, and incubating at 250°C at 37°C. The leachate extracted by centrifugation for 3 days at rpm was applied to the biosensor. The artificially contaminated soil and water samples prepared in this way were applied to the E. coli cell-based biosensor of the present invention, and the amount of Mn(II) was calculated using a standard curve obtained using 0-5 μM Mn(II). The amount of Mn(II) released from Mancozeb was calculated using a standard curve. To compare the accuracy of biosensors, residual Mn(II) in leachate of soil samples was analyzed using ICP-AES (Inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy) of the Korea Institute of Basic Science.

Mn(Ⅱ)-주입한 물 샘플의 경우, 바이오센서에 의해 결정된 Mn(Ⅱ)농도와 원래의 주입된 농도를 비교해 본 결과, 바이오센서 시험의 정확성은 약 95%로 나타났다 (표 2).For Mn(II)-injected water samples, when comparing the Mn(II) concentration determined by the biosensor with the original injected concentration, the accuracy of the biosensor test was found to be approximately 95% (Table 2).

또한, 만코젭으로 오염된 물 샘플을 바이오센서로 분석한 결과, 감지된 Mn(Ⅱ)의 양은 만코젭의 양에 비례하지 않았는데 (표 3), 아마도 분해되는 속도 및 구입된 만코젭의 순도 때문인 것으로 유추되었다.Additionally, when water samples contaminated with mancozeb were analyzed with a biosensor, the amount of Mn(II) detected was not proportional to the amount of mancozeb (Table 3), possibly due to the rate of decomposition and purity of the purchased mancozep. It was inferred that

아울러, 만코젭으로 오염된 토양 샘플로부터 분리한 침출수에서 바이오센서에 의해 검출된 Mn(Ⅱ)의 양은 만코젭의 양에 비례해 증가하였다 (표 4). 만코젭 10mg이 주입된 토양샘플의 경우, 바이오센서를 사용해 결정된 Mn(Ⅱ) 12.2 ppm은 Mn(Ⅱ) 122 μg으로 변환되었는데, 이는 샘플 추출에 증류수가 10mL 사용되었기 때문이며, 이렇게 분석된 결과가 만코젭으로부터 방출된 Mn(Ⅱ)의 총량을 반영하지 않는 이유는 Mn(Ⅱ)의 일부가 토양에 흡수되기 때문이다.In addition, the amount of Mn(II) detected by the biosensor in leachate isolated from soil samples contaminated with mancozeb increased in proportion to the amount of mancozeb (Table 4). In the case of a soil sample injected with 10 mg of Mancozeb, 12.2 ppm of Mn(Ⅱ) determined using the biosensor was converted to 122 μg of Mn(Ⅱ). This is because 10 mL of distilled water was used for sample extraction, and the result of this analysis was Mancozeb. The reason it does not reflect the total amount of Mn(II) released from Zeb is because some of the Mn(II) is absorbed into the soil.

상기 결과를 통해 확인한 본 발명의 바이오센서의 Mn(Ⅱ) 측정 정확성은 90% 이상으로 나타났다.As confirmed through the above results, the Mn(II) measurement accuracy of the biosensor of the present invention was found to be more than 90%.

따라서, 유전자 발현 조절에서 mntR이 필수적임을 확인하였으며, mntP 결실은 대장균 내 Mn 배출을 줄여 민감도 향상에 기여하는 것을 알 수 있다.Therefore, it was confirmed that mntR is essential in regulating gene expression, and mntP deletion reduces Mn release in E. coli, contributing to improved sensitivity.

Claims (24)

mntS 프로모터 영역 및 상기 프로모터 영역에 작동가능하도록 연결된 리포터 유전자를 포함하는 재조합 벡터.A recombinant vector comprising an mntS promoter region and a reporter gene operably linked to the promoter region. 제 1항에 있어서, mntS 프로모터 영역은 서열번호 1의 핵산서열을 포함하는, 재조합 벡터.The recombinant vector according to claim 1, wherein the mntS promoter region includes the nucleic acid sequence of SEQ ID NO: 1. 제 1항에 있어서, 리포터 유전자는 기질의 발색 또는 발광 반응을 촉매 하는 효소를 암호화하는 유전자, 항생제 내성 유전자 또는 형광 단백질을 암호화하는 유전자인, 재조합 벡터.The recombinant vector according to claim 1, wherein the reporter gene is a gene encoding an enzyme that catalyzes a color or luminescence reaction of a substrate, an antibiotic resistance gene, or a gene encoding a fluorescent protein. 제 3항에 있어서, 기질의 발색반응을 촉매하는 효소는 호스래디쉬 퍼옥시다아제(horseradish peroxidase), 알칼리성 인산가수분해효소(alkaline phosphatase), 글루코시다아제(glucosidase), 베타-갈락토시다제(β-galactosidase, LacZ), 티로시나아제(tyrosinase) 및 GUS(β-glucuronidase) 중에서 선택된 어느 하나인, 재조합 벡터.The method of claim 3, wherein the enzymes that catalyze the color reaction of the substrate include horseradish peroxidase, alkaline phosphatase, glucosidase, and beta-galactosidase (β). A recombinant vector selected from -galactosidase, LacZ), tyrosinase, and GUS (β-glucuronidase). 제 3항에 있어서, 기질의 발광 반응을 촉매하는 효소는 루시퍼라아제인, 재조합 벡터.The recombinant vector according to claim 3, wherein the enzyme that catalyzes the luminescence reaction of the substrate is luciferase. 제 3항에 있어서, 형광 단백질은 GFP(Green Fluorescent Protein), eGFP(enhanced green flouorescent protein), YFP(Yellow Fluorescent Protein), RFP(Red Fluorescent Protein) 및 에쿠오린(Aequorin) 중에서 선택된 어느 하나인, 재조합 벡터.The method of claim 3, wherein the fluorescent protein is a recombinant protein selected from among GFP (Green Fluorescent Protein), eGFP (enhanced green fluorescent protein), YFP (Yellow Fluorescent Protein), RFP (Red Fluorescent Protein), and Aequorin. vector. 제 1항의 재조합 벡터로 형질전환된 재조합 미생물.A recombinant microorganism transformed with the recombinant vector of claim 1. 제 7항에 있어서, mntR 또는 mntP 유전자가 결실된, 재조합 미생물.The recombinant microorganism according to claim 7, wherein the mntR or mntP gene is deleted. 제 7항에 있어서, mntR 유전자 또는 재조합 mntR 유전자를 포함하는 재조합 벡터로 추가로 형질전환된, 재조합 미생물.The recombinant microorganism according to claim 7, further transformed with a recombinant vector comprising the mntR gene or a recombinant mntR gene. 제 9항에 있어서, 재조합 mntR 유전자는 야생형(Wild type) MntR에서 V19K, K73L, R77L 및 H135A로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 아미노산 치환을 포함하는 MntR 변이체를 암호화하는, 재조합 미생물.The recombinant microorganism according to claim 9, wherein the recombinant mntR gene encodes a MntR variant comprising at least one amino acid substitution selected from the group consisting of V19K, K73L, R77L, and H135A in wild type MntR. 제 10항에 있어서, 야생형 MntR은 서열번호 2의 아미노산 서열을 포함하는, 재조합 미생물.11. The recombinant microorganism according to claim 10, wherein the wild-type MntR comprises the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2. 제 7항에 있어서, 미생물은 대장균인, 재조합 미생물.The recombinant microorganism according to claim 7, wherein the microorganism is Escherichia coli. 제 7항에 있어서, 망간 (Mn(Ⅱ)) 검출용인, 재조합 미생물.The recombinant microorganism according to claim 7, for detecting manganese (Mn(II)). 제 7항의 재조합 미생물을 포함하는, 망간 검출용 바이오센서.A biosensor for detecting manganese, comprising the recombinant microorganism of claim 7. 제 1항의 재조합 벡터를 미생물에 형질전환시키는 단계를 포함하는 망간 검출용 바이오센서의 제조 방법.A method for producing a biosensor for detecting manganese, comprising the step of transforming the recombinant vector of claim 1 into a microorganism. 제 15항에 있어서, 형질전환시키는 단계 이전에 미생물에서 mntR 또는 mntP유전자를 결실시키는 단계를 추가로 포함하는, 망간 검출용 바이오센서의 제조 방법.The method of claim 15, further comprising deleting the mntR or mntP gene in the microorganism before the transformation step. 제 16항에 있어서, mntR 유전자 또는 재조합 mntR 유전자를 포함하는 재조합 벡터로 형질전환시키는 단계를 추가로 포함하는, 망간 검출용 바이오센서의 제조 방법.The method of claim 16, further comprising the step of transformation with a recombinant vector containing the mntR gene or a recombinant mntR gene. 제 17항에 있어서, 재조합 mntR 유전자는 야생형(Wild type) MntR에서 V19K, K73L, R77L 및 H135A로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 아미노산 치환을 포함하는 MntR 변이체를 암호화하는, 망간 검출용 바이오센서의 제조 방법.The method of claim 17, wherein the recombinant mntR gene encodes a MntR variant containing one or more amino acid substitutions selected from the group consisting of V19K, K73L, R77L, and H135A in wild type MntR. Preparation of a biosensor for detecting manganese method. 1) 피검 시료를 제 14항의 바이오센서에 노출시키는 단계; 및
2) 상기 단계 1)의 바이오센서에서 리포터 유전자의 발현 변화를 대조군과 비교하는 단계를 포함하는 시료 내 망간 검출 방법.
1) exposing the test sample to the biosensor of item 14; and
2) A method for detecting manganese in a sample comprising comparing the change in expression of the reporter gene in the biosensor of step 1) with the control group.
제 19항에 있어서, 리포터 유전자의 발현 수준을 리포터 단백질의 신호 세기로 확인하는, 망간 검출 방법.The method for detecting manganese according to claim 19, wherein the expression level of the reporter gene is confirmed by the signal intensity of the reporter protein. 제 19항에 있어서, 시료는 물 시료, 토양 시료 또는 토양 침출수 시료인, 망간 검출 방법.20. The method of claim 19, wherein the sample is a water sample, a soil sample, or a soil leachate sample. 1) 제 14항의 바이오센서에서 망간의 농도에 따른 리포터 유전자의 발현을 확인하여 정량 검정선을 얻는 단계;
2) 피검 시료를 바이오센서에 노출시키는 단계; 및
3) 리포터 유전자의 발현 수준을 상기 검정 곡선에 대입하는 단계를 포함하는 시료 내 망간의 정량화 방법.
1) Obtaining a quantitative calibration line by confirming the expression of the reporter gene according to the concentration of manganese in the biosensor of item 14;
2) exposing the test sample to the biosensor; and
3) A method for quantifying manganese in a sample comprising substituting the expression level of the reporter gene into the calibration curve.
제 22항에 있어서, 리포터 유전자는 egfp 유전자인, 망간의 정량화 방법.23. The method of claim 22, wherein the reporter gene is an egfp gene. 제 23항에 있어서, 리포터 유전자의 발현 수준은 하기 수학식 1로 표시되는 유도 계수로서 나타내는, 망간의 정량화 방법:
[수학식 1]
.

The method of claim 23, wherein the expression level of the reporter gene is expressed as an induction coefficient expressed by Equation 1 below:
[Equation 1]
.

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