Characterization of Cellulases from Schizophyllum commune for Hydrolysis of Cellulosic Biomass

Schizophyllum commune에 의한 Cellulase 생산 및 섬유소계 바이오매스의 당화를 위한 효소적 특성

The optimum culture condition of Schizophyllum commune for the cellulase production and its enzymatic characteristics for saccharification of cellulosic biomass were analyzed. S. commune secrets ${\beta}$-1,4-xylosidase (BXL) and cellulases, including endo-${\beta}$-1,4-glucanase (EG), cellobiohydrolase (CBH), and ${\beta}$-glucosidase (BGL). The optimum reaction temperature for all cellulases was $50^{\circ}C$ and the thermostable range was $30{\sim}40^{\circ}C$C. The optimum reaction pH for all cellulases was 5.5 in a range of temperature from $0^{\circ}C$ to $55^{\circ}C$. The best nutritions for the cellulase production of S. commune among tested nutrients were 2% cellulose for the carbon source and corn steep liquor or peptone/yeast extract for the nitrogen source without vitamins. The environmental culture condition for the cellulase production was 5.5~6.0 for pH at $25{\sim}30^{\circ}C$. The enzyme activities of EG, BGL, CBH, and BXL were 3670.5, 631.9, 398.5, and 15.2 U/$m{\ell}$, respectively, after concentration forty times from the culture broth of S. commune which was grown at the optimized culture condition. Alternative filter paper unit assay showed 11 FPU/$m{\ell}$ enzyme activity. The saccharification tests using cellulase of S. commune showed the low saccharification rate on tested hardwoods but a high value of 50.5% on cellulose, respectively. The saccharification rate (50.5%) of cellulose by cellulase produced in this work is higher than 45.7% in the commercial enzyme (Celluclast 1.5L, 30 FPU/g, glucan).

본 연구에서는 Schizophyllum commune의 당 분해효소 생산을 위한 최적 배양 조건과 목질바이오매스에 대한 당화 특성에 대하여 연구하였다. S. commune 균체 외 효소에는 endo-${\beta}$-1,4-glucanase (EG), cellobiohydrolase (CBH), ${\beta}$-glucosidase (BGL)와 같은 cellulase와 ${\beta}$-1,4-xylosidase (BXL)이 함유되어 있고 그 중에서 EG 및 BGL활성이 비교적 높은 활성을 나타낸 것으로 밝혀졌다. S. commune에서 생산된 EG, BGL, 및 CBH의 최적 온도는 $50^{\circ}C$이었으나, 열안정성을 가지는 온도범위는 $30{\sim}40^{\circ}C$였다. 그리고 최적 pH는 5.5이었으며 열 안정성을 나타내는 온도범위에서의 적정 pH는 동일한 pH 5.5이었다. Cellulase 생산을 위한 S. commune의 최적배양 조건은, 탄소원으로 천연 cellulose, 질소원으로는 corn steep, 또는 peptone/yeast extract 혼합물, 비타민은 첨가하지 않는 것이 cellulase 효소활성 증가에 적절한 것으로 밝혀졌다. 또한 탄소원의 최적 첨가 농도는 2% (w/w), 적정 배양 pH 및 온도는 5.5~6.0과 $25{\sim}30^{\circ}C$로 밝혀졌다. 본 연구에서 도출된 최적 배양 조건으로 S. commune를 배양시키고 40배로 농축한 결과, EG가 3670.5 U/$m{\ell}$, BGL과 CBH가 각각 631.9 U/$m{\ell}$, 398.5 U/$m{\ell}$, BXL이 15.2 U/$m{\ell}$로 매우 높은 효소 활성을 나타냈다. 동일한 효소의 Filter Paper Unit도 11 FPU/$m{\ell}$로 상당히 높았다. 최적배양조건에서 얻어진 S. commune 효소로 다양한 기질에 대해 당화 시험을 실행한 결과, 전처리를 하지 않은 공시 활엽수에 대하여 낮은 당화율을 나타냈으나 천연 cellulose (Aldrich, ~20 micron) 및 볏짚의 경우에는 각각 50.5% 및 33.1%의 높은 당화성능을 나타냈다. 이 같은 당화 수준은 동일 효소농도 (30 FPU/g, glucan)로 비교했을 때 Trichoderma reesei 유래 상용화 효소인 Celluclast 1.5L의 약 110% 수준을 나타냄으로써, 대량생산기술 개발과정을 통해 목질계 당화 효소로의 상용화 가능성이 높은 균주로 평가되었다.