Cyclodextrin glucanotransferase 생산균주 선발배지를 이용하여 국내 토양으로부터 CGTase 활성이 우수한 Bacillus sp. E1균주를 분리하였다. FPLC를 이용하여 gel filtration과 anion exchange column chromatography를 한 결과 순수 정제된 단일 단백질을 얻을 수 있었으며, 정제된 효소의 최적 작용 pH 범위는 6에서 8까지 였고, 온도는 $60^{\circ}C$에서 최적을 나타냈다. 정제된 단백질의 분자량은 114,000, 등전점은 4.3이었다. 생성된 cyclodextrin은 $\beta$와 $\gamma$-cyclodextrin이 주였으며, 특이하게도 $\alpha$-cyclodextrin은 거의 생성되지 않았다. 작용 후 25시간 후 최대의 $\beta$-cyclodextrin이 생성되었으며, 이때 $\beta$-cyclodextrin과 $\gamma$-cyclodextrin의 생성비율은 7:1이었다.
An alkalophilic microorganism for overproduction of cyclodextrin glucanotransferase (CGTase) was newly isolated from hot-water spring soil, and identified as Bacillus firmus var. alkalophilus H609. The strain maintained stability during preservation and cultivation for the enzyme production, and produced significant amount of CGTase corresponding to the volumetric activity of 75 units/mL at 37C, initial pH of 11.2, and after 40 hours. The strain excreted several different proteins showing CGTase activity that catalyzed the formation of mainly beta-and Gamma-type cyclodextrin (ratio of 7:1) from soluble starch without accumulation of alpha-type. Other enzymatic properties were also investigated.
Cyclodextrin glucanotransferase from B. stearothermophilus KJ16 that can produce both cyclodextrin glucanotransferase and cyclodextrinase was purified by ammonium sulfate precipitation, DEAE-cellulose chromatography, Sephadex G-100 chromatography, and FPLC. The molecular weight of the purifice enzyme was about 65,000 dalton by SDS-PAGE. The optimal pH and temperature were 6.0 and $60^{\circ}C$, respectively. The enzyme was stable at $50^{\circ}C$ for 1 hr and in the pH range of 5.5 and 8.5. Mercaptoethanol and dithiothreitol inhibited the enzyme activity strongly. The enzyme produced 60% cyclodextrin(CD) from 5% soluble starch with the $^{\alpha}$, $^{\beta}$, $^{\gamma}$-CD ratio of 42:46:12. Amylopectin was the most suitable substrate with 67% conversion to CD.
효모 S. cerevisiae에서 B. stearothermophilus 유래의 CGTase를 발현 생산하였으며, 분비, 생산된 단백질을 정제하여 그 특성을 조사하였다. 재조합 효모 S. cerevisiae 2805/pVT- CGTS가 생산하는 CGTase의 분자량은 효모에서 발현될 때 고당쇄가 부가되어 야생형의 68kDa에 비해 15-160% 증가된 약 78-178 kDa으로 나타났다. 효모 S. cerevisiae에서 발현된 CGTase의 효소반응 최적활성조건은 pH7.0, $65^{\circ}C$였고, 열안정성에 있어서 $75^{\circ}C$에서 약 90%의 잔존활성을 가질 정도로 내열성이 개선되었다. 효모 S. cerevisiae에서 발현된 CGTase는 5% soluble starch를 기질로 약 40.2%의 CD 전환율 및 3 : 6 : 1의 $\alpha$-, $\beta$-, ${\gamma}$-CD의 생산 비율을 나타내어 야생형과 별다른 변화가 없었다.
$\beta$-Cyclodextrin glucanotransferase ($\beta$-CGTase) was overproduced extracellularly using recombinant E. coli by transforming the plasmid pECGT harboring a secretive signal peptide. The $\beta$-CGTase gene of alkalophilic Bacillus firmus var alkalophilus was inserted into the high expression vector pET20b(+) containing a secretive pelB signal peptide, and then transformed into E. coli BL2l(DE3)pLysS. The optimum culture conditions fer the overproduction of $\beta$-CGTase were determined to be TB medium containing 0.5% (w/v) soluble starch at post-induction temperature of $25^{\circ}C$. A significant amount of $\beta$-CGTase, up to 5.83 U/ml, which was nine times higher than that in the parent strain B. firmus var. alkalophilus, was overproduced in the extracellular compartment. A pH-stat fed-batch cultivation of the recombinant E. coli was also performed to achieve the secretive overproduction of $\beta$-CGTase at a high cell density, resulting in production of up to 21.6 U/ml of $\beta$-CGTase.
토양으로부터 역가높은 CGTase를 분비하는 호알칼리성 미생물을 분리하였으며, 동정 결과 Bacillus circulans로 판정되었다. 배양액 중의 CGTase를 ammonium sulfate 침전, DEAE-Sephadex 그리고 Sephadex G-100 column chromatography로 분리, 정제하여 단일 단백질 band를 얻었다. 정제된 CGTase의 분자량은 약 93,000, 최적 pH와 온도는 6.0, $50^{\circ}C$였으며, pH와 온도안정성은 5.5-11, $65^{\circ}C$까지였다. Soluble starch를 기질로 할 때의 $V_{max}$ 와 $K_{m}$ 값은 각각 0.16$\mu$mole $\beta$-CD/min, 14.3mg soluble starch/mi이였고 24시간 반응액의 $\alpha$-:$\beta$-:${\gamma}$-CD 의 생성비율은 1:8.1:1.9로서 $\beta$-CD를 우선적으로 합성하였다. 기질로 glucose와 maltose를 사용하였을 때 CD합성작용이 없었으며, sweet potato 그리고 cornstarch를 사용하였을 때 가장 높은 CD합성작용을 보였다. 어느 수준 이상의 과다한 CGTase 첨가경우에는 $\alpha$-CD생성이 급격히 증가하였다. 또한 정제된 CGTase는 stevioside에로의 당전이성을 갖고 있었다.
In order to investigate the critical amino acid residues involved in the catalytic activities of $\beta$-cyclodextrin glucanotransferase ($\beta$-CGTase) excreted by Bacillus firmus var. alkalophilus, the amino acid residues in $\beta$-CGTase were modified by various site-specific amino acid modifying reagents. The cyclizing and amylolytic activities of $\beta$-CGTase were all seriously reduced after treatment with Woodward's reagent K (WRK) modifying aspartic/glutamic acid, N-bromosuccinimde (NBS) modifying tryptophan, and diethylpyrocarbonate (DEPC) modifying histidine residues. The roles of tryptophan and histidine residues in $\beta$-CGTase were further investigated by measuring the protection effect of various substrates during chemical modification, comparing protein mobility in native and affinity polyacrylamide gel electrophoresis containing soluble starch, and comparing the $K_m$ and $V_{max}$ values of native and modified enzymes. Tryptophan residues were identified as affecting substrate-binding ability rather than influencing catalytic activities. On the other hand, histidine residues influenced catalytic ability rather than substrate-binding ability, plus histidine modification had an effect on shifting the optimum pH and pH stability.
Cyclodextrin glucanotransferase (CGTase) (EC 2.4.1.19) use starch to produce cyclic maltooligosaccharides (cyclodextrins, CDs) which are of interest in various applications. To obtain a novel CGTase having high CD-forming activity, ${\beta}-cyclodextrin$ glucanotransferase $({\beta}-CGTase)$ from Bacillus firmus var. alkalophilus was modified through site-directed mutagenesis and constructed five mutants, H59T, H59Q, Y96M, 9O-PPI-93, and ${\Delta}(148-154)D$, respectively. Y96M and ${\Delta}(148-154)D$ showed much higher level of conversion yields of starch into CDs from 28.6% to about 39% compared to wild-type ${\beta}-CGTase$, respectively, but 90-PPI-93 maintained similar convesion yields of starch to CDs. And their ${\beta}-CD$ ratios to total CDs were not changed and maintained, and convesion yields to linear maltooligosaccharides of all mutants were not changed significantly. These results indicates that five mutations of ${\beta}-CGTase$ from Bacillus firmus var. alkalophilus appears to be important roles for increase of overall CD production rather than change of its product specificity, especially.
The functional characteristics of a ${\beta}$-cyclodextrin glucanotransferase (CGTase) excreted from alkalophilic Bacillus sp. BL-31 that is highly specific for the intermolecular transglycosylation of bioflavonoids were investigated. The new ${\beta}$-CGTase showed high specificities for glycosyl acceptor bioflavonoids, including naringin, rutin, and hesperidin, and especially naringin. The transglycosylation of naringin into glycosyl naringin was then carried out under the conditions of 80 units of CGTase per gram of maltodextrin, 5 g/l of naringin, 25 g/l of maltodextrin, and 1 mM $Mn^{2+}$ ion at $40^{\circ}C$ for 6 h, resulting in a high conversion yield of 92.1%.
Bacillus macerans cyclodextrin glucanotransf ferase(CGTase)를 전분흡착법과 DEAE--cellulose 칼럼 크로마토그래피로 정제하였다. 효소의 분자량 은 67,000이였고 monomer였다. 정제된 효소는 전 분을${\alpha}$-, ${\beta}$-, ${\gamma}$-CD 로 전환시켰으며, CD생성비율은 각각 1 : 1.68: 0.32였다. ${\alpha}$-CD와 D-glucose의 coupling반응 초기에는 maltohexose가 주로 생성되었고, 그 후에 다른 oligosaccharide들이 생성되었다 .. aC CD의 가수분해반응 초기에는 주로 maltotetrose가 생성되였고 그 이후에는 소량의 다른 이IgosaC ccharide들이 생성되었다. 정제된 효소의 좋은 기질인 maltotriose 로부터 maltosyl 이나 D-glucopy ranosyl group이 전이될 수 있는데, 본 연구에서는 D정lucosyl transfer가 우세하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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