• 한국미생물·생명공학회지
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• 제38권1호
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• pp.40-45
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• 2010

Agarose의 $\beta$-1,4결함을 분해하는 Zobellia galactanivorans 유래의 $\beta$-agarase 유전자(agaB)는 클로닝 되었고, AOX1(alcohol oxidase 1, methanol inducible) promoter 하류에 Saccharomyces cerevisiae mating factor alpha-1 secretion signal($MF{\alpha}1$)를 연결하여 $MF{\alpha}1$-AgaB를 구축하였다. 구축된 plasmid pPIC-AgaB(9 kb)를 Pichia pastoris genome에 HIS4 gene 위치에 integration하였고, colony PCR을 통해 확인하였다. Methanol 첨가 배지에서 자란 형질전환체는 iodine solution의 첨가에 의해 red halos를 보였으며, P.pastoris에서 agaB의 효율적 분비 발현을 확인하였다. SDS-PAGE와 zymographic analysis에서 $\beta$-agarase의 분자량은 약 53 kDa으로 추정되었으며, 15% 정도의 N-linked glycosylation이 일어났음을 알 수 있었다. P.pastoris GS115/pPIC-AgaB의 48시간 baffled flask culture에서 세포외 $\beta$-agarase의 활성은 각각 0.1, 0.5, 1% methanol의 유도에 의해 1.34, 1.42 그리고 1.53 units/mL의 활성을 보였다. 대부분의 $\beta$-agarase의 활성은 세포 외에서 관찰되었고, 분비효율은 98%였으며 분비시의 glycosylation에 의해 열안정성도 증가되었다.

• 생명과학회지
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• 제22권2호
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• pp.266-280
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• 2012

한천은 거대 홍조류의 세포벽 성분으로 agarase에 의해 가수분해된다. Agarase는 분해 양상에 따라 ${\alpha}$-agarase (E.C. 3.2.1.158)와 ${\beta}$-agarase (E.C. 3.2.1.81)로 나눌 수 있으며 아미노산 서열 유사성에 따라 GH (glycoside hydrolase) -16, -58, -86, -96, -118 로 나눌 수 있다. 많은 agarase들이나 그들의 유전자가 바다나 육지 환경의 세균 혹은 메타게놈에서 검출, 분리, 재조합 발현되었다. Agarase의 산물인 한천올리고당(agarooligosaccharides)과 네오한 천올리고당(neoagarooligosaccharides)은 항암, 면역활성, 항산화, 장내유용세균활성화, 간보호, 항균, 미백, 보습의 효과 등 다양한 기능성이 보고되어 식품, 화장품, 의학 영역에서 광범위하게 이용될 수 있다. 또한 agarase는 연구영역에서 이용될 수 있다. 이 논문은 agarase의 검출원, 정제법, 검출법 그리고 응용영역에 대해 검토하였고, 한천대사에서 agarase의 역할, 대사산물의 기능 등도 고찰하였다.

• 생명과학회지
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• 제30권3호
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• pp.304-312
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• 2020

한천분해효소(agarase)는 기초과학영역, 한천유래 고기능성 올리고당의 생산, 해조류를 이용한 바이오에너지 생산 등에 사용될 수 있다. 본 연구진은 2012년에 한천의 분류, 기원, 생산 및 응용에 관하여 총설하였다. 이에 본고에서는 2012년부터의 agarase 재조합 발현에 대해 총설하고자 한다. Agarase의 재조합 발현에 사용된 유전자는 Agarivorans 속(genus) 세균, Flameovirga 속 세균, Pseudoalteromonas 속 세균, Gayadomonas 속 세균, Catenovulum 속 세균, Microbulbifer 속 세균, Cellulophaga속 세균, Saccharophagus 속 세균, Simiduia 속, Vibrio 속 세균 등의 19종의 세균들에서 유래하였다. 47개의 재조합 발현된 agarase 중에서 α-agarase는 2개였고 나머지는 모두 β-agarase 였다. α-Agarase는 모두 agarotetraose (A4)를 생산하였고 β-agarase는 NA2부터 NA12까지 다양한 산물을 생산하였다. 최적온도는 25~60℃, 최적 pH는 3.0~8.5의 범위였다. 50℃ 이상의 최적 온도를 갖는 agarase는 14개로 이들은 한천을 가열한 후에 졸상태가 유지되는 온도에서도 활발한 활성을 보일 것이다. CBM (carbohydrate-binding module)의 조작 등의 인위적 돌연변이로 agarase의 열안정성 증가, 최적온도와 활성의 동시 증가에 관한 연구 사례도 있었다. 재조합발현의 숙주로 E. coli, B. subtilis, S. lividans, S. cerevisiae 등이 활용되었으며, agarase 유전자의 분비신호, 다른 생물의 분비신호 및 riboswitch가 agarase의 재조합 발현에 사용되었다. Agarase를 정제한 후에 아미노산 서열에 기반한 유전자 재조합 이외에도 게놈서열 파악과 유사성 비교를 통해 putative agarase와 메타게놈에서 유래한 agarase의 재조합 발현에 관한 연구도 있다. 이러한 연구들은 향후 agarase 및 agarase를 이용한 한천분해산물의 응용 분야 등에 활발하게 이용될 것으로 기대된다.

• KSBB Journal
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• 제31권2호
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• pp.113-119
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• 2016

A novel agar-degrading marine bacterium, SH-1 strain, was isolated from seashore of Namhae at Gyeongnam province, Korea. The SH-1 strain exhibited 98% similarity with Alteromonas species based on 16S rDNA sequencing and named as Alteromonas sp. SH-1. Alteromonas sp. SH-1 showed agarase activity of 348.3 U/L (1.67 U/mg protein). The molecular masses of the enzymes were predicted as about 85 kDa and 110 kDa by SDS-PAGE and zymogram. The enzymatic activity was optimal at $30^{\circ}C$ and the relative agarase activity was decreased as temperature increase from $30^{\circ}C$ and thus about 90% and 70% activities were shown at $40^{\circ}C$ and $50^{\circ}C$, respectively. The optimum pH was 6.0 for agarase activity in 20 mM Tris-HCl buffer and activities were less than 70% and 85% activity at pH 5.0 and pH 7.0, respectively, compared with that at pH 6. Agarase activity has remained over 90% at $20^{\circ}C$ after 1.5 hour exposure at this temperature. However, its activity was less than 60% at $30^{\circ}C$ after 0.5 h exposure at this temperature. The enzymes produced agarooligosaccharides such as agaropentaose and agarotriose from agarose, indicating that the agarases are ${\alpha}$-agarases. Thus, Alteromonas sp. SH-1 and its agarases would be useful for the industrial production of agarooligosaccharides which are known as having anticancer and antioxidation activities.

• Journal of Microbiology and Biotechnology
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• 제22권12호
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• pp.1621-1628
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• 2012

The agar-degrading bacterium GNUM-1 was isolated from the brown algal species Sargassum serratifolium, which was obtained from the West Sea of Korea, by using the selective artificial seawater agar plate. The cells were Gram-negative, $0.5-0.6{\mu}m$ wide and $2.0-2.5{\mu}m$ long curved rods with a single polar flagellum, forming nonpigmented, circular, smooth colonies. Cells grew at $20^{\circ}C-37^{\circ}C$, between pH 5.0 and 9.0, and at 1-10% (w/v) NaCl. The DNA G+C content of the GNUM-1 strain was 45.5 mol%. The 16S rRNA sequence of the GNUM-1 was very similar to those of Alteromonas stellipolaris LMG 21861 (99.86% sequence homology) and Alteromonas addita $R10SW13^T$(99.64% sequence homology), which led us to assign it to the genus Alteromonas. It showed positive activities for agarase, amylase, gelatinase, alkaline phosphatase, esterase (C8), lipase (C14), leucine arylamidase, valine arylamidase, ${\alpha}$-chymotrypsin, acid phosphatase, naphthol-AS-BI-phosphohydrolase, ${\alpha}$-galactosidase, ${\beta}$-galactosidase, ${\beta}$-glucosidase, catalase, and urease. It can utilize citrate, malic acid, and trisodium citrate. The major fatty acids were summed feature 3 (21.5%, comprising $C_{16:1}{\omega}7c/iso-C_{15:0}$ 2-OH) and C16:0 (15.04%). On the basis of the variations in many biochemical characteristics, GNUM-1 was considered as unique and thus was named Alteromonas sp. GNUM-1. It produced the highest agarase activity in modified ASW medium containing 0.4% sucrose, but lower activity in rich media despite superior growth, implying that agarase production is tightly regulated and repressed in a rich nutrient condition. The 30 kDa protein with agarase activity was identified by zymography, and this report serves as the very first account of such a protein in the genus Alteromonas.

• 한국해양바이오학회지
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• 제8권1호
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• pp.1-9
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• 2016

The hydrolysis of biomass to fermentable sugar (saccharification) and to oligosaccharide is an essential process in biotechnology including biorefinery and biofood. Various macroalgae are commercially cultivated in several Asian countries as a useful resource for food and agar production. Agar is a major component of the cell walls of red algae that can be hydrolyzed by agarase. Agarases are classified into ${\alpha}$-agarase (E.C. 3.2.1.158) and ${\beta}$-agarase (E.C. 3.2.1.81) according to the cleavage pattern and grouped in the glycoside hydrolase (GH) family (GH-16, GH-58, GH-86, GH-96, and GH-118) based on the amino acid sequences of the proteins. Agarases have been isolated from various bacteria found in seawater and marine sediments. To increase productivity of the enzyme, a research on recombinant enzymes has been done. The application of recombinant agarase can be possible in the various filed such as energy, food, cosmetics, medical and so on. This paper reviews the source, biochemical characteristics and production system of recombinant agarases for further study.

• Journal of Microbiology and Biotechnology
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• 제19권3호
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• pp.257-264
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• 2009

A $\beta$-agarase gene, agaB34, was functionally cloned from the genomic DNA of a marine bacterium, Agarivorans albus YKW-34. The open reading frame of agaB34 consisted of 1,362 bp encoding 453 amino acids. The deduced amino acid sequence, consisting of a typical N-terminal signal peptide followed by a catalytic domain of glycoside hydrolase family 16 (GH-16) and a carbohydrate-binding module (CBM), showed 37-86% identity to those of agarases belonging to family GH-16. The recombinant enzyme (rAgaB34) with a molecular mass of 49 kDa was produced extracellularly using Escherichia coli $DH5{\alpha}$ as a host. The purified rAgaB34 was a $\beta$-agarase yielding neoagarotetraose (NA4) as the main product. It acted on neoagarohexaose to produce NA4 and neoagarobiose, but it could not further degrade NA4. The maximal activity of rAgaB34 was observed at $30^{\circ}C$ and pH 7.0. It was stable over pH 5.0-9.0 and at temperatures up to $50^{\circ}C$. Its specific activity and $k_{cat}/K_m$ value for agarose were 242 U/mg and $1.7{\times}10^6/sM$, respectively. The activity of rAgaB34 was not affected by metal ions commonly existing in seawater. It was resistant to chelating reagents (EDTA, EGTA), reducing reagents (DTT, $\beta$-mercaptoethanol), and denaturing reagents (SDS and urea). The E. coli cell harboring the pUC18-derived agarase expression vector was able to efficiently excrete agarase into the culture medium. Hence, this expression system might be used to express secretory proteins.

• 한국미생물·생명공학회지
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• 제40권1호
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• pp.1-9
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• 2012

본 연구는 홍조류를 기질로 사용한 바이오에탄올 생산 공정에서 전처리(홍조류 가수분해) 공정의 효율을 높이기 위하여 성능이 우수한 신규 아가레이즈를 발굴하는 데 있다. 남해안에 서식하는 해조류를 채집하여 이로부터 아가레이즈 활성을 갖는 3종의 균주들을 순수 분리 하였다. 이들 균주들을 4일간 배양한 후, 황산암모늄 침전과 투석에 의하여 배양액으로부터 조효소를 회수하였다. 세포외 분비 효소를 포함하는 배양 상등액으로부터 얻은 조효소와 세포 내 효소를 포함하는 세포 추출물에서 얻은 조효소 모두에서 아가레이즈 활성이 측정되었고, 동일 균주에서 세포외 분비 단백질이 세포내 축적 단백질보다 높은 활성을 나타내었다. 3종의균주 중 GNUM08122 조효소가 단위 단백질 당 아가레이즈 활성은 낮았으나, p-nitrophenyl-${\alpha}$-D-galactopyranoside의 ${\alpha}$-결합을 끊는 것으로 관찰되어 ${\alpha}$-agarase 활성이 있을 것으로 추측되어 균주 동정을 실시하였다. GNUM08122 균주의 16S rRNA 염기서열을 결정하고 계통수 분석을 수행한 결과 Pseudoalteromonas issachenkonii KMM 3549 및Pseudoalteromonas tetraodonis IMA 14160 균주와 99.7%이상 상동성을 보였는데, 이는 GNUM08122가 Pseudoalteromonas속 균주임을 나타낸다. 균주의 생화학적 생리적 특성을 조사하였다. GNUM08122는 $40^{\circ}C$, 산성 조건(pH 4)는 물론 약 알칼리(pH 8)에서도 활발히 성장하였다. 높은NaCl(10%, w/w)에서도 세포생장이 저해를 받지 않았고 다양한 탄수화물을 사용하는 것으로 확인되었다.

• 생명과학회지
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• 제31권3호
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• pp.356-365
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• 2021

최근, 본 연구진은 담수 환경 유래 한천 분해 세균인 Cellvibrio sp KY-GH-1 (KCTC13629BP)의 전체 유전체 염기 서열을 분석하여 아가로오스를 L-AHG 및 D-갈락토오스로 가수분해시키는 아가레이즈들을 암호화하는 유전 정보를 탐색하였다. 그 결과, KY-GH-1 균주는 유전체 상의 약 77 kb 길이의 아가레이즈 유전자 클러스터 내에 9개의 β-아가레이즈 유전자들과 2개의 α-네오아가로비오스 가수분해효소(α-NABH) 유전자들을 지닌 것으로 나타났다. 이러한 유전자 정보를 바탕으로 KY-GH-1 균주가 한천을 탄소원으로 자화하기 위해 단량체인 L-AHG와 D-갈락토오스로 분해시키는 공정은, 엔도형 GH16 β-아가레이즈, 엔도형 GH86 β-아가레이즈 등에 의해 개시되어 NA4, NA6, NA8 등을 생성시킨 후, 이들에 대해 엑소형 GH50 β-아가레이즈가 추가로 작용하여 NA2를 생성시키고, 이어서 GH117 α-NABH가 작용하여 생성된 NA2를 단량체 L-AHG와 D-갈락토오스로 분해함으로써 종결되는 것으로 예측되었다. 대장균 발현 시스템과 PET-30a 벡터를 함께 사용하여, KY-GH-1 균주 유래의 GH50 패밀리 β-아가레이즈 유전자들(GH50A, GH50B, GH50C)과 GH117 패밀리 α-NABH 유전자들(GH117A α-NABH, GH117B α- NABH)을 발현시켜 His-태그 재조합 효소단백질들로 확보하여, 이들 효소단백질을 이용하여 효소 활성을 비교 분석한 결과, 재조합 GH50A β-아가레이즈가 세 개의 GH50A 패밀리 β-아가레이즈 동위효소들 중에서 가장 높은 엑소형 β-아가레이즈 활성을 나타내며, 또한 재조합 GH117A α-NABH가 NA2를 L-AHG와 D-갈락토오스로 강력하게 가수분해할 수 있으나 재조합 GH117B α-NABH는 NA2 가수분해 활성이 없음을 확인하였다. 연이어 GH50A β-아가레이즈 및 GH117A α-NABH의 효소 특성을 추가로 조사하였다. 아울러 이들 각 효소가 나타내는, 아가로오스를 분해하여 NA2를 생성시키는 효율성과 NA2를 분해하여 L-AHG 및 D-갈락토오스를 생성시키는 효율성을 평가하였다. 본 총설에서는, L-AHG 및 D-갈락토오스의 양산을 위한 아가로오스의 효소적 가수분해에 성공적으로 활용될 수 있을 것으로 기대되는, 담수 유래 한천 분해 세균 Cellvibrio sp. KY-GH-1 유래의 재조합 GH50A β-아가레이즈 및 GH117A α-NABH의 장점들에 대해 기술한다.

• Journal of Microbiology and Biotechnology
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• 제29권4호
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• pp.625-632
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• 2019

The unified saccharification and fermentation (USF) system was developed for direct production of ethanol from agarose. This system contains an enzymatic saccharification process that uses three types of agarases and a fermentation process by recombinant yeast. The $pGMF{\alpha}-HGN$ plasmid harboring AGAH71 and AGAG1 genes encoding ${\beta}-agarase$ and the NABH558 gene encoding neoagarobiose hydrolase was constructed and transformed into the Saccharomyces cerevisiae 2805 strain. Three secretory agarases were produced by introducing an S. cerevisiae signal sequence, and they efficiently degraded agarose to galactose, 3,6-anhydro-L-galactose (AHG), neoagarobiose, and neoagarohexose. To directly produce ethanol from agarose, the S. cerevisiae $2805/pGMF{\alpha}-HGN$ strain was cultivated into YP-containing agarose medium at $40^{\circ}C$ for 48 h (for saccharification) and then $30^{\circ}C$ for 72 h (for fermentation). During the united cultivation process for 120 h, a maximum of 1.97 g/l ethanol from 10 g/l agarose was produced. This is the first report on a single process containing enzymatic saccharification and fermentation for direct production of ethanol without chemical liquefaction (pretreatment) of agarose.