한국인의 주된 위 건강의 저해인자인 Helicobacter pylori를 저해하는 젖산균을 타락과 김치에서 분리하여 특성을 분석하고자 하였다. 전통발효 젖산균음료인 타락 5개와 김치 30종을 안동 지역과 수도권의 시장에서 구입하고, 젖산균을 전통적인 분리방법에 따라 15주를 분리하였다. 이들 젖산균에 대하여 H. pylori 생육 저해 활성이 높은 두 개의 젖산균을 선택하여 동정하였다. 이들 젖산균은 전형적인 생화학적인 특성과 16S DNA의 분석을 통하여 타락에서 분리된 균은 Streptococcus thermophilus LAB kw15로 김치에서 분리된 균은 Leuconostoc mesenteroides LAB kw5로 동정하였다. 이들 분리 균주 배양액을 중성으로 조정한 후 첨가하여 배양할 때 H. pylori의 생육을 현저히 저해하였으며, H. pylori와의 혼합 배양에서도 H. pylori의 생육을 저해하는 것으로 나타났다. 그러므로 이 분리 젖산균의 대사산물이 H. pylori의 생육을 저해하고 있는 것으로 나타나, 기능성 젖산균으로의 활용이 가능할 것으로 판단된다.
다양한 유산균 자원을 확보하기 위한 일환으로, 동치미에서 유산균을 분리하였다. 동치미에서 분리된 균주는, 당이용성과 16S rRNA 유전자분석을 통하여,Lactobacillus plantarum HB1으로 밝혀졌다. 이 균주는 Gram 양성균이었으며, catalase를 갖고 있지 않았다. 16S rRNA유전자의 염기배열 120 bp을 분석해 본 결과,1~88 bp 영역에서는 기존의 것과 거의 100%의 상동성을 보여 주었고,나머지 32 bp의 영역에서는 상당한 변이를 보여 주었다. 따라서 본 균주는 기존의 L. plantarum과는 다른 균주임을 확인할 수 있었다. 동치미의 무에 포함되어 있는 질산염은 체내에서 아질산염으로 바뀐다. 아질산염은 아민과 반응을 일으켜 니트로사민이 되는데, 이 성분은 위암 발생을 일으키는 주요인자중의 하나이다. 동치미에서 분리된 본 균주의 배양액에 400 ${\mu}M$의 아질산염을 첨가한 경우 1시간30분 후에 거의 소거되었다. 아질산염 소거작용에 관여하는 본 균주 배양액 중의 특정성분의 분리, 소거작용 기작 등에 관한 보다 깊이 있는 연구가 앞으로 필요하다.
소화성 질환의 중요 인자인 Helicobacter pylori를 저해하는 IgY, 목이버섯, 김치와 타락 유산균을 이용하여 생육 저해 상승 효과를 분석하고자 하였다. 동결 건조된 유산균 배양 상징액을 다양한 효소 처리 결과, 지질 분해 효소를 제외하고는 활성을 나타냈다. GC 분석을 통해 유산균 동결건조액의 지방산 조성은 undecanoic acid($C_{11:0}$), palmitic acid($C_{16:0}$), steraic acid($C_{18:0}$), oleic acid($C_{18:1}$)가 L. mensenteroides LABKW5와 S. thermophilus LAB KW15에서 모두 확인되었으며, eicosadienoic acid($C_{20:2}$)는 LAB KW5에서만 나타났다. 또한 유산균 동결건조액은 다른 식중독균에서도 spot assay의 결과, 그람 음성균 중에서 특히 E. coli O157:H7, E. coli, C. sakazakii 등에서 생육 저해능이 확인되었다. 목이버섯 추출물은 열수 추출과 ethanol를 이용해 분리하였으며, HPLC를 이용하여 목이버섯 추출 다당체를 분석한 결과, glucurono-xylomannan 혹은 glucomannan이 ${\beta}$-glucan과 함께 존재하는 혼합물일 것으로 되었다. 또한, 면역란은 1차 접종 후 11일째부터 주마다 2회씩 회수하여 IgY를 분리, 정제하였다. 실험을 통해 동결 건조된 유산균 배양 상징액, IgY, 목이버섯 추출액을 혼합 배양하여 배양시간에 따른 생육 저해력의 변화를 확인한 결과, 유산균에 의해 H. pylori의 저해 효과가 있었으며, IgY와 목이버섯의 혼합 시 추가 억제 효과가 있는 것으로 나타났다. 그러므로 동결 건조된 유산균 배양 상징액, IgY, 목이버섯 추출액의 복합처리는 H. pylori를 제어하는데 효과적인 것으로 보인다.
재조합 플라스미드 pAL850에 함유된 Bacillus circulans KCTC3004 $\alpha$-amylase 유 전자를 pUB110을 이용하여 shuttle 플라스미드 pALS111을 만들어 Bacillus 세포에 이동. 발현시켰다. Bacillus subtilis(고초균)와 Bacillus megaterium(거대균)으로 형질전환된 pALS111로부터 $\alpha$-amylase는 세포증식과 비례하여 생산되었다. 형질전화주가 생산하는 $\alpha$ -amylase의 최대활성을 유전자 공여 균주인 B. circulans와 비교했을 때 고초균은 약 95배, 거대균은 약 34배 정도의 높은 활성을 나타내었다. 그리고 대장균 형질전환주는 분비율이 10% 정도인데 반하여 고초균 형질전화주는 생산된 효소전부를 , 거대균 형질전환주는 약 98%를 세포외로 분비함을 보임으로써 고초균과 거대균은 실용적인 면에서 대장균보다 우월 함을 나타내었다, pALS111의 각 숙주 내에서의 안정성을 살펴본 결과 거대균에서는 92%, 고초균에서는 76%, 대장균에서는 38% 로 나타났다. SDS-PAGE와 zymogram을 통해 추정 된 대장균과 고초균, 거대균에서 발현된 효소의 분자량은 약 55,000으로 확인되었다. 이들 형질전환주가 생산하는 $\alpha$-amylase는 starch 에 작용하여 주된산물로서 maltotriose 이상의 다양한 maltooligosaccharide들을 생산함이 확인 되었다.
활성산소는 많은 경우에 성인병, 염증, 암, 동맥경화 등과 관련되어 있다. 따라서 항산화물질의 섭취는 성인병 예방이나 치료에 도움이 될 수 있다. 보리, 쑥, 다시마, 대두는 자연식품으로 항산화물질을 포함하고 있다. 이들을 발효시켰을 때, 원재료에 비해 항산화도가 증가할 수 있는지 여부를 결정하였다. 항산화도를 결정하기 위해서는 1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl (DPPH)를 이용하였다. 보리, 쑥, 다시마, 대두를 Bacillus licheniformis Bl으로 발효 시켰을 때, ethanol 추출 발효산물의 항산화도는 원재료에 비해 각각, 2.6, 1.6, 2.7, 1.7배로 증가하였다. 또한,250∼300 nm에 걸쳐 발효대두의 ethanol 추출성분의 peak 영역이 대두의 것에 비해 뚜렷하게 높았으며, 이는 이런 구성성분의 차이가 양 항산화도의 차이와 관련되어 있을 가능성을 제시해 준다. Paraquat는 Escherichia coli내부에서 활성산소를 만들어 균의 성장을 억제하는 것으로 알려져 있다. Ethanol로 추출한 발효대두 성분은 paraquat 의한 균의 억제를 회복시킬 수 있었다. 이는 발효대두 성분이 체내에서도 이용될 수 있는 가능성을 보여준다.
Bacillus circulans KCT3004 유래의 호산성 $\alpha$-amylase 유전자가 pUC19을 vector로 하여 대장균 내에서 클로닝 되었다. 클로닝된 5.8kb Pst I DNA절편은 pUC19내에서의 삽입방향과는 무관하게 $\alpha$-amylans보다 약40배 정도의 높은 효소활성을 나타내었다. 본 연구에서 클로닝 및 발현된 효소의 최적 pH와 온도는 각각 pH 3.6 $45^{\circ}C$였으며, $40^{\circ}C$에서 1시간 동안의 사전 열처리에도 활성의 감소를 일으키지 않았다. 이 효소는 SDS-PAG와 zymogram을 통해 분석해 본 결과 분자량은 약 55,000으로 추정되었으며 기질로 starch만을 가수분해하여 maltoriose 이상의 올리고당 분자들을 주로 생산할수 있었다.
Bacillus circulans KCT3004 기원의 $\beta$-1,3-glucanase 유전자를 함유한 재조합 플라스미드 pLM460과 pUB110을 이용하여 shuttle 플라스미드 pMLS1180을 제작하고 Bacillus 세포에 이동.발현시켰다. pLMS1180으로 형질전환된 B. subtilis와 B. megaterium은 효율적으로 $\beta$-1,3-glucanase를 생산하였고, 이 효소들은 세포의 증식과 비례하여 생산되었다. 형질전환체가 생산하는 $\beta$-1,3-glucanase의 최대 활성을 유전자 공여 균주인 B. circulans와 비교하여 보니, B. subtilis는 14배, B. megaterium은 5배 정도의 높은 활성을 나타내었다. 그리고 대장균 형질전환체는 분비율이 7% 정도인데 반하여 B. subtilis 형질전환체는 생산된 효소를 전부, B. megaterium 형질전환체는 약 97%를 세포 외로 분비하는 것을 알 수 있었다. SDS-PAGE를 통해 대장균과 B. subtilis, B. megaterium에서 발현된 효소의 분자량을 분석해 보니 약 38,000으로 추정되었다. 또한, 이들 형질전환체가 생산하는 $\beta$-1,3-glucanase는 laminarin에 작용하여 주된 산물로서 laminaribiose (G2), laminaritriose (G3) 이상의 다양한 laminarioligosaccharide들을 생산함이 확인되었다. pLMS1180의 각 숙주 내에서이 안정성을 살펴본 결과 B.megaterium에서는 88%, 대장균에서는 75%, B. subtilis에서는 48%로 나타났다.
Bacillus circulans ATCC21367의 Cellulolytic Xylanase 유전자를 pUC19을 vector 로 하여 대장균내에서 클로닝 하였다. 재조합 plasmid pXL180은 B. circulans 로부터 유래 된 0.5 kb와 1.3 kb Pst I 절편으로 이루어진 총 1.8 kb 삽입 절편을 포함 하고 있었다. 1.3 kb 절편의 상류영역에 있는 0.5 kb 절편은 클로닝된 유전자의 정상 발현뿐만아니라 과잉 발 현에 대해서도 필수 불가결함을 확인하였다. 형질전환체는 모균 B. circulans에 의해 생산된 것보다 135배 이상 많은 xylanase를 생산하였다. 클로닝된 효소의 최적 pH와 온도는 각각 pH 5.2와 $60^{\circ}C$ 였다. $55^{\circ}C$에서 1시간 동안의 사전 연처리에도 이 효소는 활성의 감소를 일 으키지 않았다. 이 효소는 xylan과 carboxymethyl cellulose (CMC), lichenan에 대하여 기질 특이성을 보였는데, 주요 산물로서 xylose(EH는 G1)와 xylobiose(또는 G2), xylotriose(또는 G3)를 생산하였다. 그러므로 우리는 클로닝된 유전자의 효소를 cellulolytic xylanase로 명명 하였다. 액체 배양된 Eschericxhia coli DH5$\alpha$(pXL180)의 전체 세포 추충물이나 배양 상등 액으로부터 조제된 시료들의 SDSPAGE와 zymogram을 통하여 이 효소의 분자량은 45kDa 이었으며, 대장균 내에서 주목할 만한 processing은 일어나지 않았다.
Bacillus licheniformis B1의 ${\beta}$-1,4-glucanase 유전자는 Escherichia coli BL21에서 발현되어, 이로부터 수용성의 50 kDa 단백질이 과량생산되었다. 반면에 B. licheniformis에서는 37 kDa의 형태가 분비되었다. E. coli에서 발현된 ${\beta}$-1,4-glucanase는 leader peptide가 제거되지 않고 포함되어 있고 Bacillus에서는 효소의 carboxy 말단에서 processing이 일어난 것으로 보인다. E. coli에서 생산된 ${\beta}$-1,4-glucanase의 최적온도는 $40^{\circ}C$이었지만, $60^{\circ}C$에서도 최대치의 76% 활성을 유지하였다. 효소의 최적 pH는 7이었고, 효소의 활성은 전체적으로 보면 약산성, 중성 및 약알칼리 영역에 널리 걸쳐 있었다. Cellulase는 식품, 세제, 펄프, 제지, 섬유산업 등 다양한 분야에서 주로 산성의 곰팡이계 효소가 이용되고 있으나, 중성 및 알칼리성 cellulase 연구 및 개발은 미흡한 편이다. 본 연구에서 개발된 중성 cellulase가 바이오 연료 개발 등의 분야에서 활용되기를 기대해 본다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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