Bacillus sphaericus 1593 is a larvicidal toxin-producing mosquitocidal bacterium. The toxin contains a parasporal crystalline inclusion which is composed of a protein that is activated under alkaline condition. To enhance alkaline environment around toxin protein, cryptic plasmid cured, B. sphaericus 1593 was transformed by the Bacillus pasteurii urease gene which generate ammonia from urea. Transformant produced urease at about 80% more than wild type strain. B. sphaericus 1593, and the urease gene was stably maintained. It also produced crystalline toxin protein at the same level as the wild type strain B. sphaericus 1593.
International Journal of Industrial Entomology and Biomaterials
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v.2
no.2
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pp.185-189
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2001
Wild type Bacilus thuringiensis subsp. israelensis and B. sphaericus toxins have been used separately as active in ingredients for bacterial insecticides to control mosquito larvae due to their comparable toxicity to chemical insecticides. Cry11B, recently cloned from B. thuringiensis subsp. jegathesan, shows higher toxicity against three major species of mosquito larvae than Cry11A, one of the major component of B. thuringiensis subsp. israelensis inclusion body. To determine whether the combination of cry11B and B. sphaericus binary toxins is as toxic as B. thuringiensis subsp. israelensis parental strain, cry11B and B. sphaericus binary toxins genes were co-expressed as an operon using cytlA promoters/STAB-SD hybrid expression system in B. thuringiensis subsp. israelensis acrystalliferous strain 4Q7. However, unexpectedly, B. sphaericus binary toxins were barely produced, whereas relatively large amount of Cry11B was produced. When this strain was grown in four different media, NB+G and Peptonized Milk produced more toxin proteins and spores per unit of media than GYS and G-Tris. Toxicity of this strain against fourth instar Culex quinquefasciatus was ranged from of 8.3 to 45.7 ng/ml, with NB+G culture being the highest, and GYS culture was the lowest.
Binary toxin consisting of BinA and BinB from Bacillus sphaericus is toxic to mosquito larvae. BinB is responsible for specific binding to the larval gut cell membrane while BinA is crucial for toxicity. To investigate functional role of cysteine in BinB, three cysteine residues at positions 67, 161, and 241 were replaced by alanine or serine. Mutations at these positions did not affect protein production and overall structure of BinB. These cysteine residues are not involved in disulfide bond formation between BinB molecules. Mosquito-larvicidal assays revealed that C67 and C161 are essential for toxicity, whereas C241 is not. Mutations at C67 and C161 resulted in weaker BinA-BinB interaction. The loss of toxicity may be due to the reduction of interactions between BinA and BinB or BinB and its receptor. C67 and C161 could also play a part during conformational changes or internalization of the binary toxin into the target cell.
A clone pSL 2-1, which is a recombinant plasmid believed to contain the mosquitocidal crystal-line protein gene of the Bacillus sphaericus 1593, was expressed in Escherichia coli JM83 and the product of the clone was purified and identified. The unsolubilized mosquitocidal crystal proteins from the B. sphaericus had formed 43, 58, 64, 100, 113, and 130 Kd bands in the SDS-polyacrylamide gel, but the NaOH-solublized proteins at pH 12 formed 2 protein bands of 43- and 64Kd in the gel because the larger protein (precursor) bands were cleaved. The products of the pSL 2-1 clone was purified by Sephadex G-200 and only the fractions having lethal activity to the 3rd in-star larvae of mosquito Culex pipiens were analyzed by the gel. The only single protein band of 42 Kd toxic to the larvae was formed. The major toxic protein being produced from the B. sphaericus 1593 and the pSL 2-1 clone was found to be the 42 Kd.
Bacillus sphaericus produces mosquito-larvicidal binary toxin composed of BinA and BinB. While BinB is expected to bind to a specific receptor on the cell membrane, BinA interacts to BinB or BinB receptor complex and translocates into the cytosol to exert its activity via unknown mechanism. To investigate functional roles of aromatic cluster in BinA, amino acids at positions Y213, Y214, Y215, W222 and W226 were substituted by leucine. All mutant proteins were highly produced and their secondary structures were not affected by these substitutions. All mutants are able to insert into lipid monolayers as observed by Langmuir-Blodgett trough and could permeabilize the liposomes in a similar manner as the wild type. However, mosquito-larvicidal activity was abolished for W222L and W226L mutants suggesting that tryptophan residues at both positions play an important role in the toxicity of BinA, possibly involved in the cytopathological process after toxin entry into the cells.
The cell cultures and crude extracts of Bacillus sphaericus 1593 K-5 and its mutant Spo-Dl216 were respectively bioassayed against Culex pipiens var. pollens mosquito larvae. The B. sphaeriucs 1593 K-5 showed toxic activity against the larvae. LC$_{50}$ values (cells/$m\ell$) was 2.6$\times$10$^2$. Also the LC$_{50}$ ($\mu\textrm{g}$ Protein/$m\ell$) of the crude extract was 10.26. However, B. sphaericus Spo-Dl216 didn't show toxic activity against the larvae. The soluble cytoplasmic toxin in broken B. sphaeriucs 1593k-5 cells was partially purified by gel permeation chromatography and ion exchange chromatography. Among the fractions of the gel permeation chromatography only a single fraction was found to be toxic. LC$_{50}$ values ($\mu\textrm{g}$ protein/$m\ell$) of the active fraction was 0.182. The active fraction of the gel permeation was subjected to ion exchange chromatography. Only a single fraction showed toxic activity and its LC$_{50}$ values ($\mu\textrm{g}$ protein/$m\ell$) was 0.02..02.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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