Five strains, producing bacterial thermostable L-arabinose isomerase, were isolated from Korean soil samples obtained from compost under high temperature circumstances. Among these strains, the CBG-Al showed the highest L-arabinose isomerase activity at $60^\circ{C}$ and was selected as a D-tagatose producing strain from D-galactose. This strain was identified as Geobacillus thermodenitrificans based on the 16S rRNA analysis, and biological and biochemical characteristics. The isolated strain was aerobic, rod-shaped, Gram-positive, nonmotile, and an endospore-forming bacterium. No growth was detected in culture temperature below $40^\circ{C}$. The maximum growth temperature and maximum temperature of enzyme activity were $75^\circ{C}$ and $65^\circ{C}$, respectively. In metal ion effects, $Ca^{2+}$ was the most effective enzyme activator with the reaction rate by 150%. In a 5-1 jar fermentor with 3-1 MY medium, L-arabinose isomerase activity was growth-associated and pH decreased rapidly after the initial logarithmic phase.
한국미생물생명공학회 2000년도 Proceedings of 2000 KSAM International Symposium and Spring Meeting
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pp.68-75
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2000
D-Tagatose is a potential bulking agent in food as a non-calorific sweetener. To produce D-tagatose from cheaper resources, plasmids harboring the L-arabinose isomerase gene (araA) from Escherichia coli was constructed because L-arabinose isomerase was previously suggested as an enzyme that mediates the bioconversion of galactose to tagatose as well as that of arabinose to ribulose. In the cultures of recombinant E.coli with pTC101, which harboring araA of E.coli, tagatose was produced from galactose in 9.9 % yield. The enzyme extract of E.coli containing pTC101 also converted galactose into tagatose in 96.4 % yield. For the economic production of D-tagatose, an L-arabinose isomerase of E.coli was immobilized using covalent binding on agarose. While the free L-arabinose isomerase produced tagatose with the rate of 0.48 mg/U$.$day, the immobilized one stably converted galactose into average 7.5 g/l$.$day of tagatose during 7 days with higher productivity of 0.87 mg/U$.$day. In the scaled up immobilized enzyme system, 99.9 g/l of tagatose was produced from galactose with 20 % equilibrium in 48 hrs. The process was stably repeated additional 2 times with tagatose production of 104.1 and 103.5 g/l.
Although arabinose isomerase (E.C. 5.3.1.4), a commercial enzyme for edible tagatose bioconversion, can be expressed in an Escherichia coli system, this expression system might leave noxious by-products in food. To develop an eligible tagatose bioconversion with food-safe system, we compared the tagatose production activity of immobilized arabinose isomerase expressed in Bacillus subtilis (a host generally recognized as safe) with that of the enzyme expressed in E. coli. A 48% increase in tagatose production (4.3 g tagatose/L at $69.4\;mg/L{\cdot}hr$) was found using the B. subtilis-expressed immobilized enzyme system, compared to the E. coli-expressed enzyme system (2.9 g tagatose/L). The increased productivity with safety of the B. subtilis-expressed arabinose isomerase suggests that it is a more eligible candidate for commercial tagatose production.
Metallic and non-metallic isomerases can be used to produce commercially important monosaccharides. To determine which category of isomerase is more suitable as a template for directed evolution to improve enzymes for galactose isomerization, L-arabinose isomerase from Escherichia coli (ECAI; E.C. 5.3.1.4) and tagatose-6-phosphate isomerase from Staphylococcus aureus (SATI; E.C. 5.3.1.26) were chosen as models of a metallic and non-metallic isomerase, respectively. Random mutations were introduced into the genes encoding ECAI and SATI at the same rate, resulting in the generation of 515 mutants of each isomerase. The isomerization activity of each of the mutants toward a non-natural substrate (galactose) was then measured. With an average mutation rate of 0.2 mutations/kb, 47.5% of the mutated ECAIs showed an increase in activity compared with wild-type ECAI, and the remaining 52.5% showed a decrease in activity. Among the mutated SATIs, 58.6% showed an increase in activity, whereas 41.4% showed a decrease in activity. Mutant clones showing a significant change in relative activity were sequenced and specific increases in activity were measured. The maximum increase in activity achieved by mutation of ECAI was 130%, and that for SATI was 190%. Based on these results, the characteristics of the different isomerases are discussed in terms of their usefulness for directed evolution of non-natural substrate isomerization.
Streptomyces sp. strain K-17의 포도당 이성화효소의 강력한 분비를 위해서는 inducer로서 D-xylose를 필요로 하고 있다. 그런데 D-xylose를 가하지 않고 1.0% glucose를 가한 배지에서 배양한 이성화효소 역가가 낮은 균체를 모아서 이것을 다시 0.05M인 산 완충액 (PH7.0)에 현탁시켜 0.5 % xylose를 가하여 호기적으로 해주었을 때 효소의 induction pattern을 조사한 결과 효소활성이 10시간까지는 처리 시간에 따라 직선상으로 증가하고 이에 비례해서 D-xylose의 양이 감소했으나 cell mass에 있어서는 거의 변동이 없었다. 이때 효소단백의 합성이 일어나고 있지만, 전 RNA함량에 있어서는 오히려 감소하였다. 이와 같이 질소원을 가하지 않는 non-growth phase에서도 효소단백의 합성이 일어나는 것은 세포내에 축적되어 있는 단백질의 turn-over에 의한다는 것을 starvation 실험에서 알 수 있었다. D-xylose 이외에 D-ribose, L-arabinose, D-glucose, D-mannose, citrate, succinate 및 tartrate는 inducer로서의 효과가 없었다. 효소의 induction시, D-glucose를 가했을 경우catabolite repression 이 일어났으며 succinate 나 citrate 에 의해서도 강하게 효소생성이 억제되었다. 이와 같은 현상은 growth phase에서도 마찬가지 결과를 나타내었다. Induction시, $Ba^{2+}$, $Mg^{2+}$ 및 $Co^{2+}$가 효소생성을 발전시켰으며, C $u^{2+}$, C$d^{2+}$, A $g^{+}$ 및 H $g^{2+}$ 와 같은 중금속이 효소생성을 저해하였고, mitomycin C 몇 penicillin G는 효소생성에 영향을 주지 못하였으나, actinomycin D, streptomycin, chlora-mphenicol 및 tetra cycline등에 의해 강하게 저해되었다. 또 p-CMB 및 uncoupler 인 arsenate와 2.4-DNP에 의해서도 효소생성이 저해되었다.
Strptomyces albus T-12 which ahd been isolated and identified in the laboratory, was selected for the studies on the cultural conditions on the production of D-xylose iosmerase and the enzymological characteristics using the partially purified enzyme. The best results in the enzyme production came from D-xylose medium than wheat bran. The divalent metla ions as $Co^{2+},\;Fe^{2+},\;Zn^{2+}\;and\;Cu^{2+}$ retard or inhibit the cell-growth at the early stages of mycelia propagations, and T-12 strain is especially sensitive to $Co^{2+}$. After 60 hours of shaking cultivation at $30^{\circ}C$ and 200 rpm, a maximum enzyme activitz, 0.49 enzyme units, was obtained. Cell-free enzyme obtained from mycelia heat-treated in the prescence of 0.5mM $Co^{2+}$, showed a 2.4-fold increase in specific than the enzyme from untreated mycelia. The specific activity of the purified enzyme through Sephadex G-150 columm showed 180 fold to the crude enzyme. The effective activators of the enzyme appeared to be $Mg^{2+}\;and\;Co^{2+}$ ions, and it exhibited the maximal enzyme activity showed at pH 7.0 and at tempersture around $80^{\circ}C$ when $Mg^{2+}\;and\;Co^{2+}$ ions were added. The enzyme isomerized D-glucose, D-xylose, D-ribose, L-arabinose, D-mannose, and L-rhamnose in the present of $Mg^{2+}\;and\;Co^{2+}$ ions as an activatiors. $Mg^{2+}\;and\;Co^{2+}$ ions were non-competitively bound at different allosterix sites of enzyme molecule. $Mg^{2+}(5mM)\;or\;Co^{2+}(1.0mM)$ protected against the thermal denaturations of the enzyme activities. The michelis constant(Km) and $V_{max}$ values of the emzyme for D-glucose and D-xylose were 0.52M, $2.12{\mu}moles/ml{\cdot}min.\;and\;0.28M,\;0.65moles/ml{\cdot}min.$, respectively.
희소당(Rare Sugars)은 국제희소당학회(International Society of Rare Sugars, ISRS)에 의해 지구상에 극히 소량 존재하는 단당류 또는 단당 유도체로서 정의되어 있으며, 희소당이 보유하고 있는 저칼로리, 항암, 항염증 및 항산화와 같은 유용한 생리활성으로 인해 현대산업분야에서 높은 주목을 받고 있는 차세대 기능성 신소재이다. 희소당은 자연계에 존재의 희소성으로 인해 희소당의 원활한 공급을 위한 희소당 생산 연구는 무엇보다도 중요한 연구로서 인식되어져 있다. 일반적으로 희소당은 화학적 방법과 미생물 유래 효소를 이용한 생물학적 방법으로 생산이 가능한데, 친환경적이며 생산공정도 안전한 생물학적 방법이 최근에 많은 주목을 받고 있다. 현재까지 희소당은 약 50종류 이상이 보고되어져 있는데 저칼로리, 항산화, 설탕 유사 감도 및 감미 특성으로부터 D-Allulose, D-Allose, 그리고 D-Tagatose가 특히 많은 주목을 받고 있는 희소당으로서 알려져 있다. 본 연구에서는 식품산업 및 의약산업을 비롯하여 다양한 산업분야에서 향 후 높은 활용성이 기대되는 D-Allulose, D-Allose, 그리고 D-Tagatose에 대한 미생물 유래 효소를 이용한 생물전환 생산에 대하여 보고를 하고자 한다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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