Elastin-like polypeptides (ELPs) undergo a reversible inverse phase transition upon a change in temperature. This thermally triggered phase transition allows for a simple and rapid means of purifying a fusion protein. Recovery of ELPs-tagged fusion protein was easily achieved by aggregation, triggered either by raising temperature or by adding salt. In this study, levansucrase has been used as a model enzyme in the development of a simple one-step purification method using ELPs. The levansucrase gene cloned from Pseudomonas aurantiaca S-4380 was tagged with various sizes of ELPs to functionally express and optimize the purification of levansucrase. One of two ELPs, ELP[V-20] or ELP[V-40], was fused at the C-terminus of the levansucrase gene. A levansucrase-ELP fusion protein was expressed in Escherichia coli $DH5{\alpha}$ at $37^{\circ}C$ for 18 h. The molecular masses of levansucrase-ELP[V-20] and levansucrase-ELP[V-40] were determined as 56 kDa and 65 kDa, respectively. The phase transition of levansucrase-ELP[V-20] occurred at $20^{\circ}C$ in 50 mM Tris-Cl (pH 8) buffer with 3 M NaCl added, whereas the phase transition temperature ($T_t$) of levansucrase-ELP[V-40] was $17^{\circ}C$ with 2 M NaCl. Levansucrase was successfully purified using the phase transition characteristics of ELPs, with a recovery yield of higher than 80%, as verified by SDS-PAGE. The specific activity was measured spectrophotometrically to be 173 U/mg and 171 U/mg for levansucrase-ELP[V-20] and levansucrase-ELP[V-40], respectively, implying that the ELP-tagging system provides an efficient one-step separation method for protein purification.
Glycine의 배양액 첨가에 의해 Pseudomonas aurantiaca S-4380 유래 재조합 levansucrase의 세포 외 분비가 촉진된다는 것을 알 수 있었다. 배지액에 존재하는 glycine 농도에 비례 의존적으로 균체 내에서 발현된 효소의 분비량이 증가되었고, 세포의 성장은 억제됨을 알 수 있었다. SDS-PAGE 분석결과 0.5%, 1.0% glycine 첨가로 배양시간이 증가하면서 세포내의 단백질 배양액으로 분비됨을 알 수 있었다. Levansucrase를 분비시키기 위한 최적화된 조건은 pH을 6.9-7.0으로 조절하면서 1.0% glycine을 배양초기 첨가하였을 때 배양말기에 단백질의 급격한 분해 없이 145 U/mL의 효소 활성도를 나타내었다.
To investigate the production and characteristics of thermostable levan sucrase from Rahnella aquatilis ATCC 33071, the levan sucrase gene from R. aquatilis was cloned and expressed in Escherichia coli without induction system. Expression of levansucrase gene in E. coli had no notable or detrimental effect on the growth of host strain, and the recombinant levan sucrase exhibited levan synthesis activity. Levansucrase was secreted to the periplasm in E. coli, and addition of $0.5\%$ glycine yielded further secretion of levansucrase to the growth medium and resulted in an increase of total levansucrase activity. Furthermore, the cellular levansucrase was evaluated for the production of levan by using toluenepermeabilized whole-cells. The levansucrase was thermostable at $37^{\circ}C$. The molecular size oflevan was $1{\times}\;10^{6}$ Da, as determined by HPLC, and the degree of polymerization of levan varied with incubation temperatures: Low incubation temperature was preferable for the production of high-molecular size levan. The present study demonstrated that the mass production of levan and levan oligosaccharides can be achieved by glycine supplementation to the growth medium or by toluenepermeabilized whole-cells.
DFA IV is di-D-fructose-2,6':6,2'-dianhydride, consisting of two fructose residues. It can be enzymatically synthesized from levan by levan fructotransferase, and can be used for mineral absorption. Understanding of the structure and composition of levan is important to obtain high-level production of DFA IV. A bacterial strain, Pseudomonas aurantiaca 5-4380, was identified to produce low-branched levan, and the levansucrase gene (lsch) from this bacterium was found to be composed of 1,275 Up coding for a protein of 424 amino acids, with an estimated molecular weight of 47 kDa. The bacterial levansucrase gene was expressed in Escherichia coli DH5${\alpha}$ by its own promoter and lac promoter. The recombinant levansucrase was produced in soluble form with 170U of levansucrase activity from 1-ml E. coii culture broth. The expressed enzyme from the clone showed similar biochemical properties, such as size of active levansucrase, degree of branching, and optimum temperature, with P.aurantiaca 5-4380 levansucrase.
Using Bacillus subtilis spore display system, with cotG as an anchoring motif, levansucrase from Zymomonas mobilis, was displayed on the outer surface of Bacillus subtilis spore. Flow cytometry of DB104 (pSDJH-cotG-levU) spore, proved the surface localization of CotG-LevU fusion protein on the spore compared to that of DB104. Enzymatic activity of DB104 (pSDJH-cotG-levU) spore showed more than 1.5 times higher levansucrase specific activity compared to that of the host spore, which is a remarkable increase of enzymatic activity considering the existence of sacA (sucrase) and sacB (levansucrase) in the Bacillus subtilis chromosome. The spore integrity, revealed by sporulation frequency test after heat and lysozyme treatment of spore, did not changed at all in spite of the CotG-LevU fusion protein incorporation into the spore coat layer during spore formation process. These data prove again that Bacillus subtilis spore could be considered as good live immobilization vehicle for efficient bioconversion process.
Kim, Hyun-Jin;Yang, Ji-Young;Lee, Hyeon-Gye;Cha, Jae-Ho
Journal of Microbiology and Biotechnology
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제11권4호
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pp.693-699
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2001
An intracellular levansucrase gene, lscR from Rahnella aquatilis ATCC 15552, was cloned and its nucleotide sequence was determined. Nucleotide sequence analysis of this gene revealed a 1,238 bp open reading frame coding for a protein of 415 amino acids. The levansucrase was expressed by using a T7 promoter in Escherichia coli BL21 (DE3) and the enzyme activity was detected in the cytoplasmic fraction. The optimum pH and temperature of this enzyme for levan formation was pH 6 and $30^{\circ}C$, respectively. The deduced amino acid sequence of the lscR gene showed a high sequence similarity (59-89%) with Gram-negative levansucrses, while the level of similarity with Gram-positive enzymes was less than 42%. Multiple alignments of levansucrase sequences reported from Gram-negative and Gram-positive bacteria revealed seven conserved regions. A comparison of the catalytic properties and deduced amino acid sequence of lscR with those of other bacterial levansucrases strongly suggest that Gram-negative and Gram-positive levansucrases have an overall different structure, but they have a similar structure at the active site.
An extracellular levansucrase, which catalyzes the formation of levan from sucrose, from the culture broth of Zymomonas mobilis ZM1 was purified by conventional column purification methods. The final purification yield was 18.3 fold of the crude enzyme from Z. mobilis, with 16.5 % of the enzyme recovered in the preparation step. The molecular weight of the enzyme was estimated to be 91,000 by Superose 12 gel filtration, and 45,000 by SDS-PAGE, indicating that levansucrase is a dimer. The optimum pH for the enzyme activity was around pH 4.0 for sucrose hydrolysis, and was around pH 5.0 for levan formation. The enzyme was inhibited by some metal ions, such as Hg$\^$2+/ and Cu2$\^$2+/, and 50% of inhibition was observed with 5mM EDTA. The enzyme activity was enhanced by the presence of detergent Triton X-100, but inhibited by SDS completely The enzyme catalyzes the liberation of reducing sugars, oligosacccharides and the formation of fructose polymer(levan). The enzyme also catalyzes the transfructosylation reaction of fructose moiety from sucrose to various sugar acceptor molecules, including sugar alcohols.
Levan is a functional fructooligosaccharide that belongs to the class of fructans and displays a range of physiological and dietary benefits. Levansucrase, classified as a fructosyltransferase, catalyzes the synthesis of levan fructans through the transfer of d-fructosyl residues from sucrose. Recombinant levansucrase exhibits a significantly high level of expression and activity in E. coli, however, its industrial applicability is limited due to its relatively poor thermal stability. In this study, we generated six single mutants by targeting either the high flexibility regions (242-250) or the 382Glu residue within the -TEAP- motif, and further developed two double mutants featuring concurrent mutations encompassing both regions. We expressed multiple levansucrase mutant proteins in E. coli DH5α using site-directed mutagenesis and measured the enzymatic activity and thermal stability of each mutant by levan formation reactions. The E246Y mutant displayed half-time 5.02-fold and 1.89-fold higher at 55℃ and 56℃, respectively, when compared to the WT, whereas the E382L mutant exhibited a 1.06-fold enhancement in half-time at 55℃. Furthermore, E246Y/E382L exhibited 1.95-fold and 1.86-fold higher thermal stability at 55℃ and 56℃, respectively. These findings suggest the potential for the developed thermally stable levansucrases to be applied in industrial settings, highlighting the effectiveness of our targeted mutagenesis approach.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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