• 청정기술
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• 제22권3호
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• pp.175-180
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• 2016

본 연구에서는, 저온 및 약산성 조건에서 높은 활성을 보이는 티로시나아제인 tyrosinase-CNK의 반응 안정성을 조사하였다. Tyrosinase-CNK는 지금까지 알려진 중온성(mesophilic) 및 호열성(thermophilic) 환경 유래의 티로시나아제 보다는 열 안정성이 낮았으나 0 ℃에서 효소 안정성이 매우 뛰어났고, 반복적인 동결-해동(freeze-thaw) 과정에서도 효소 활성을 안정적으로 유지하였다. 또한, 물과 ethanol 및 acetonitrile이 혼합된 유기용매 환경에서 초기 상대 활성 값의 변화가 관찰되었으나 유기용매 농도의 증가로 인한 추가적인 활성 저하를 유발하지 않고 활성을 일정하게 유지하였다. 한편, 효소 반응의 염(salt)에 대한 저해는 chaotropic 특성이 많이 나타나는 염일수록 적게 나타났다. 결과적으로, tyrosinase-CNK는 통상의 티로시나아제를 이용하여 반응을 수행하기 어려운 환경에서도 원하지 않는 반응을 억제하고 효소 불활성화를 최소화면서 반응을 촉매할 것으로 기대된다.

• Journal of Microbiology and Biotechnology
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• 제27권12호
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• pp.2180-2189
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• 2017

Psychrophilic phytases suitable for aquaculture are rare. In this study, a phytase of the histidine acid phosphatase (HAP) family was identified in Morchella importuna, a psychrophilic mushroom. The phytase showed 38% identity with Aspergillus niger PhyB, which was the closest hit. The M. importuna phytase was overexpressed in Pichia pastoris, purified, and characterized. The phytase had an optimum temperature at $25^{\circ}C$, which is the lowest among all the known phytases to our best knowledge. The optimum pH (6.5) is higher than most of the known HAP phytases, which is fit for the weak acidic condition in fish gut. At the optimum pH and temperature, MiPhyA showed the maximum activity level ($2,384.6{\pm}90.4{\mu}mol{\cdot}min^{-1}{\cdot}mg^{-1}$, suggesting that the enzyme possesses a higher activity level over many known phytases at low temperatures. The phytate-degrading efficacy was tested on three common feed materials (soybean meal/rapeseed meal/corn meal) and was compared with the well-known phytases of Escherichia coli and A. niger. When using the same amount of activity units, MiPhyA could yield at least $3{\times}$ more inorganic phosphate than the two reference phytases. When using the same weight of protein, MiPhyA could yield at least $5{\times}$ more inorganic phosphate than the other two. Since it could degrade phytate in feed materials efficiently under low temperature and weak acidic conditions, which are common for aquacultural application, MiPhyA might be a promising candidate as a feed additive enzyme.

• 대한의생명과학회지
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• 제8권1호
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• pp.29-37
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• 2002

Listeria monocytogenes poses an increasing health risk, which in part is due to increasing health risk, consumption of ready-to-eat food products and the introduction of increasing numbers of food products from regions with different dietary habits. L. monocytogenes can be present in meat, shellfish, vegetables, unpasteurised milk and soft cheese and poses a risk if food containing these products is stored at refrigeration temperature and is not properly heated before consumption, as L. monocytogenes is psychrophilic. Amplified-fragment length polymorphism (AFLP) analysis is the method of genotypic techinique in which adaptor oligonucleotides are ligated to restriction enzyme fragments and then used as target sites for primers in a PCR amplification. The amplified fragments are electrophoretically separated to give strain-specific band profiles. Single-enzyme approach that did not require costly equipment or reagents for the fingerprinting of strains of Listeria monocytogenes was developed. Single-enzyme amplified fragment length polymorphism (SE-AFLP) analysis was used to perform species and strain identification of Salmonella, Shigella, Yersinia and E. coli. By careful selection of AFLP primers, it was possible to obtain reproducible and sensitive identification to strain level. The AFLP patterns of L. monocytogenes are divided by the kinds of specimens in which were isolated. SE-AFLP fragments can be analyzed using standard gel electrophoresis, and can be easily scored by visual inspection, due to the low complexity of the fingerprint obtained by this method. These features make SE-AFLP suitable for use in either field or laboratory applications.

• Journal of Microbiology and Biotechnology
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• 제26권12호
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• pp.2087-2097
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• 2016

Most cold-adapted enzymes possess higher $K_m$ and $k_{cat}$ values than those of their mesophilic counterparts to maximize the reaction rate. This characteristic is often ascribed to a high structural flexibility and improved dynamics in the active site. However, this may be less convincing to cold-adapted metabolic enzymes, which work at substrate concentrations near $K_m$. In this respect, cold adaptation of a shikimate kinase (SK) in the shikimate pathway from psychrophilic Colwellia psychrerythraea (CpSK) was characterized by comparing it with a mesophilic Escherichia coli homolog (EcSK). The optimum temperatures for CpSK and EcSK activity were approximately $30^{\circ}C$ and $40^{\circ}C$, respectively. The melting points were $33^{\circ}C$ and $45^{\circ}C$ for CpSK and EcSK, respectively. The ${\Delta}G_{H_2O}$ (denaturation in the absence of denaturing agent) values were 3.94 and 5.74 kcal/mol for CpSK and EcSK, respectively. These results indicated that CpSK was a cold-adapted enzyme. However, contrary to typical kinetic data, CpSK had a lower $K_m$ for its substrate shikimate than most mesophilic SKs, and the $k_{cat}$ was not increased. This observation suggested that CpSK may have evolved to exhibit increased substrate affinity at low intracellular concentrations of shikimate in the cold environment. Sequence analysis and homology modeling also showed that some important salt bridges were lost in CpSK, and higher Arg residues around critical Arg 140 seemed to increase flexibility for catalysis. Taken together, these data demonstrate that CpSK exhibits characteristics of cold adaptation with unusual kinetic parameters, which may provide important insights into the cold adaptation of metabolic enzymes.

• Journal of Microbiology and Biotechnology
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• 제29권2호
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• pp.244-255
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• 2019

Xylose isomerase (XI; E.C. 5.3.1.5) catalyzes the isomerization of xylose to xylulose, which can be used to produce bioethanol through fermentation. Therefore, XI has recently gained attention as a key catalyst in the bioenergy industry. Here, we identified, purified, and characterized a XI (PbXI) from the psychrophilic soil microorganism, Paenibacillus sp. R4. Surprisingly, activity assay results showed that PbXI is not a cold-active enzyme, but displays optimal activity at $60^{\circ}C$. We solved the crystal structure of PbXI at $1.94-{\AA}$ resolution to investigate the origin of its thermostability. The PbXI structure shows a $({\beta}/{\alpha})_8$-barrel fold with tight tetrameric interactions and it has three divalent metal ions (CaI, CaII, and CaIII). Two metal ions (CaI and CaII) located in the active site are known to be involved in the enzymatic reaction. The third metal ion (CaIII), located near the ${\beta}4-{\alpha}6$ loop region, was newly identified and is thought to be important for the stability of PbXI. Compared with previously determined thermostable and mesophilic XI structures, the ${\beta}1-{\alpha}2$ loop structures near the substrate binding pocket of PbXI were remarkably different. Site-directed mutagenesis studies suggested that the flexible ${\beta}1-{\alpha}2$ loop region is essential for PbXI activity. Our findings provide valuable insights that can be applied in protein engineering to generate low-temperature purpose-specific XI enzymes.

• 한국미생물·생명공학회지
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• 제46권3호
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• pp.234-243
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• 2018

남극해에는 산업적으로 유용한 신규 효소촉매를 생산하는 미생물들이 들어 있다. 우리는 로스해(Ross Sea)로부터 분리한 여러 저온성 박테리아를 조사하였으며, 그 중에서 지방분해 능력이 뛰어난 Croceibacter atlanticus (No. 40-F12)를 찾았다. Shotgun 클로닝 방법으로 리파아제 유전자(lipCA)를 찾았으며 Escherichia coli 균에서 LipCA 효소를 발현하였다. Spain Arreo metagenome alpha/beta hydrolase를 기준으로 LipCA 상동구조모델을 만들어서 분석한 결과, ${\alpha}/{\beta}$ hydrolase fold, Gly-X-Ser-X-Gly motif, 그리고 lid 구조를 갖고 있기 때문에 전형적인 리파아제 효소임이 밝혀졌다. Ammonium sulfate 침전법과 겔여과 크로마토그래피를 통해서 세포추출액으로부터 LipCA 효소를 순수하게 분리한 후, 최적 온도, pH, 안정성, 기질특이성, 유기용매 안정성 등의 효소특성을 규명하였다. LipCA를 cross-linked enzyme aggregate (CLEA) 방법으로 고정화하고 효소특성을 조사, 비교하였다. 고정화를 통해 온도, pH, 유기용매에 대한 안정성이 증가하였고 기질특이성의 변화는 관찰되지 않았다. $LipCA^{CLEA}$는 원심분리 방법으로 쉽게 회수되었고 4번의 재사용 후에 40% 이상의 활성이 잔재하였다. 이 논문은 C. atlanticus 리파아제의 발현, 특성규명, Cross-linked Enzyme Aggregated 고정화를 바탕으로 안정성을 높여 산업적 활용 가능성을 제시한 최초의 보고이다.

• 한국미생물학회:학술대회논문집
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• 한국미생물학회 2001년도 추계학술대회
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• pp.39-45
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• 2001

Extremophiles are unique microorganisms that are adapted to survive in ecological niches such as high or low temperatures, extremes of pH, high salt concentrations and high pressure. These unusual microorganisms have unique biochemical features which can be exploited for use in the biotechnological industries. Due to the high biodiversity of extremophilic archaea and bacteria and their existence in various biotopes a variety of biocatalysts with different physicochemical properties have been discovered. The extreme molecular stability of their enzymes, membranes and the synthesis of unique organic compounds and polymers make extremophiles interesting candidates for basic and applied research. Some of the enzymes from extremophiles, especially hyperthermophilic marine microorganisms (growth above $85^{\circ}C$), have already been purified in our laboratory. These include the enzyme systems from Pyrococcus, Pyrodictium, Thermococcus and Thermotoga sp. that are involved in polysacharide modification and protein bioconversion. Only recently, the genome of the thermoalkaliphilic strain. Anaerobranca gottschalkii has been completely sequenced providing a unique resource of novel biocatalysts that are active at high temperature and pH. The gene encoding the branching enzyme from this organism was cloned and expressed in a mesophilic host and finally characterized. A novel glucoamylase was purified from an aerobic archaeon which shows optimal activity at $90^{\circ}C$ and pH 2.0. This thermoacidophilic archaeon Picrophilus oshimae grows optimally at pH 0.7 and $60^{\circ}C$. Furthermore, we were able to detect thermoactive proteases from two anaerobic isolates which are able to hydrolyze feather keratin completely at $80^{\circ}C$ forming amino acids and peptides. In addition, new marine psychrophilic isolates will be presented that are able to secrete enzymes such as lipases, proteases and amylases possessing high activity below the freezing point of water.

• 생태와환경
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• 제47권spc호
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• pp.39-47
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• 2014

바이칼호에 서식하는 2종의 스폰지 체내 및 주변 물로부터 92개의 저온성 균주를 분리하고 각 균주들의 기질 분해능을 조사하였다. 그 결과 섬유소와 지방에 대한 분해 활성도를 갖는 균주는 38.0, 34.8%로 비교적 적었으나 전분과 단백질 분해 활성도를 갖는 균주는 78.3, 57.6%로 높은 비율로 나타났다. 분리한 세균을 염기서열의 유사도에 따라 분류하기 위하여 Genomic Fingerprinting을 실시한 후 31개 균주를 선별하여 동정한 결과, Baikalospongia sp.에서 분리한 13균주는 모두 Pseudomonas속으로 확인된 반면, Lubomirskia sp.에서 분리한 14균주는 Pseudomonas ssp., Buttiauxella agrestis, Pseudomonas fluorescens, Yersinia ruckeri, Bacillus ssp., Paenibacillus ssp., Bacillus thuringiensis, Bacillus simplex, Brevibacterium ssp., Acinetobacter lwoffii로 다양하게 동정되었다. 그러나 총 31개 균주 중 18개가 Pseudomonas속으로 동정된 것은 타감작용에 의한 다른 세균 성장의 방해 때문으로 평가되며, 이러한 일반적인 배양 방법의 한계점을 극복하기 위해서는 스폰지의 서식처와 세균의 검출 방법에 대하여 보다 다양한 심층적인 연구가 이루어져야 할 것으로 생각된다.

• 한국미생물·생명공학회지
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• 제37권2호
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• pp.118-124
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• 2009

에스터라제 EM2L8 유전자를 E. coli 균에서 발현하고 에스터라제 활성을 분석한 결과, $40-45^{\circ}C$에서 최적의 효소활성을 보였다. $15^{\circ}C$에서 최대활성의 45% 활성을 보였고 $15-45^{\circ}C$ 사이의 활성화에너지는 4.9 kcal/mol로 계산됨으로써 전형적인 저온 적응효소인 것으로 밝혀졌다. 또한, $4^{\circ}C$에서 장기보관해도 효소활성이 전혀 줄어들지 않음을 통해서 저온에서 안정한 효소임을 알게 되었다. 반응액에 에탄올, 메탄올, 아세톤을 15% 농도까지 첨가해도 효소활성이 줄어들지 않았으며 DMSO의 경우, 40% 농도까지 첨가해도 효소활성이 유지되는 것으로 나타났다. 이 효소 40 U을 Tris-HCl 용액(1.2 mL, pH 9.0)에 넣고 $30^{\circ}C$에서 (R,S)-ECHB(0.5%, 38 mM)의 분해반응을 수행한 결과, 기질이 가수분해되어 CHBacid가 생성되며 기질의 분해속도는 $6.8\;{\mu}mole/h$로 계산되었다. (R)-ECHB 보다 (S)-ECHB 기질을 빠르게 분해하였으며 전환수율이 80%일 때, e.e.s 값이 40%로 측정되었다. 반응액에 DMSO를 10% (v/v) 농도로 각각 첨가한 결과, 기질의 분해 속도는 $10.4\;{\mu}mole/h$로 증가되었다. 하지만 DMSO의 유무와 상관없이 전환수율에 따른 e.e.s 값은 유사하게 나타났다. 결론적으로 이 효소는 저온과 각종 유기용매 하에서도 높은 안정성과 활성을 갖고 있기 때문에 각종 의약품의 유기합성공정에서 효소촉매로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

• 미생물학회지
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• 제54권1호
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• pp.60-68
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• 2018

남극 해양세균 Pseudoalteromonas arctica PAMC 21717로부터 저온활성 alkaline protease (Pro21717)를 부분정제하였다. Pro21717 효소 추출액은 skim milk를 포함하는 zymogram gel 상에서 약 37 kDa (낮은 활성)과 74 kDa (높은 활성) 위치에서 두 개의 뚜렷한 투명밴드(clear zone)를 형성하였다. 단백질 분해활성을 나타내는 두 개의 효소단백질은 동일한 N-말단 아미노산 서열을 가지고 있었으며, 하나의 유전자에서 발현된 미성숙 단백질(precursor)이 37 kDa 크기의 단백질분해효소로 성숙화과정을 거친 후 74 kDa 크기로 이량체화됨으로써 좀 더 높은 활성을 가지는 것으로 판단된다. Pro21717은 $0-40^{\circ}C$ (최고활성 온도 $40^{\circ}C$) 온도 범위에서 단백질분해활성을 나타내었고 pH 5.0-10.0 (최적 pH 9.0) 범위에서 효소활성을 유지하였다. 주목할만한 특성으로써, Pro21717은 $40^{\circ}C$에서의 최고 효소활성(100%) 대비, $0^{\circ}C$와 $10^{\circ}C$에서 각각 30%와 45%의 높은 저온활성을 나타내었다. 또한 다양한 합성 펩타이드류에 대해 분해활성을 나타내는 Pro21717은 $Cu^{2+}$에 의해 활성이 증가하였으며, 시판용 세탁세제(commercial detergent formulation)에 포함되어 있는 다양한 종류의 계면활성제, 화학성분, 금속이온에 의해 활성이 감소되지 않았다. 전반적으로 저온활성 Pro21717은 글로벌 상업용효소 생산회사 Novozymes이 시판하고 있는 중온성 효소 Subtilisin Carlsberg (trademark Alcalase)에 버금가는 유용한 효소학적 특성이 있는 동시에 상대적으로 더 높은 저온활성을 보여주고 있다. 위의 실험결과들은, Pro21717은 $15^{\circ}C$ 이하의 차가운 수돗물에서도 세척력을 유지하는 새로운 세탁세제 효소첨가제로서의 개발 가능성을 보여주고 있다.