β-1,3-glucanosyltransferases play essential roles in cell wall biosynthesis in yeast. Kluyveromyces lactis has six putative β-1,3-glucanosyltransferase genes. KlGAS1-1 and KlGAS1-2 are homologs of Saccharomyces cerevisiae gene GAS1. RT-qPCR indicated the transcription level of KlGAS1-1 was significantly reduced while heterologous protein (thermostable xylanase B) secretion was enhanced during medium optimization. To evaluate if these two events were related, and to improve xylanase B secretion in K. lactis, we constructed KlGAS1-1 and KlGAS1-2 single deletion strains and double deletion strain, respectively. KlGAS1-1 gene deletion resulted in the highest xylanase B activity among the three mutants. Only the double deletion strain showed morphology similar to that of the GAS1 deletion mutant in S. cerevisiae. The two single deletion strains differed in terms of cell wall thickness and xylanase B secretion. Transcription levels of β-1,3-glucanosyltransferase genes and genes related to protein secretion and transport were assayed. The β-1,3-glucanosyltransferase genes displayed transcription complementation in the cell wall synthesis process. KlGAS1-1 and KlGAS1-2 affected transcription levels of secretion- and transport-related genes. Differences in protein secretion ratio among the three deletion strains were associated with changes of transcription levels of secretion- and transport-related genes. Our findings indicate that KlGAS1-1 deletion is an effective tool for enhancing industrial-scale heterologous protein secretion in K. lactis.
제주도에서 채집된 토양시료로부터 xylanase 활성을 나타내는 균주를 분리하여 WJ-2로 명명하였다. 균주 WJ-2의 16S rRNA 유전자 염기서열을 결정하여 이를 토대로 상동성을 검색한 결과, Streptomyces 속의 균주들과 높은 염기서열 상동성을 보였다. 16S rRNA 유전자 염기서열을 토대로하는 neighbor-joining 계통수를 제작하여 Streptomyces atrovirens와 가장 높은 계통발생적 연관성이 갖고 있는 것을 밝혔다. 또한 DNA-DNA hybridization 분석을 통하여 Streptomyces atrovirens의 신규한 아종임을 증명하였다. 균주 WJ-의 게놈내 GC 농도는 73.98 mol%이었으며, 주요 세포벽 지방산으로 anteiso-$C_{15:0}$ (36.19%)을 함유하고 있었다. 균주 WJ-2의 성장 및 xylanase 생산은 배지내에 질소원으로 soytone과 탄소원으로 xylan을 첨가하였을 때 급격히 증가되는 것을 확인하였다. 액체배양액으로부터 준비된 조효소의 xylanase 활성은 pH 7.0과 $55^{\circ}C$에서 가장 높게 나타났다. Thin layer chromatography (TLC) 분석을 통하여 균주 WJ-2의 조효소는 xylan을 분해하여 최종분해산물로서 xylobiose와 xylotriose 생산하는 효소임을 확인하였다.
Carboxymethylcellulose (CM-cellulose)와 Beechwood xylan을 각각 기질로 사용하여 trypan blue를 첨가하여 제작한 Agar-LB 배지 상에서 명확한 활성환을 형성하는 균주를 cellulase와 xylanase 생산 균주로 단리하였다. 단리한 균주 유래의 16S rRNA 유전자 및 API 50 kit를 분석한 결과 Bacillus subtilis와 약 99.5%의 높은 상동성을 보였기에 본 균주를 Bacillus subtilis로 동정하여 B. subtilis NC1로 명명하였다. B. subtilis NC1 유래 cellulase와 xylanase는 CM-cellulose와 Beechwood xylan에 대하여 각각 높은 효소 활성을 보였으며, 두 효소 모두 pH 5.0과 $50^{\circ}C$의 조건하에서 가장 높은 효소 활성을 보였다. B. subtilis NC1 균주 유래 cellulase와 xylanase 유전자를 cloning하기 위하여 shot-gun cloning 방법을 이용하여 B. subtilis NC1 염색체 DNA로부터 효소 유전자를 cloning하여 유전자 배열을 규명한 결과 cellulase 유전자는 아미노산 499개를 암호화하는 1,500 bp의 open reading frame (ORF)으로 이루어져 있었으며, 아미노산 배열로부터 추정되는 분자량은 55,251 Da 이었다. 그리고, xylanase에 대한 유전자는 아미노산 422개를 암호화하는 1,269 bp의 ORF로 이루어져 있었으며 유전자 유래 아미노산 배열로부터 추정되는 단백질 분자량은 47,423 Da 이었다. 두 효소의 아미노산 배열을 이용하여 상동성을 검토한 결과 cellulase는 glycoside hydrolase family (GH) 5에 속하는 cellulase와 xylanase는 GH30에 속하는 xylanase와 높은 상동성을 나타내었다.
We have cloned a xylanase gene (xynA) from Streptomyces thermocyaneoviolaceus. The deduced amino acid sequences of the XynA, including the active site sequences of glycosyl hydrolase family 10, showed high sequence homology with several xylanases assigned in this category. The XynA was overexpressed under an IPTG inducible T7 promoter control in E. coli BLR(DE3). The overproduced enzymes were excreted into culture supernatants and periplasmic space. The purified XynA had an apparent molecular mass of near 54 kDa, which corresponds to the molecular mass calculated from its gene. The optimum pH and temperature of the purified XynA were determined to be 5.0 and $65^{\circ}C$, respectively. The XynA retained over $90\%$ its activity after the heat treatment at $65^{\circ}C$ for 30 min. The XynA was highly efficient in producing xylose (X1), xylobiose (X2), xylotriose (X3), and xylotetraose (X4) from xylan.
A bacterium AB-55, isolated from waste mushroom bed of Agaricus bisporus in Sukseong-myeon, Buyeo-gun, Chungcheongnam-do, Korea, was screened onto xylan agar congo-red plate by the xylanolysis method and was used to produce an xylanase in shaker buffle flask cultures containing oat spelt xylans. The phylogenetic analysis using 16S rRNA gene sequence data showed that the strain AB-55 had the highest homology (99.0%) with Bacillus subtilis and it was named as Bacillus subtilis AB-55. A xylanase was purified by ammonium sulfate precipitation (50~80%), gel filtration on sephacryl S-300, and ion exchange chromatography on DEAE sepharose FF. The molecular weight of the xylanase was estimated as 44 kDa by SDS-PAGE. Optimal pH and temperature for the xylanase activity was pH 7 and $50^{\circ}C$, respectively. N-terminal amino acid sequence of the enzyme was identified as Ser-Ala-Val-Lys-His-Gly-Ala-Ile-Val-Phe. The substrate specificity of the enzyme exhibited that it hydrolyzed efficiently oat spelt xylan as well as beechwood xylan, but showed no activity against Avicel and carboxymethyl clellulose (CMC). The enzyme activity was enhanced by $Fe^{2+}$ and $Mn^{2+}$ whereas was entirely inhibited by $Hg^+$.
The xylnX gene encoding a xylanase from Clostridium thermocellum ATCC27405 was cloned in the plasmid pJH27, an E. coli-Bacillus shuttle vector and the resultant recombinant plasmid, pJX18 was transformed into E. coli HB101. The overexpressed xylanase was found to be secreted into the periplasmic space of the recombinant E. coli cells. The crude enzyme was obtained by treating the E. coli cells with lysozyme, and purified by DEAE-Sepharose column chromatography. Molecular wieght of the xylanase was estimated to be 53 kDa by gel filtration. The pI value was determined to be pH 8.8. The N-terminal sequence of the enzyme protein was Asp-Asp-Asn-Asn-Ala-Asn-Leu-Val-Ser-Asn which was considered to be the sequence of that of the mature form protein. The Km value of the enzyme for oat spelt xylan was calculated to be 2.63 mg/ml and the Vmax value was $0.47 {\mu}mole/min$. The xylanase had a pH optimum for its activity at pH 5.4 and a temperature optimum at $60^{\circ}C$. The enzyme hydrolyzed xylan into xylooligosaccharides which were composed mainly of xylobiose (40%) and xyloltriose (12%) after 5 hour reaction. This result indicates that the xylanase from C. thermocellum ATCC27405 is an endo-acting enzyme.
Aspergillus niger에 있어서 여러가지 섬유질 기질이 세포내외의 섬유질 분해효소계의 생합성 및 동질효소의 양상에 미치는 영향을 조사하였다. Cellulase 및 xylanase 효소계의 생합성은 사용된 기질에 따라 큰 차이가 있었으며, 특히 cellulase 효소계의 CMCase와 ${\beta}-glucosidase$는 혼합기질의 사용시 효소활성이 증진되는 기질의 공조효과를 보였다. 또한 기질에 따라 섬유질분해효소계 동질효소의 생성 양상이 다르게 나타났으나 세포내외간 동질효소 양상의 차이는 발견되지 않았으며 배양시간에 따른 동질효소의 변화도 없었다. 이러한 결과들은 A. niger의 cellulase 및 xylanase효소계의 생합성은 기질에 의한 효소의 유도 수준에서 상호 연관적으로 조절되어짐을 보여주며, 세포외 효소에서 나타나는 multiple-isozyme의 형성이 합성되어진 효소의 post-secretional modification에 의한 결과라기 보다는 각각의 유전자 발현 결과에 의한 것임을 시사한다.
사료곡물의 효율적 이용을 목적으로 cellulase 및 xylanase를 분비하는 미생물을 분리한 후 가장 생산성이 높은 균주를 선발하였다. 선발된 DK42 균주의 형태, 당 이용성 및 16S rRNA 유전자 서열분석 등을 통해 동정한 결과, Bacillus licheniformis에 속하는 것으로 나타났으므로 선발한 균주를 B. licheniformis DK42로 명명하였다. B. licheniformis DK42가 분비하는 cellulase 효소 활성은 대수생장기 중반부터 급격히 증가하였고, 균의 생장이 정체기에 이르면 효소의 활성도 더 이상 증가하지 않는 것으로 나타났다. 한편, xylanase 효소 활성은 세포 생장과 더불어 대수생장기 초기부터 지속적으로 증가하였으며, 대수생장기 후반에 최대 활성을 나타내고 효소 활성이 더 이상 증가하지 않는 것으로 나타났다. Cellulase 활성의 경우에는 최적 온도가 45℃이었고 10℃의 저온에서도 최대 활성의 50% 정도의 활성을 나타내었으며, xylanase는 cellulase 보다 약간 높은 55℃에서 최고 활성을 나타내었다. 한편, 두 효소의 열안정성을 조사한 결과, cellulase는 45℃에서는 2시간 후에도 효소의 활성이 안정하게 유지되었으나, xylanase는 45℃에서도 약간 이상의 온도에 방치한 경우에는 시간의 경과에 따라 효소의 활성이 점진적으로 감소하였다. 두 효소의 최적 pH를 조사한 결과, 두 효소 모두 pH 6.0에서 최대의 효소 활성을 나타내었으며, cellulase 활성은 pH 5.0부터 pH 8.0까지 상대적으로 넓은 범위에서 활성을 유지한 반면, xylanase 활성의 경우에는 pH 5.0 이하 또는 pH 8.0 이상에서는 활성이 급격히 저하되었다. Ⅴ. 사 사이 연구는 2006년도 단국대학교 대학연구비의 지원으로 연구된 것으로 이에 감사드립니다
Xylanases sourced from different bacteria have significantly different enzymatic properties. Therefore, studying xylanases from different bacteria is important to their applications in different fields. A potential xylanase degradation gene in Massilia was recently discovered through genomic sequencing. However, its xylanase activity remains unexplored. This paper is the first to report a xylanase (XynRBM26) belonging to the glycosyl hydrolase family (GH10) from the genus Massilia. The gene encodes a 383-residue polypeptide (XynRBM26) with the highest identity of 62% with the endoxylanase from uncultured bacterium BLR13. The XynRBM26 expressed in Escherichia coli BL21 is a monomer with a molecular mass of 45.0 kDa. According to enzymatic characteristic analysis, pH 5.5 is the most appropriate for XynRBM26, which could maintain more than 90% activity between pH 5.0 and 8.0. Moreover, XynRBM26 is stable at 37℃ and could maintain at least 96% activity after being placed at 37℃ for 1 h. This paper is the first to report that GH10 xylanase in an animal gastrointestinal tract (GIT) has salt tolerance, which could maintain 86% activity in 5 M NaCl. Under the optimum conditions, Km, Vmax, and kcat of XynRBM26 to beechwood xylan are 9.49 mg/ml, 65.79 μmol/min/mg, and 47.34 /sec, respectively. Considering that XynRBM26 comes from an animal GIT, this xylanase has potential application in feedstuff. Moreover, XynRBM26 is applicable to high-salt food and seafood processing, as well as other high-salt environmental biotechnological fields, because of its high catalytic activity in high-concentration NaCl.
Xylanase have been used to convert the polymetric xylan into fermentable sugars from the production of ethanol and xylitol from plant biomass. The aim of this study was to isolate and identify xylanolytic bacterium from herbivore feces and was to used the xylanase for enzymatic hydrolysis of biomass. Xylanolytic strains were isolated from 59 different feces of herbivores from Seoul Grand Park located in Gwacheon Gyeonggi-do. The xylanolytic strains were selected by congo red staining and DNS method. Total 67 strains isolated from the herbivores feces were tested for xylanase activity. Among the strains, H10-1, which has the highest xylanase activity, was isolated from feces of Ceratotherium simum. The H10-1 strain was identified as Bacillus pumilus based on its morphological/biochemical characteristics and partial 16S rDNA gene sequences. Culture conditions of B. pumilus H10-1 such as initial medium pH, incubation temperature and incubation time were optimized for maximum xylanase production. And also xylanase produced by B. pumilus H10-1 was applied for the saccharification of Miscanthus sacchariflorus cv. 'Geodae 1', which was pretreated with 1.5M NaOH. The optimized culture conditions of B. pumilus H10-1 were pH 9, $30^{\circ}C$ incubation temperature, and 7 day incubation time, respectively. This xylanase activity under the optimized conditions was $20.4{\pm}3.3IU$. The crude xylanase produced by B. pumilus H10-1 was used for the saccharification of xylan derived from pretreated 'Geodae 1'. The saccharification conditions were $50^{\circ}C$, 200 rpm, and 5 days. Saccharification efficiency of pretreated 'Geodae 1' by B. pumilus H10-1 was 8.2%.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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