A xylanase was purified from the culture supernatant of Bacillus sp. A-6 by using ultrafiltration and ion exchange chromatography on the column of SP-Sepharose using 5 mM acetate buffer, pH 5.0. The xylanase was eluted from the column at the concentration less than 0.05 M NaCl. The eluted xylanase was shown to be a single protein band in SDS-PAGE. Zymogram analysis indicated that the protein band in SDS-PAGE had the enzyme activity to hydrolyze oat spelt xylan. The molecular weights of the xylanase were 15,000 based on SDS-PAGE and 14,100 based on gel filtration chromatography. Thin layer chromatography showed that the xylanase hydrolyzed oat spelt xylan into xylobiose and high-molecular-weight xylooligosaccharides. The relative activities of the heated xylanase decreased to 80% at $40^{\circ}C$ after 7 hr and less than 40% at $60^{\circ}C$ after 1 hr.
Kim, Min-Jeong;Jang, Myoung-Uoon;Nam, Gyeong-Hwa;Shin, Heeji;Song, Jeong-Rok;Kim, Tae-Jip
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.30
no.2
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pp.155-162
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2020
Acetyl xylan esterase (AXE; E.C. 3.1.1.72) is one of the accessory enzymes for xylan degradation, which can remove the terminal acetate residues from xylan polymers. In this study, two genes encoding putative AXEs (LaAXE and BhAXE) were cloned from Lactobacillus antri DSM 16041 and Bacillus halodurans C-125, and constitutively expressed in Escherichia coli. They possess considerable activities towards various substrates such as p-nitrophenyl acetate, 4-methylumbelliferyl acetate, glucose pentaacetate, and 7-amino cephalosporanic acid. LaAXE and BhAXE showed the highest activities at pH 7.0 and 8.0 at 50℃, respectively. These enzymes are AXE members of carbohydrate esterase (CE) family 7 with the cephalosporine-C deacetylase activity for the production of antibiotics precursors. The simultaneous treatment of LaAXE with Thermotoga neapolitana β-xylanase showed 1.44-fold higher synergistic degradation of beechwood xylan than the single treatment of xylanase, whereas BhAXE showed no significant synergism. It was suggested that LaAXE can deacetylate beechwood xylan and enhance the successive accessibility of xylanase towards the resulting substrates. The novel LaAXE originated from a lactic acid bacterium will be utilized for the enzymatic production of D-xylose and xylooligosaccharides.
Two endoxylanases from an alkaliphilic bacterium, Bacillus halodurans C-1, were purified 3.8- and 7.9- fold with specific activities of 9.4 and 19.8U/mg protein, respectively. The molecular masses of both purified enzymes were 23 and 47 kDa, respectively, and 23 kDa xylanase I (Xyl I) exhibited an optimum pH at 7.0, whereas 47 kDa xylanase II (Xyl II) showed a broad pH range of 5.0 to 9.0. The temperature optima of both xylanases were $60^{\circ}C\;and\;70^{\circ}C$, respectively. Both were stable in the pH range of 6.0 to 9.0 and 5.0 to 10.0, respectively, and they were stable up to $60^{\circ}C\;and\;70^{\circ}C$, respectively. The $K_m\;and\;V_{max}$ of Xyl I were 4.33mg/ml and $63.5{\mu}mol/min/mg$, respectively, whereas Xyl II had a $K_m$ value of 0.30 mg/ml and $V_{max}$ of $210{\mu}mol/min/mg$. Both xylanases hydrolyzed xylans from birchwood, oat spelt, and larchwood. However, they showed different modes of action; a series of xylooligosaccharides larger than xylotriose were released as the major products by Xyl I, whereas xylobiose and xylotriose were the main products by Xyl II. The maximum synergistic action of the two enzymes on hydrolysis of xylan was 2.16 with the ratio of Xyl I to Xyl II at 1:9.
Rakitin, Andrey L.;Ermakova, Alexandra Y.;Ravin, Nikolai V.
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.25
no.9
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pp.1476-1484
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2015
Three endoxylanase-encoding genes from the moderately themophilic chemoorganotrophic bacterium Melioribacter roseus were cloned and expressed in Escherichia coli. Genes xyl2091 (Mros_2091) and xyl2495 (Mros_2495) encode GH10 family hydrolases, whereas xyl2090 (Mros_2090) represents the GH30 family. In addition to catalytic domains, Xyl2090 and Xyl2091 contain carbohydrate-binding modules that could facilitate their binding to xylans and Por sorting domains associated with the sorting of proteins from the periplasm to the outer membrane, where they are covalently attached. Recombinant endoxylanase Xyl2495 exhibited a high specific activity of 1,920 U/mg on birchwood xylan at 40℃. It is active at low temperatures, exhibiting more than 30% of the maximal activity even at 0℃. Endoxylanases Xyl2090 and Xyl2091 have lower specific activities but higher temperature optima at 80℃ and 65℃, respectively. Analysis of xylan hydrolysis products revealed that Xyl2090 generates xylo-oligosaccharides longer than xylopentaose. Xylose and xylobiose are the major products of xylan hydrolysis by the recombinant Xyl2091 and Xyl2495. No activity against cellulose was observed for all enzymes. The presence of three xylanases ensures efficient xylan hydrolysis by M. roseus. The highly processive "free" endoxylanase Xyl2495 could hydrolyze xylan under moderate temperatures. Xylan hydrolysis at elevated temperatures could be accomplished by concerted action of two cell-bound xylanases; Xyl2090 that probably degrades xylans to long xylo-oligosaccharides, and Xyl2091 hydrolyzing them to xylose and xylobiose. The new endoxylanases could be useful for saccharification of lignocellulosic biomass in biofuels production, bleaching of paper pulp, and obtaining low molecular weight xylooligosaccharides.
The nucleotide sequence of the Paenibacillus curdlanolyticus B-6 xyn10A gene, encoding a xylanase Xyn10A, consists of 3,828 nucleotides encoding a protein of 1,276 amino acids with a predicted molecular mass of 142,726 Da. Sequence analysis indicated that Xyn10A is a multidomain enzyme comprising nine domains in the following order: three family 22 carbohydrate-binding modules (CBMs), a family 10 catalytic domain of glycosyl hydrolases (xylanase), a family 9 CBM, a glycine-rich region, and three surface layer homology (SLH) domains. Xyn10A was purified from a recombinant Escherichia coli by a single step of affinity purification on cellulose. It could effectively hydrolyze agricultural wastes and pure insoluble xylans, especially low substituted insoluble xylan. The hydrolysis products were a series of short-chain xylooligosaccharides, indicating that the purified enzyme was an endo-$\beta$-1,4-xylanase. Xyn10A bound to various insoluble polysaccharides including Avicel, $\alpha$-cellulose, insoluble birchwood and oat spelt xylans, chitin, and starches, and the cell wall fragments of P. curdlanolyticus B-6, indicating that both the CBM and the SLH domains are fully functioning in the Xyn10A. Removal of the CBMs from Xyn10A strongly reduced the ability of plant cell wall hydrolysis. These results suggested that the CBMs of Xyn10A play an important role in the hydrolysis of plant cell walls.
The culture filtrate of thermophilic alkalophilic Bacillus K17 strain contained two types of xylanases were purified by ammonium sulfate fractionation, DEAD-Sephadex A-50 column chromatography, CM-Sephadex C-50 column chromatography and Sephadex G-100 gel filtration. The purified enzymes were found to be homogeneous by sodium dodecyl sulfate and disc polyacrylamide gel electrophoresis. Xylanase I and II were characterized with respect to molecular weight, optimal temperature and pH, thermal and pH stability, and Michaelis constant. Xylanase II was more active and stable, and showed greater substrate affinity and molecular weight than xylanase I. The activities of xylanases I and II were inhibited by Cu$^{++}$, Ag$^+$, Hg$^{++}$ and Fe$^{++}$. Xylanase I hydrolyzed xylan to yield xylobiose and higher amount of xylooligosaccharides, but xylanase II produced xylose other than xylobiose and xylooligosacchrides.
A gene encoding the xylanase (XynA) predicted from partial genomic sequence of Paenibacillus woosongensis was cloned into Escherichia coli by PCR. This xynA gene consisted of 633 nucleotides, encoding a polypeptide of 211 amino acid residues. The deduced amino acid sequence exhibited 85-89% identity with those of several Paenibacillus xylanases, belonging to the glycosyl hydrolase family 11. As a results of expression of the structural gene by T7 promoter of a pET23a(+) expression vector, xylanase activity was higher in cell-free extract than culture filtrate of a recombinant Escherichia coli BL21(DE3) CodonPlus. However, the expression level of xylanase was not sufficient be detected by SDS-PAGE. The cell-free extract showed maximal xylanase activity at $60^{\circ}C$ and pH 5.5. The predominant products resulting from xylan and xylooligosaccharide hydrolysis were xylose and xylotriose. The enzyme could hydrolyze xylooligosaccharides larger than xylbiose.
A strain of Bacillus sp. DSNC 101, isolated from soil, produced up to 305.0 units/ml of xylanase when grown on te medium containing 2.0% xylan, 2.0% yeast extract and 0.4% K2HPO4. The strain produced xylanase in the presence of xylan, soluble starch, rice straw, Avicel, maltose, and lactose as a sole carbon source, but the enzyme was not synthesized in the presence of xylose, glucose or arabinose. The crude xylanase preparation did not show hydrolytic activity towards cellulosic substrates and PNPX, a chromogenic substrate for $\beta$-xylosidase. The temperature and pH optima for the xylanase production were 4$0^{\circ}C$ and 8.0, respectively. Xylanase synthesis was repressed by glucose, but not by xylose. The hydrolysis products of xylan catalyzed with the culture filtrate were xylooligosaccharides such as xylobiose and xylotriose but xylose was not detected by tin layer chromatography.
Microorganisms producing xylanase were screened for the enzymatic production of xylo-oligo saccharides from xylan. One of the bacteria isolated from compost produced an endoxylanase extracellularly. The bacterium was identified as Bacillus sp. according to its taxonomic characteristics examined. Xylanase production reached upto 5 U/ml after 22 h of culture in LB medium at $30^{\circ}C$. The xylanase was purified by ammonium sulfate precipitation and gel filtration. The molecular weight of the xylanase was estimated to be 20,400 by SDS-PAGE. Optimal temperature and pH for the xylanase activity was $60^{\circ}C$ and 6.5, respectively. The enzyme was stable at temperatures upto $40^{\circ}C$ and pH values from 4 to 10. The xylanase was completely inhibited by the addition of 2 mM mercury ion. Apparent $K_m$ and $V_max$ values for oat spelt xylan were 9.2 mg/ml and 1954 U/mg protein, respectively. For birchwood xylan, the values were 6.3 mg/ml and 1009 U/mg protein. The predominant products of the xylan hydrolysis were xylobiose, xylotriose and xylotetraose, indicating that the enzyme is an endoxylanase. Upto $85{\%}$ of the initially added enzyme (2 U/ml) was bound to 50 mg/ml of the insoluble fraction of oat spelt xylan after incubation at $30^{\circ}C$ for 30 min.
The hydrolysis products formed from birchwood xylan by the action of an alkaline xylanase (CX-III) from alkalophilic Cephaloxporium sp. RYM-202 were xylobiose and xylooligosaccharides polymerized with more than 4 sugar molecules. This enzyme was not active on xylobiose but readily attacked xylotriose accumulating xylobiose as a major product. The predominant end-products from xylotetraose by CX-III were xylobiose and xylotriose. These results indicate that the enzyme is typically endo-type xylanase possessing transglycosidase activity. Chemical modification of CX-III with N-bromosuccinimide revealed that two tryptophan residues per molecule of CX-III were essential for its catalytic activity on xylan. On the other hand, iodoacetamide and diethylpyrocarbonate did not influence the activity of the enzyme, suggesting that cysteine and histidine residues are not involved in the active site of this alkaline xylanase.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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