Microbial degradation of hydrocarbons is found to be an attractive process for remediation of contaminated habitats. However the poor bioavailability of hydrocarbons results in low biodegradation rates. Cyclodextrins are known to increase the bioavailability of variety of hydrophobic compounds. In the present work we purified the Cyclodextrin Glucanotransferase (CGTase) enzyme which is responsible for converting starch into cyclodextrins and studied its role on biodegradation of diesel oil contaminated soil. Purification of CGTase from Enterobacter cloacae was done which resulted in 6 fold increase in enzyme activity. The enzyme showed maximum activity at pH 7, temperature $60^{\circ}C$ with a molecular weight of 66 kDa. Addition of purified CGTase to the treatment setup with Pseudomonas mendocina showed enhanced biodegradation of diesel oil ($57{\pm}1.37%$) which was similar to the treatment setup when added with Pseudomonas mendocina and Enterobacter cloacae ($52.7{\pm}6.51%$). The residual diesel oil found in treatment setup added with Pseudomonas mendocina at end of the study was found to be $73{\pm}0.21%$. Immobilization of Pseudomonas mendocina on alginate containing starch also led to enhanced biodegradation of hydrocarbons in diesel oil at 336 hours.
$\beta$-Cyclodextrin glucanotransferase ($\beta$-CGTase) was overproduced extracellularly using recombinant E. coli by transforming the plasmid pECGT harboring a secretive signal peptide. The $\beta$-CGTase gene of alkalophilic Bacillus firmus var alkalophilus was inserted into the high expression vector pET20b(+) containing a secretive pelB signal peptide, and then transformed into E. coli BL2l(DE3)pLysS. The optimum culture conditions fer the overproduction of $\beta$-CGTase were determined to be TB medium containing 0.5% (w/v) soluble starch at post-induction temperature of $25^{\circ}C$. A significant amount of $\beta$-CGTase, up to 5.83 U/ml, which was nine times higher than that in the parent strain B. firmus var. alkalophilus, was overproduced in the extracellular compartment. A pH-stat fed-batch cultivation of the recombinant E. coli was also performed to achieve the secretive overproduction of $\beta$-CGTase at a high cell density, resulting in production of up to 21.6 U/ml of $\beta$-CGTase.
Edible films containing antimicrobial agents can be used as safe alternatives to preserve food products. Essential oils are well-recognized antimicrobials. However, their low water solubility, volatility and high sensitivity to oxygen and light limit their application in food preservation. These limitations could be overcome by embedding these essential oils in complexed product matrices exploiting the encapsulation efficiency of β-cyclodextrin. This study focused on the maximization of β-cyclodextrin production using cyclodextrin glucanotransferase (CGTase) and the evaluation of its encapsulation efficacy to fabricate edible antimicrobial films. Response surface methodology (RSM) was used to optimize CGTase production by Brevibacillus brevis AMI-2 isolated from mangrove sediments. This enzyme was partially purified using a starch adsorption method and entrapped in calcium alginate. Cyclodextrin produced by the immobilized enzyme was then confirmed using high performance thin layer chromatography, and its encapsulation efficiency was investigated. The clove oil/β-cyclodextrin inclusion complexes were prepared using the coprecipitation method, and incorporated into chitosan films, and subjected to antimicrobial testing. Results revealed that β-cyclodextrin was produced as a major product of the enzymatic reaction. In addition, the incorporation of clove oil/β-cyclodextrin inclusion complexes significantly increased the antimicrobial activity of chitosan films against Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, Salmonella Typhimurium, Escherichia coli, and Candida albicans. In conclusion, B. brevis AMI-2 is a promising source for CGTase to synthesize β-cyclodextrin with considerable encapsulation efficiency. Further, the obtained results suggest that chitosan films containing clove oils encapsulated in β-cyclodextrin could serve as edible antimicrobial food-packaging materials to combat microbial contamination.
Transglycosylation of stevioside in the attrition coupled heterogeneous reaction system using raw starch as a glycosyl donor has significant advantages over conventional reaction systems using liquefied starch as a donor. The transglycosylation of stevioside under the presence of organic solvent showed that transglycosylation reaction occurs via two steps ; initially from raw starch to cyclodextrin(CD), and then followed by transglycosylation of produced CD. Comparison of the transglycosylation efficiency of c$\alpha $-, $\beta $, $\gamma $-CDs indicated that $\alpha $-, $\beta $-CD are mainly utilized as a glycosyl donor for following reaction. The reaction mechanism of transglycosylation between stevioside and CD proceeded according to random sequential bireactant mechanism. The equilibrium constant of transglycosylation reaction of cyclodextrin glucanotransferase wase also evaluated. The structure of transglycosylated stevioside was confirmed by TLC, and it was found that glycosyl group(G$_{1}, $ ~ G$_{4}$-glycosidic bond.
Cyclodextrin glucanotransferase(CGTase)를 생성하는 Bacillus sp. 균주를 토양으로부터 분리하였으며, CGTase 생성을 위하여 0.1% albumin, 2% $NH_4Cl$, 2% soluble starch, 0.2% $NH_2PO_4$를 효소생산배지에 첨가하여 $37^{\circ}C$에서 72시간 배양 시 최대의 활성을 나타내었다. Sephadex G-100과 G-150을 사용한 gel filtration과 DEAE-cellulose를 이용한 이온 교환 크로마토그래피로 9.72배 정제하였으며, specific activity는 528.02 unit/mg이었다. CGTase의 효소학적 특성은 최적 pH, 최적 온도는 pH 8.0과 $80^{\circ}C$였으며, pH $8.0{\sim}11.0$과 $60{\sim}80^{\circ}C$에서 안정하였다. 금속이온 중 $Pb^{2+},\;Hg^{2+}$와 $Zn^{2+}$에서 효소활성이 억제되었다. CGTase의 첨가 효소량을 $20.5{\sim}410$ unit 까지 변화시키며 stevioside로의 당전이능을 조사한 결과 20.5 unit 및 41 unit 처리 시 당전이율은 74.9%와 75,7%로 높게 나타났으며, 205 unit 처리시에는 당전이율은 68.7%로 비슷하였으나 갈변화가 진행되었다. 효소의 농도를 높여 410 unit를 처리했을 때 당전이율은 57.9%로 더욱 떨어졌으며 역시 갈변화가 진행되어 제품의 물성을 나쁘게 하였고, 당전이 산물 중 pentaglycoside와 hexaglycoside가 검출되지 않아 필요이상의 효소사용량은 오히려 당전이 반응에 역효과가 나타났다.
Chaperone 분자는 세포 내에서 새로 합성된 polypeptides의 misfolding을 보호하는 역할을 가진다. 이런 chaperone 분자와의 공발현은 활성형 재조합 단백질의 생산을 증가를 기대할 수 있다. 본 연구에서는 E. cozi에서 B. macerans 유래 cyclodextrin glucanotransferase (CGTase)의 활성형 생산에 GroEL/ES chaperone과의 공발현의 효과에 대해 조사하였다. cgt와 groEL/ES 유전자출 발현하는 pTCGT1과 pGro7은 각각 T7 promoter와 araB promoter에 의해 조절되고 이들을 E. coli cell에 co-transformation시켰다. 재조합 E. coli에서 IPTG와 L-arabinose의 최적 농도를 결정하기 위해 행한 결과 1 mM IPTG, 0.3 mg L-arabinose/$m\ell$에서 가장 높은 CGTase 활성을 나타내었다. 그리고 tube에서는 L-arabinose와 IPTG를 각각 0.4~0.5 $OD_{600}$과 0.8~l.0 $OD_{600}$에서 첨가하였을 때 활성형 CGTase의 생산이 증가되었다. GroEL/ES 공발현 조건에서는 가용성 CGTase 활성이 0.7~0.73 unit/$m\ell$로 단독 발현의 0.36~0.56 unit/$m\ell$에 비해 약 1.5 배 정도 증가함을 알 수 있었다. SDS-PAGE 분석에서는 GroEL/ES 공발현 조건에서 총 CGTase의 33.6%정도가 가용성 형태로 생산됨을 알 수 있었다.
Kim, Kyu-Yong;Kim, Myoun-Dong;Han, Nam-Soo;Seo, Jin-Ho
Journal of Microbiology and Biotechnology
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제12권3호
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pp.411-416
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2002
Bacillus macerans cyclodextrin glucanotransferase (CGTase) was expressed on the cell surface of Saccharomyces cerevisiae by fusing with Aga2p linked to the membrane-anchored protein, Aga1p. The surface display of CGTase was confirmed by immunofluorescence microscopy and its enzymatic ability to form ${\alpha}$-cyclodextrin from starch. The maximum surface-display of CGTase was obtained by growing recombinant S. cerevisiae at $20^{\circ}C$ and pH 6.0. S. cerevisiae cells displaying CGTase on their surface consumed glucose and maltose, inhibitory byproducts of the CGTase reaction, to enhance the purity of produced cyclodextrins. Accordingly, the experimental results described herein suggest a possibility of using the recombinant S.cerevisiae anchored with bacterial CGTase on the cell surface as a whole-cell biocatalyst for the production of cyclodextrin.
B. macerans 유래의 CGTase를 yeast surface display기술을 이용하여 S. cerevisiae의 표면에 발현된 것을 halo-test와 immunofluorescence microscopy와 flow cytometry를 통하여 확인하였다. 재조합 효모는 효소의 cyclization작용을 저해하고 CD의 분해작용을 촉진하는 glucose와 maltose를 제거하는 발효공정과 표면 발현된 CGTase의 cyclization 공정을 동시에 수행할 수 있어 CD의 생산, 분리공정을 효율적으로 개선하였다.
To analyze the role of the C and D domains in the cyclization activity of cyclodextrin glucanotransferase (CGTase), two plasmids, pKB1ΔC300 and pKB1ΔD96, were constructed in which DNA regions encoding 100 and 32 amino acids, respectively, from the C and D domains of B. stearothermophilus NO2 CGTase were deleted. The mutated CGTase from the pKBlΔC300 produced much lower amounts of ${\alpha}$-, ${\beta}$-, and $\gamma$-cyclodextrin (CD) than the parental CGTase. However, the mutated CGTase from the pKBlΔD96 showed a similar production pattern of CDs to wild-type CGTase. The production ratios of the ${\alpha}$-, ${\beta}$- and $\gamma$-CDs were not affected by the deletions, when compared to those of parental CGTase. The optimum temperature of the mutated CGTase from the pKBlΔC300 was decreased from $60^{\circ}C$ to $55^{\circ}C$. The optimum pH of the mutated CGTase from the pKB1D96 was shifted from 6.0 to 7.0. The thermostability of the two mutant CGTases were not changed. From these results, it is suggested that the C and D domains are not related to cyclization activity directly because mutant-enzymes deleted C or D domains still possessed their activity. However, they are important for other enzymatic properties such as productivity and pH optimum as a partition of CGTase tertiary structure.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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