A gene encoding the xylanase of Bacillus subtilis AMX-4 isolated from soil was cloned into Escherichia coli and the gene product was purified from the cell-free extract of the recombinant strain. The gene, designated xylA, consisted of 639 nucleotides encoding a polypeptide of 213 residues. The deduced amino acid sequence was highly homologous to those of xylanases belonging to glycosyl hydrolase family 11. The molecular mass of the purified xylanase was 23 kDa as estimated by SDS-PAGE. The enzyme had a pH optimum of 6.0-7.0 and a temperature optimum of $50-55^{\circ}C$. Xylanase activity was significantly inhibited by 5 mM $Cu^{2+}$ and 5 mM $Mn^{2+}$, and noticeably enhanced by 5 mM $Fe^{2+}$. The enzyme was active on xylans including arabinoxylan, birchwood xylan, and oat spelt xylan, but it did not exhibit activity toward carboxymethylcellulose or p-nitrophenyl-$\beta$-xylopyranoside. The predominant products resulting from xylan and xylooligosaccharide hydrolysis were xylobiose and xylotriose. The enzyme could hydrolyze xylooligosaccharides larger than xylotriose.
A total of 10 cellulase-producing bacteria were isolated from soil samples irrigated with paper and pulp mill effluents. The sequencing of 16S rRNA gene revealed that all isolates belonged to different species of genus Bacillus. Among the different isolates, B. subtilis IARI-SP-1 exhibited a high degree of ${\beta}$-1,4-endoglucanase (2.5 IU/ml), ${\beta}$-1,4-exoglucanase (0.8 IU/ml), and ${\beta}$-glucosidase (0.084 IU/ml) activity, followed by B. amyloliquefaciens IARI-SP-2. CMC was found to be the best carbon source for production of endo/exoglucanase and ${\beta}$-glucosidase. The ${\beta}$-1,4-endoglucanase gene was amplified from all isolates and their deduced amino acid sequences belonged to glycosyl hydrolase family 5. Among the domains of different isolates, the catalytic domains exhibited the highest homology of 93.7%, whereas the regions of signal, leader, linker, and carbohydrate-binding domain indicated low homology (73-74%). These variations in sequence homology are significant and could contribute to the structure and function of the enzyme.
Fibrobacter succinogenes, a Gram-negative, anaerobic ruminal bacterium is a major fibre digesting species in the rumen. It intensively degrades plant cell walls by an erosion type of mechanism, burrowing its way through the complex matrix of cellulose and hemicellulose with the release of digestible and undigested cell wall fragments. The enzymes involved in this process include a combination of glucanases, xylanases, arabinofuranosidase(s) and esterases. The genome of the bacterium has been sequenced and this has revealed in excess of 100 putative glycosyl hydrolase, pectate lyase and carbohydrate esterase genes, which is greater than the numbers reported present in other major cellulolytic organisms for which genomes have been sequenced. Modelling of the amino acid sequences of two glycanases, CedA and EGB, by reference to crystallized homologs has enabled prediction of the major features of their tertiary structures. Two dimensional gel electrophoresis in conjunction with mass spectroscopy has permitted the documentation of proteins over expressed in F. succinogenes grown on cellulose, and analysis of the cell surfaces of mutant strains unable to bind to cellulose has enabled the identification of candidate proteins with roles in adhesion to the plant cell wall substrate, the precursor to cellulose biodegradation.
A lichenase gene (mt-lic) was identified for the first time through function-based screening of a soil metagenomic library. Its deduced amino acid sequence exhibited a high degree of homology with endo-${\beta}$-1,3-1,4-glucanase (having both lichenase and chitosanase activities), encoded by the bgc gene of Bacillus circulans WL-12. The recombinant lichenase overexpressed and purified from Escherichia coli was able to efficiently hydrolyze both barley ${\beta}$-glucan and lichenan. The enzyme showed maximal activity at a pH of 6.0 at $50^{\circ}C$, with Azo-barley-glucan as the substrate. The metal ions $Mn^{2+}$, $Mg^{2+}$, $Ca^{2+}$, and $Fe^{2+}$ enhanced the enzymatic activity, whereas the $Cu^{2+}$ and $Zn^{2+}$ ions inhibited the enzymatic activity. The $K_m$ and $V_{max}$ values of the purified lichenase were determined to be 0.45 mg/ml and 24.83 U/min/mg of protein, respectively.
A gene encoding the ${\beta}$-xylosidase/${\alpha}$-arabinofuranosidase (XylC) of Paenibacillus woosongensis was cloned into Escherichia coli. This xylC gene consisted of 1,425 nucleotides, encoding a polypeptide of 474 amino acid residues. The deduced amino acid sequence exhibited an 80% similarity with those of both Clostridium stercorarium ${\beta}$-xylosidase/${\alpha}$-N-arabinosidase and Bacillus cellulosilyticus ${\alpha}$-arabinofuranosidase, belonging to the glycosyl hydrolase family 43. The structural gene was subcloned with a C-terminal His-tag into a pET23a(+) expression vector. The His-tagged XylC, purified from a cell-free extract of a recombinant E. coli BL21(DE3) Codon Plus carrying a xylC gene by affinity chromatography, was active on para-nitrophenyl-${\alpha}$-arabinofuranoside (pNPA) as well as para-nitrophenyl-${\beta}$-xylopyranoside (pNPX). However, the enzymatic activities for the substrates were somewhat incongruously influenced by reaction pHs and temperatures. The enzyme was also affected by various chemicals at different levels. SDS (5 mM) inhibited the enzymatic activity for pNPX, while enhancing the enzymatic activity for pNPA. Enzyme activity was also found to be inhibited by addition of pentose or hexose. The Michaelis constant and maximum velocity of the purified enzyme were determined for hydrolysis of pNPX and pNPA, respectively.
A carboxymethyl cellulase gene, cel5B, was cloned, sequenced, and expressed in Escherichia coli. pRCS20 in E. coli was identified from metagenomic cosmid library of cow rumen for cellulase activity on a carboxymethyl cellulose agar plates. Cosmid clone (RCS20) was partially digested with Sau3AI, ligated into BamHI site of pBluescript II SK+ vector, and transformed into E. coli $DH5{\alpha}$. The insert DNA of 1.3 kb was obtained, designated cel5B, which has the activity of hydrolyzation of CMC. The cel5B gene had an open reading frame (ORF) of 1,059 bp encoding 352 amino acids with a signal peptide of 48 amino acids and the conserved region, VIYEIYNEPL, belongs to the glycosyl hydrolase family 5. The molecular mass of Cel5B protein expressed from E. coli $DH5{\alpha}$ exhibited to be about 34 kDa by CMC-SDS-PAGE. The optimal pH was 8.0, and the optimal temperature was about $50^{\circ}C$ for its enzymatic activity.
A mannanase gene (man26B) was obtained from a sea bacterium, Paenibacillus sp. BME-14, through the constructed genomic library and inverse PCR. The gene of man26B had an open reading frame of 1,428 bp that encoded a peptide of 475- amino acid residues with a calculated molecular mass of 53 kDa. Man26B possessed two domains, a carbohydrate binding module (CBM) belonging to family 6 and a family 26 catalytic domain (CD) of glycosyl hydrolases, which showed the highest homology to Cel44C of P. polymyxa (60% identity). The optimum pH and temperature for enzymatic activity of Man26B were 4.5 and $60^{\circ}C$, respectively. The activity of Man26B was not affected by $Mg^{2+}$ and $Co^{2+}$, but was inhibited by $Hg^{2+},\;Ca^{2+},\;Cu^{2+},\;Mn^{2+},\;K^+,\;Na^+$, and $\beta$-mercaptoethanol, and slightly enhanced by $Pb^{2+}$ and $Zn^{2+}$. EDTA did not affect the activity of Man26B, which indicates that it does not require divalent ions to function. Man26B showed a high specific activity for LBG and konjac glucomannan, with $K_m,\;V_{max}$, and $k_{cat}$ values of 3.80 mg/ml, 91.70 ${\mu}mol$/min/mg protein, and 77.08/s, respectively, being observed when LBG was the substrate. Furthermore, deletion of the CBM6 domain increased the enzyme stability while enabling it to retain 80% and 60% of its initial activity after treatment at $80^{\circ}C$ and $90^{\circ}C$ for 30 min, respectively. This finding will be useful in industrial applications of Man26B, because of the harsh circumstances associated with such processes.
A hyperthermophilic bacterium Thernotoga maritima produced thermostable ${\beta}-glucosidase$. The gene encoding ${\beta}-glucosidase$ from T. maritima MSB8 was cloned and expressed in Escherichia coli. The en-zyme (BgIB) hydrolyzed ${\beta}-glucosidase$ linkages between glucose and alkyl, aryl of saccharide groups such as salicin, arbutin, and $_pNPG$. The insert DNA contained ORF with 2,166 bp encodes a 721 amino acids (calculated molecular mass of 80,964 and pl of 4.93). The amino a.id sequence of BglB showed the similarity to family 3 glycosyl hydrolases. The molecular weight of the enzyme was estimated to be approximately 81kDa by MUG-nondenaturing PAGE (4-methylumbelliferyl 13-D-glucoside-nondenaturing polyacrylamide gel electophoresis) and SDS-PACE. The ${\beta}-glucosidase$ exhibited maximal activity at pH 7.0 and $80^{\circ}C$. By exchanging two possible residues (Glu-232 and Asp-242) to Ala by site-directed mutagenesis method, it was found that these were essential for enzymatic activity.
Nguyen, Khanh Hoang Viet;Dao, Trong Khoa;Nguyen, Hong Duong;Nguyen, Khanh Hai;Nguyen, Thi Quy;Nguyen, Thuy Tien;Nguyen, Thi Mai Phuong;Truong, Nam Hai;Do, Thi Huyen
Animal Bioscience
/
v.34
no.5
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pp.867-879
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2021
Objective: Fibronectin 3 (FN3) and immunoglobulin like modules (Ig) are usually collocated beside modular cellulase catalytic domains. However, very few researches have investigated the role of these modules. In a previous study, we have sequenced and analyzed bacterial metagenomic DNA in Vietnamese goats' rumen and found that cellulase-producing bacteria and cellulase families were dominant. In this study, the properties of modular cellulases and the role of a FN3 in unique endoglucanase belonging to glycosyl hydorlase (GH) family 5 were determined. Methods: Based on Pfam analysis, the cellulases sequences containing FN3, Ig modules were extracted from 297 complete open reading frames (ORFs). The alkaline, thermostability, tertiary structure of deduced enzymes were predicted by AcalPred, TBI software, Phyre2 and Swiss models. Then, whole and truncated forms of a selected gene were expressed in Escherichia coli and purified by His-tag affinity column for assessment of FN3 ability to enhance enzyme activity, solubility and conformation. Results: From 297 complete ORFs coding for cellulases, 148 sequences containing FN3, Ig were identified. Mostly FN3 appeared in 90.9% beta-glucosidases belonging to glycosyl hydrolase family 3 (GH3) and situated downstream of catalytic domains. The Ig was found upstream of 100% endoglucanase GH9. Rarely FN3 was seen to be situated downstream of X domain and upstream of catalytic domain endoglucanase GH5. Whole enzyme (called XFN3GH5 based on modular structure) and truncate forms FN3, XFN3, FN3GH5, GH5 were cloned in pET22b (+) and pET22SUMO to be expressed in single and fusion forms with a small ubiquitin-related modifier partner (S). The FN3, SFN3 increased GH5 solubility in FN3GH5, SFN3GH5. The SFN3 partly served for GH5 conformation in SFN3GH5, increased modules interaction and enzyme-soluble substrate affinity to enhance SXFN3GH5, SFN3GH5 activities in mixtures. Both SFN3 and SXFN3 did not anchor enzyme on filter paper but exfoliate and separate cellulose chains on filter paper for enzyme hydrolysis. Conclusion: Based on these findings, the presence of FN3 module in certain cellulases was confirmed and it assisted for enzyme conformation and activity in both soluble and insoluble substrate.
To enrich the genetic resource of microbial xylanases with high activity and stability under alkaline conditions, a xylanase gene (xynSL4) was cloned from Planococcus sp. SL4, an alkaline xylanase-producing strain isolated from the sediment of soda lake Dabusu. Deduced XynSL4 consists of a putative signal peptide of 29 residues and a catalytic domain (30-380 residues) of glycosyl hydrolase family 10, and shares the highest identity of 77% with a hypothetical protein from Planomicrobium glaciei CHR43. Phylogenetic analysis indicated that deduced XynSL4 is closely related with thermophilic and alkaline xylanases from Geobacillus and Bacillus species. The gene xynSL4 was expressed heterologously in Escherichia coli and the recombinant enzyme showed some superior properties. Purified recombinant XynSL4 (rXynSL4) was highly active and stable over the neutral and alkaline pH range from 6 to 11, with maximum activity at pH 7 and more than 60% activity at pH 11. It had an apparent temperature optimum of 70℃ and retained stable at this temperature in the presence of substrate. rXynSL4 was highly halotolerant, retaining more than 55% activity with 0.25-3.0 M NaCl and was stable at the concentration of NaCl up to 4M. The enzyme activity was significantly enhanced by β-mercaptoethanol and Ca2+ but strongly inhibited by heavy-metal ions and SDS. This thermophilic and alkaline- and salt-tolerant enzyme has great potential for basic research and industrial applications.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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