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.
Lichenase is an enzyme mainly implicated in the degradation of polysaccharides in the cell walls of grains. Emerging evidence shows that a highly efficient expression of a thermostable recombinant lichenase holds considerable promise for application in the beer-brewing and animal feed industries. Herein, we cloned a lichenase gene (CelA203) from Bacillus subtilis B110 and expressed it in E. coli. This gene contains an ORF of 729 bp, encoding a protein with 242 amino acids and a calculated molecular mass of 27.3 kDa. According to the zymogram results, purified CelA203 existed in two forms, a monomer, and a tetramer, but only the tetramer had potent enzymatic activity. CelA203 remained stable over a broad pH and temperature range and retained 40% activity at 70℃ for 1 h. The Km and Vmax of CelA203 towards barley β-glucan and lichenan were 3.98 mg/ml, 1017.17 U/mg, and 2.78 mg/ml, 198.24 U/mg, respectively. Furthermore, trisaccharide and tetrasaccharide were the main products obtained from CelA203-mediated hydrolysis of deactivated oat bran. These findings demonstrate a promising role for CelA203 in the production of oligosaccharides in animal feed and brewing industries.
Jang Mi;Park Byoung-Chul;Lee Do-Hee;Kho Chang-Won;Cho Sa-Yeon;Lee Baek-Rak;Park Sung-Goo
Journal of Microbiology and Biotechnology
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제16권3호
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pp.368-373
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2006
Bacillus subtilis and related Bacillus species are frequently used as hosts for the mass production of recombinant proteins. Accordingly, this study examined the cellular response of B. subtilis to the overexpression of a soluble secretory protein. As such, the lichenase derived from B. cereus was overexpressed in B. subtilis, initially localized in the cytoplasm as a mature form and then secreted into the medium. Thereafter, the proteome of B. subtilis was analyzed using 2D electrophoresis and MALDI-TOF mass spectrometry. The expression of several heat-shock proteins, such as dnaK and groEL, was increased under this condition. In addition, manganese superoxide dismutase and NADH dehydrogenase were also upregulated in the lichenase-secreting B. subtilis. Therefore, it was concluded that the transient accumulation of a secreted protein in B. subtilis before secretion acted as a stress on the cell, which in turn induced the expression of various protective proteins.
본 연구자들은 이전에 cellulase, xyalnase 및 lichenase의 다기능 효소활성을 지니는 절단된 Cel44C-$Man26A_{P558}$의 ${\beta}$-glycosyl hydrolase를 보고하였다. 본 연구에서는 절단된 Cel44C-$Man26A_{P558}$ 효소의 다기능성 ${\beta}$-glycosyl hydrolase 활성을 증가시키기 위해 DNA shuffling을 시도하였다. DNA shuffling에 의해 단일변이(P438A)를 가진 M2Cel44C-$Man26A_{P558}$와 이중변이(A273T 및 P438A)를 가진 M21Cel44C-$Man26A_{P558}$를 얻었다. 이중변이를 가진 M21Cel44C-$Man26A_{P558}$은 단일변이를 가진 M2Cel44C-$Man26A_{P558}$ 보다 효소활성이 낮게 나타났으나, M2Cel44C-$Man26A_{P558}$와 M21Cel44C-$Man26A_{P558}$은 대조구인 Cel44C-$Man26A_{P558}$ 보다 약 1.3에서 2.2배 정도 높은 효소활성을 나타내었다. 특히, 단일변이를 가진 M2Cel44C-$Man26A_{P558}$는 대조구인 Cel44C-$Man26A_{P558}$보다 cellulase, xylanase 및 lichenase 효소활성이 약 1.5에서 2.2배 정도 높게 나타났다. ${\beta}$-Glycosyl hydrolase의 cellulase, linchenase 및 xylanase 최적 효소활성은 각각 pH 7.0, 7.0 및 6.0에서 이었다. 이러한 결과는, 아미노산 잔기인 Ala438이 다기능성 ${\beta}$-glycosyl hydrolase 활성을 증가시키는 중요한 역할을 한다고 추정할 수 있다.
A soluble dietary fiber, $\beta$-glucan, contained in oat and barley has nutritional benefits such as hypocholesterolemic effects and influences blood glucose regulation. The contents of $\beta$-glucan in both cereals range from 3 to 7% with the exception of a certain barley genotype which contains up to 16% $\beta$-glucan. $\beta$-Glucan is distributed mainly in the cell walls of endosperm and the distal (bran) portion of kernel. Various procedures have been developed for increasing the extraction yield of $\beta$-glucan. Oat gum prepared with weak alkali extractionand alcohol proecipitation following protein removal usually contains 80% $\beta$-glucan.The most commonly used method for $\beta$-glucan quantitiation is an enzymatic procedure combining lichenase plus $\beta$-glucosidase followed by measuring the amount of glucos released by glucose oxidase-peroxidase treatment. The increase in foam-and emulsion-stabilizing capacity of $\beta$-glucan is due to the increase in viscosity of the aqueous phase. Therefore, $\beta$-glucan shows great potentials as a thickener and a stabilizer.
Cereal $\beta$-glucans, linked essentially by mixed $\beta$-(1,4/1,3) glycosidic bonds, were extracted, purified, and structurally identified. Previously chemical structure of barley $\beta$-glucans was characterized from 3 varieties of 'Gang', 'Ohl', and 'Gwangan', and the (1,4)/(1,3) linkage ratio of the $\beta$-glucans was identical. In this study, $\beta$-glucans from 1 barley ('Chal') and 3 oat ('Ohl', 'Samhan', and 'Donghan') varieties were structurally scrutinized, and the linkage pattern of total 7 cereal $\beta$-glucans was compared. The amount of 2 major 3-O-$\beta$-cellobiosyl-D-glucose (DP3) and 3-O-$\beta$-cellotriosyl-D-glucose (DP4) from barley and oat accounted for only 66.6-73.3 and 68.12-81.89% of water-extractable $\beta$-glucan fractions, and the (1,4)/(1,3) linkage ratios of both barley and oat $\beta$-glucans were within very narrow range of 2.27-2.31 and 2.38-2.39, respectively, among the cultivars tested. Structural difference in the cereal $\beta$-glucans was evident when DP3:DP4 ratio in the $\beta$-glucan structure was compared. As a result, this ratio was significantly greater for barley $\beta$-glucan (2.26-2.74) than for oat (1.54-1.66). Chal-B had the greatest DP3 to DP4 ratio among the samples, which in turn reflected the least amount of (1,4)-linkages.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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