• 제목/요약/키워드: polyporus brumalis

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Transformation of Terpene Synthase from Polyporus brumalis in Pichia pastoris for Recombinant Enzyme Production

  • An, Ji-Eun;Lee, Su-Yeon;Ryu, Sun-Hwa;Kim, Myungkil
    • Journal of the Korean Wood Science and Technology
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    • 제46권4호
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    • pp.415-422
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    • 2018
  • Terpenoids have a wide range of biological functions and have extensive applications in the pharmaceutical, cosmetic, and flavoring industry. The white-rot fungus, Polyporus brumalis, is able to synthesize terpenoids via terpene synthase, which catalyzes an important step that forms a large variety of sesquiterpene products from farnesyl pyrophosphate (FPP). To improve the production of sesquiterpenes, the terpene synthase gene was isolated from Polyporus brumalis and was heterologously transformed into a Pichia pastoris strain. The open reading frame of the isolated gene (approximately 1.2 kb) was inserted into Pichia pastoris to obtain a recombinant enzyme. Five transformants were obtained and the expression of terpene synthase was analyzed at the transcript level by reverse transcription PCR (polymerase chain reaction) and at the protein level by SDS-PAGE (sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis). Expression of the terpene synthase gene product was elevated in the transformants and as expected the molecular weight of the protein was approximately 45 kDa. These recombinant enzymes have potential practical applications and future studies should focus on their functional characterization.

Biosynthesis of Eudesmane-type Sesquiterpenoids by The Wood-rotting Fungus, Polyporus brumalis, on Specific Medium, including Inorganic Magnesium Source

  • Lee, Su-Yeon;Ryu, Sun-Hwa;Choi, In-Gyu;Kim, Myungkil
    • Journal of the Korean Wood Science and Technology
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    • 제44권2호
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    • pp.253-263
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    • 2016
  • Fungi, such as the wood-rotting Polyporus brumalis, are excellent sources of pharmaceutically interesting natural products such as sesquiterpenoids. In this study, we investigated the biosynthesis of P. brumalis sesquiterpenoids on modified medium. Ten additional species of white rot fungi were inoculated in medium containing nutrients such as $C_6H_{12}O_6$, $C_4H_{12}N_2O_6$, $KH_2PO_4$, $MgSO_4$, and $CaCl_2$ at $28^{\circ}C$ for 25 days. After 10 days of incubation, eudesmane-type sesquiterpenes, ${\beta}$-eudesmane and ${\beta}$-eudesmol, were only synthesized during the growth phase of P. brumalis. Experiments excluding one nutrient at a time were conducted to determine the effects of inorganic nutrients on sesquiterpene biosynthesis. In conclusion, GC-MS analysis showed that biosynthesis of sesquiterpenes was differentially regulated by inorganic nutrients such as $MgSO_4$, $C_4H_{12}N_2O_6$, and $KH_2PO_4$. We found $MgSO_4$ supplementation to be vital for eudesmane-type sesquiterpene biosynthesis in P. brumalis; nitrogen ($C_4H_{12}N_2O_6$) and phosphate ($KH_2PO_4$) inhibited the synthesis of P. brumalis metabolites. Magnesium is a known cofactor of sesquiterpene synthase, which promotes ${\beta}$-eudesmol synthesis. To mechanistically understand eudesmane-type sesquiterpene biosynthesis in P. brumalis, further research into the genes regulating the dynamics of such biosynthesis is warranted.

겨울우산버섯에 의한 목재칩의 리그닌 분해 효소 활성 및 리그닌 함량 변화 (Changes in Activities of Lignin Degrading Enzymes and Lignin Content During Degradation of Wood Chips by Polyporus brumalis)

  • 조명길;유선화;김명길
    • Journal of the Korean Wood Science and Technology
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    • 제40권6호
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    • pp.424-430
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    • 2012
  • 본 연구에서는 국내에서 자생하는 백색부후균인 겨울우산버섯(Polyporus brumalis)을 소나무 시편에 배양하여 목재 처리에 의한 리그닌 분해효소의 활성변화를 조사하고 목재의 분해가 일어나는 동안 중량감소율 및 리그닌 감소율을 통해 분해능을 확인하고 여기에 관여하는 유전자의 발현을 조사하였다. SSC (Shallow Stationary Culture) 액체배지에 목재 시편을 넣고 겨울우산버섯을 배양하였을 때 무처리구에서는 laccase의 활성이 20일 이후 감소하는 반면, 시편 처리구에서는 활성이 계속 증가되었다. 특히, 60일 전후의 처리구에서 무처리구에 비해 10배 이상 높은 활성을 나타내었다. 또한, 겨울우산버섯에 의한 소나무칩의 중량 감소율과 리그닌 감소율은 80일 후 각각 23.4%와 6.3%로 나타났다. 40일 배양한 목질칩에서 분리한 겨울우산버섯의 pblac1의 유전자 발현은 무처리구에 비해 소나무 칩 처리구에서 약 3배 정도 높게 나타났다. 이상의 결과로 백색부후균에 의한 목재칩 처리에 의해 리그닌 분해효소의 활성이 증가되며 pblac1이 리그닌 분해에 중요한 역할을 하는 것으로 보여진다. 따라서 백색부후균의 리그닌분해효소 유전자 발현을 조절함으로써 리그닌 분해능이 우수한 균주 개발이 가능하고 목질에탄올 생산 전처리에 효율적으로 이용할 것으로 기대된다.

겨울우산버섯의 원형질체 분리와 유전자 형질전환 (Protoplast Isolation and Genetic Transformation of Polyporus brumalis)

  • 유선화;김명길
    • 미생물학회지
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    • 제50권4호
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    • pp.372-375
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    • 2014
  • 본 연구에서는 백색부후균인 겨울우산버섯의 원형질체 분리 조건과 유전자 형질전환 방법을 확립하였다. 겨울우산버섯 균사에 세포벽 분해효소로 0.5% Usukizyme을 처리하여 ml당 $1{\times}10^7/ml$개의 원형질체를 확보할 수 있었다. 형질전환체의 선별을 위해 hygromycin에 대한 저항성을 갖는 유전자(hph)를 선택표지로 이용하여 형질전환용 벡터(pHYgpt)를 제작하였다. 40% polyethylene glycol 용액과 aurintricarboxylic acid와 heparin, supermidine을 첨가하여 형질전환을 수행 한 결과 벡터 $1{\mu}g$ 당 100-160개의 수율로 형질전환체를 얻었다. 도입된 벡터는 hph 유전자의 PCR 증폭을 통해 형질전환체의 염색체내에 삽입되었음을 확인하였다. 이러한 결과는 polyporus 속의 유전자를 활용한 새로운 균주 개발에 유용한 기술이 될 것이다.

백색부후균 Polyporus brumalis에 의한 프탈산의 분해 (Biodegradation of Phthalic acid by White rot Fungus, Polyporus brumalis)

  • 이수민;박기령;이성숙;김명길;최인규
    • Journal of the Korean Wood Science and Technology
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    • 제33권1호통권129호
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    • pp.48-57
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    • 2005
  • 플라스틱 가소제로 사용되고 있는 프탈레이트류(phthalate esters)의 백색부후균에 의한 분해 특성을 확인하기 위해 본 연구에서는 프탈레이트 제조에 사용되고 있는 전구체로서 프탈산(phthalic acid)의 분해를 Polyporus brumalis를 이용하여 확인하였다. 프탈산(phthalic acid) 50 ppm을 액상 배지에 처리하고 균체에 의한 프탈산의 감소율을 확인한 결과, 배양 4일 후부터 감소하기 시작하여 배양 24일에는 배지 내에서 검출되지 않아 완전히 분해되었음을 확인하였고, 배양 기간 동안 리그닌 분해 효소 활성 변화는 배양 10일 후부터 대조구에 비해 프탈산 처리구의 효소 활성이 저조하게 나타남을 확인하였다. Esterase의 경우에는 대조구에서 보여지는 효소 활성 변화와는 달리 배양 10일 이후에 지속적으로 증가하는 것을 확인하였다. 영양원으로 사용된 glucose는 배양 6일 째까지는 대조구와 프탈산 처리구간에 감소율이 유사하였으나, 이후 배양 시간이 연장됨에 따라 배지 내에서 급격하게 감소하는 것을 확인하여 대조구에 비해 프탈산 처리구가 glucose 소모율이 낮았다. 이는 프탈산이 균체에 흡수된 후에 대사작용에 이용되기 때문이라 사료된다. 또한, 균체외 효소에 의한 프탈산의 화학적 구조변화를 GC/MS를 이용하여 분석한 결과 반응 12시간 이내에 무수프탈산으로 탈수 반응이 급격히 진행되는 것을 확인하였다.

rDNA의 ITS 부위 염기서열 분석에 의한 겨울우산버섯(Polyporus)속 균주의 유전적인 유연관계 분석 (Phylogenetic relationships of genera Polyporus on the basis of ITS region sequences)

  • 이찬중;전창성;정종천;공원식
    • 한국버섯학회지
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    • 제10권1호
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    • pp.37-43
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    • 2012
  • 보존중인 Polyporus속 균주를 선발하여 배양 및 형태적 특성을 조사하여 비슷한 균주별로 그룹화하여 rDNA의 ITS 영역을 증폭하여 염기서열을 결정한 결과 보존시 균주의 학명과 많은 차이를 보였으며, 균사의 모양 및 색깔에도 많은 차이를 보였다. 보존 당시 동정한 결과와 rDNA의 ITS 영역의 염기서열 분석을 통한 결과를 비교한 결과 종이 다른 균주가 3균주와 학명이 다른 균주가 4균주로 전체의 53.8%를 차지하였다. 국내에서 수집한 Polyporus속은 경우 P. alveolarius, P. brumalis, P. squamosus, P. tuberaster, P. arcularius 등 5개 종으로 동정되었고, 미국에서 수집한 균주는 P. alveolarius와 P. arcularius로 동정되었다. 그리고 일본에서 수집한 균주는 P. arcularius로 동정되었다. RAPD 분석을 통한 유전적인 다형성 조사에서 Polyporus속간에는 완전히 다른 밴드 패턴을 보였지만 같은 종내에서는 비슷한 밴드 패턴을 보였다. 유전적인 유연관계 분석에서는 P. alveolarius 등 5개의 분류군으로 나누어졌으며, ITS부위 유전자수준의 상동성 분석에서도 비슷한 경향을 보였다. 따라서 기존 목록과 완전히 다른 속으로 동정된 균주들에 대해서는 계통분류학적인 유연관계 분석과 보존중인 자실체 유전자와의 상동성을 비교하여 기존 목록의 학명을 재분류해야 할 것으로 판단된다.

Sesquiterpenoids Bioconversion Analysis by Wood Rot Fungi

  • Lee, Su-Yeon;Ryu, Sun-Hwa;Choi, In-Gyu;Kim, Myungkil
    • 한국균학회소식:학술대회논문집
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    • 한국균학회 2016년도 춘계학술대회 및 임시총회
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    • pp.19-20
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    • 2016
  • Sesquiterpenoids are defined as $C_{15}$ compounds derived from farnesyl pyrophosphate (FPP), and their complex structures are found in the tissue of many diverse plants (Degenhardt et al. 2009). FPP's long chain length and additional double bond enables its conversion to a huge range of mono-, di-, and tri-cyclic structures. A number of cyclic sesquiterpenes with alcohol, aldehyde, and ketone derivatives have key biological and medicinal properties (Fraga 1999). Fungi, such as the wood-rotting Polyporus brumalis, are excellent sources of pharmaceutically interesting natural products such as sesquiterpenoids. In this study, we investigated the biosynthesis of P. brumalis sesquiterpenoids on modified medium. Fungal suspensions of 11 white rot species were inoculated in modified medium containing $C_6H_{12}O_6$, $C_4H_{12}N_2O_6$, $KH_2PO_4$, $MgSO_4$, and $CaCl_2$ for 20 days. Cultivation was stopped by solvent extraction via separation of the mycelium. The metabolites were identified as follows: propionic acid (1), mevalonic acid lactone (2), ${\beta}$-eudesmane (3), and ${\beta}$-eudesmol (4), respectively (Figure 1). The main peaks of ${\beta}$-eudesmane and ${\beta}$-eudesmol, which were indicative of sesquiterpene structures, were consistently detected for 5, 7, 12, and 15 days These results demonstrated the existence of terpene metabolism in the mycelium of P. brumalis. Polyporus spp. are known to generate flavor components such as methyl 2,4-dihydroxy-3,6-dimethyl benzoate; 2-hydroxy-4-methoxy-6-methyl benzoic acid; 3-hydroxy-5-methyl phenol; and 3-methoxy-2,5-dimethyl phenol in submerged cultures (Hoffmann and Esser 1978). Drimanes of sesquiterpenes were reported as metabolites from P. arcularius and shown to exhibit antimicrobial activity against Gram-positive bacteria such as Staphylococcus aureus (Fleck et al. 1996). The main metabolites of P. brumalis, ${\beta}$-Eudesmol and ${\beta}$-eudesmane, were categorized as eudesmane-type sesquiterpene structures. The eudesmane skeleton could be biosynthesized from FPP-derived IPP, and approximately 1,000 structures have been identified in plants as essential oils. The biosynthesis of eudesmol from P. brumalis may thus be an important tool for the production of useful natural compounds as presumed from its identified potent bioactivity in plants. Essential oils comprising eudesmane-type sesquiterpenoids have been previously and extensively researched (Wu et al. 2006). ${\beta}$-Eudesmol is a well-known and important eudesmane alcohol with an anticholinergic effect in the vascular endothelium (Tsuneki et al. 2005). Additionally, recent studies demonstrated that ${\beta}$-eudesmol acts as a channel blocker for nicotinic acetylcholine receptors at the neuromuscular junction, and it can inhibit angiogenesis in vitro and in vivo by blocking the mitogen-activated protein kinase (MAPK) signaling pathway (Seo et al. 2011). Variation of nutrients was conducted to determine an optimum condition for the biosynthesis of sesquiterpenes by P. brumalis. Genes encoding terpene synthases, which are crucial to the terpene synthesis pathway, generally respond to environmental factors such as pH, temperature, and available nutrients (Hoffmeister and Keller 2007, Yu and Keller 2005). Calvo et al. described the effect of major nutrients, carbon and nitrogen, on the synthesis of secondary metabolites (Calvo et al. 2002). P. brumalis did not prefer to synthesize sesquiterpenes under all growth conditions. Results of differences in metabolites observed in P. brumalis grown in PDB and modified medium highlighted the potential effect inorganic sources such as $C_4H_{12}N_2O_6$, $KH_2PO_4$, $MgSO_4$, and $CaCl_2$ on sesquiterpene synthesis. ${\beta}$-eudesmol was apparent during cultivation except for when P. brumalis was grown on $MgSO_4$-free medium. These results demonstrated that $MgSO_4$ can specifically control the biosynthesis of ${\beta}$-eudesmol. Magnesium has been reported as a cofactor that binds to sesquiterpene synthase (Agger et al. 2008). Specifically, the $Mg^{2+}$ ions bind to two conserved metal-binding motifs. These metal ions complex to the substrate pyrophosphate, thereby promoting the ionization of the leaving groups of FPP and resulting in the generation of a highly reactive allylic cation. Effect of magnesium source on the sesquiterpene biosynthesis was also identified via analysis of the concentration of total carbohydrates. Our current study offered further insight that fungal sesquiterpene biosynthesis can be controlled by nutrients. To profile the metabolites of P. brumalis, the cultures were extracted based on the growth curve. Despite metabolites produced during mycelia growth, there was difficulty in detecting significant changes in metabolite production, especially those at low concentrations. These compounds may be of interest in understanding their synthetic mechanisms in P. brumalis. The synthesis of terpene compounds began during the growth phase at day 9. Sesquiterpene synthesis occurred after growth was complete. At day 9, drimenol, farnesol, and mevalonic lactone (or mevalonic acid lactone) were identified. Mevalonic acid lactone is the precursor of the mevalonic pathway, and particularly, it is a precursor for a number of biologically important lipids, including cholesterol hormones (Buckley et al. 2002). Farnesol is the precursor of sesquiterpenoids. Drimenol compounds, bi-cyclic-sesquiterpene alcohols, can be synthesized from trans-trans farnesol via cyclization and rearrangement (Polovinka et al. 1994). They have also been identified in the basidiomycota Lentinus lepideus as secondary metabolites. After 12 days in the growth phase, ${\beta}$-elemene caryophyllene, ${\delta}$-cadiene, and eudesmane were detected with ${\beta}$-eudesmol. The data showed the synthesis of sesquiterpene hydrocarbons with bi-cyclic structures. These compounds can be synthesized from FPP by cyclization. Cyclic terpenoids are synthesized through the formation of a carbon skeleton from linear precursors by terpene cyclase, which is followed by chemical modification by oxidation, reduction, methylation, etc. Sesquiterpene cyclase is a key branch-point enzyme that catalyzes the complex intermolecular cyclization of the linear prenyl diphosphate into cyclic hydrocarbons (Toyomasu et al. 2007). After 20 days in stationary phase, the oxygenated structures eudesmol, elemol, and caryophyllene oxide were detected. Thus, after growth, sesquiterpenes were identified. Per these results, we showed that terpene metabolism in wood-rotting fungi occurs in the stationary phase. We also showed that such metabolism can be controlled by magnesium supplementation in the growth medium. In conclusion, we identified P. brumalis as a wood-rotting fungus that can produce sesquiterpenes. To mechanistically understand eudesmane-type sesquiterpene biosynthesis in P. brumalis, further research into the genes regulating the dynamics of such biosynthesis is warranted.

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울릉도 수집 균주의 배양조건에 따른 균사 생장 특성 비교 (Comparison of Mycelial Growth Characteristics According to Culture Conditions of Ulleungdo Collection Strains)

  • 김민경;안초롱;김창무
    • 한국균학회지
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    • 제48권2호
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    • pp.75-85
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    • 2020
  • 본 연구에서는 울릉도에서 수집한 자생 버섯 균주 5종의 평판배지 배양 특성과 액체배양에서의 특성을 확인하여 자생 균류의 이용을 위한 기초 정보를 확보하였다. 5종의 야생 균주의 최적 배양온도는 25-30℃이고, pH는 4.0-5.0의 산성임을 확인하였다. 특히P. brumalis는 35℃에서 생장 속도가 가장 빠른 것으로 보아 고온성 버섯으로 판단된다. 실험에 사용한 상용 배지 중 최적 배지는 F. punctata의 경우 MEPA 배지, P. ulleungus는 MMNA 배지, G. subnudus는 MEA 배지, T. kmetii는 MMNA 배지, 마지막으로P. brumalis는 모든 배지에서 빠른 생장 속도를 보였으며 6종류의 배지 중 MEA 배지는 모든 균주의 균사 밀도가 낮아 배양이 적합하지 않은 조성임을 확인하였다. P. brumalis는 5종의 균주중 가장 빠른 생육 속도를 보였으며, 반면에P. ulleungus는 가장 저조한 생장을 보여 같은 속(genus)의 종이지만, 생육특성의 차이가 극명함을 보였다. 액체배양을 통해 배양 기간에 따른 배양여액의 건조 중량을 비교한 결과 배양 기간이 길수록 건조량이 감소하는 양상을 보였으며, 특히 6개월 이전까지 큰 폭으로 감소하였다. 이 결과로 정치배양 조건에서의 액체배양은 한달 이상의 배양 시간이 주어져야만 배지 성분을 충분히 이용할 수 있다는 것을 확인하였다. 본 실험의 결과로 5종의 균주에 대한 최적 배양조건을 확립하고 향후 응용 연구에 기초 자료로 활용할 수 있을 것으로 기대한다.

Remazol Brilliant Blue R 탈색능과 리그닌 분해 효소시스템을 이용한 유기용매 리그닌 생분해 우수 균주 선별 (Screening of Outstanding White Rot Fungi for Biodegradation of Organosolv Lignin by Decolorization of Remazol Brilliant Blue R and Ligninolytic Enzymes Systems)

  • 홍창영;김호용;장수경;최인규
    • Journal of the Korean Wood Science and Technology
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    • 제41권1호
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    • pp.19-32
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    • 2013
  • 본 연구에서는 백색부후균의 리그닌 분해 효소 시스템을 이용하여, 다양한 균주 중에서 목질계 바이오매스 유기용매 전처리 과정에서 발생한 리그닌(유기용매 리그닌)의 생분해에 적합한 우수 균주를 선별하고자 하였다. 우선 분양받은 15개의 백색부후균을 대상으로 shallow stationary cultur (SSC)배지와 malt extract broth (MEB)배지에 유기용매 리그닌의 첨가에 따른 Remazol Brilliant Blue R (RBBR)의 흡광도 변화를 측정하였다. RBBR 탈색능 결과, SSC 배지에서 Ceriporiopsis subvermispora, Ceriporia lacerate, Fomitopsis insularis, Phanerochaete chrysosporium, Polyporus brumalis, Stereum hirsutum 등 6종의 백색부후균에서 급격한 흡광도 변화를 나타냈다. 배양 초기에 급격한 흡광도 변화를 나타낸 6개의 백색부후균을 대상으로 균체 외 단백질 농도 및 리그닌 분해 효소 활성을 측정하였다. 선발된 6개의 균 중에서 S. hirsutum과 P. chrysosporium은 유기용매 리그닌을 첨가한 실험구에서 높은 단백질 농도가 측정되었다. 반면, 리그닌 분해 효소 활성은 F. insularis에서 배양 6일째에 manganese peroxidase (MnP) 활성이 1,545 U/mg, laccase 활성은 1,259 U/mg으로 최고 활성을 나타냈다. 결론적으로, 균체 외 단백질 농도 및 리그닌 분해 효소 활성이 전반적으로 높았던 $STH^*$와 MnP 및 laccase의 활성이 가장 높은 FOI가 유기용매 리그닌 생분해에 유리하게 작용할 것으로 판단된다.

Biological Pretreatment of Softwood Pinus densiflora by Three White Rot Fungi

  • Lee, Jae-Won;Gwak, Ki-Seob;Park, Jun-Yeong;Park, Mi-Jin;Choi, Don-Ha;Kwon, Mi;Choi, In-Gyu
    • Journal of Microbiology
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    • 제45권6호
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    • pp.485-491
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    • 2007
  • The effects of biological pretreatment on the Japanese red pine Pinus densiflora, was evaluated after exposure to three white rot fungi Ceriporia lacerata, Stereum hirsutum, and Polyporus brumalis. Change in chemical composition, structural modification, and their susceptibility to enzymatic saccharification in the degraded wood were analyzed. Of the three white rot fungi tested, S. hirsutum selectively degraded the lignin of this sortwood rather than the holocellulose component. After eight weeks of pretreatment with S. hirsutum, total weight loss was 10.7%, while lignin loss was the highest at 14.52% among the tested samples. However, holocellulose loss was lower at 7.81 % compared to those of C. lacerata and P. brumalis. Extracelluar enzymes from S. hirsutum showed higher activity of ligninase and lower activity of cellulase than those from other white rot fungi. Thus, total weight loss and changes in chemical composition of the Japanese red pine was well correlated with the enzyme activities related with lignin- and cellulose degradation in these fungi. Based on the data obtained from analysis of physical characterization of degraded wood by X-ray Diffractometry (XRD) and pore size distribution, S. hirsutum was considered as an effective potential fungus for biological pretreatment. In particular, the increase of available pore size of over 120 nm in pretreated wood powder with S. hirsutum made enzymes accessible for further enzymatic saccharification. When Japanese red pine chips treated with S. hirsutum were enzymatically saccharified using commercial enzymes (Cellulclast 1.5 L and Novozyme 188), sugar yield was greatly increased (21.01 %) compared to non-pre treated control samples, indicating that white rot fungus S. hirsutum provides an effective process in increasing sugar yield from woody biomass.