During the screening of xylanolytic enzymes from locally isolated fungi, one strain BCC14405, exhibited high enzyme activity with thermostability. This fugal strain was identified as Aspergillus cf. niger based on its morphological characteristics and internal transcribed spacer (ITS) sequences. An enzyme with xylanolytic activity from BCC14405 was later purified and characterized. It was found to have a molecular mass of ca. 21 kDa, an optimal pH of 5.0, and an optimal temperature of $55^{\circ}C$. When tested using xylan from birchwood, it showed $K_m$ and $V_{max}$ values of 8.9 mg/ml and 11,100 U/mg, respectively. The enzyme was inhibited by $CuSO_4$, EDTA, and by $FeSO_4$. The homology of the 20-residue N-terminal protein sequence showed that the enzyme was an endo-1,4-$\beta$-xylanase. The full-length gene encoding endo-1,4-$\beta$-xylanase from BCC14405 was obtained by PCR amplification of its cDNA. The gene contained an open reading frame of 678 bp, encoding a 225 amino acid protein, which was identical to the endo-1,4-$\^{a}$-xylanase B previously identified in A. niger.
Bacillus stearothermomophilus, a strong xylan degrader, was confirmed to express multiple esterase activities in addition to the major xylanolytic enzymes. One of the genes encoding the esterases was isolated from the genomic library of B. stearothermophilus constructed with EcoRl restriction endonuclease and pBR322 plasmid. Three recombinant plasmids showing the tributyrin degrading activity were selected from approximately 7, 000 E. coli HB101 transformants, and were found to have the same insert of a 3.2 kb DNA fragment. Restriction mapping and hybridization studies revealed that the gene(estII) on the hybrid plasmid (pKMG7) had originated from the B. stearothermophilus chromosome, and was distinct from the estl, another esterase gene of B. stearothermophilus isolated in the previous work. The E. coli cells harboring pKMG7 produced an acetylxylan esterase that exibited similar substrate specificity to the esterase encoded by the estI gene.
Bacillus stearothermophilus was shown to express multiple xylanolytic enzymes including acetyl xylan esterase. Genomic DNA of the strain partially digested with HindIII was ligated into the HindIII site of pBR322, and expressed in E. coli HB101 cells in order to clone the gene for acetyl xylan esterase. One transformant among 4000 screened formed a clear zone around its colony on the LB agar supplemented with 1.0% tributyrin. The functional clone harbored the recombinant plasmid pKMG5 with an insert of 5.1kb.
Seo, J.K.;Park, T.S.;Kwon, I.H.;Piao, M.Y.;Lee, C.H.;Ha, Jong K.
Asian-Australasian Journal of Animal Sciences
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제26권1호
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pp.50-58
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2013
A facultative bacterium producing cellulolytic and hemicellulolytic enzymes was isolated from the rumen of a native Korean goat. The bacterium was identified as a Bacillus licheniformis on the basis of biochemical and morphological characteristics and 16S rDNA sequences, and has been designated Bacillus licheniformis JK7. Endoglucanase activities were higher than those of ${\beta}$-glucosidase and xylanase at all temperatures. Xylanase had the lowest activity among the three enzymes examined. The optimum temperature for the enzymes of Bacillus licheniformis JK7 was $70^{\circ}C$ for endoglucanase (0.75 U/ml) and $50^{\circ}C$ for ${\beta}$-glucosidase and xylanase (0.63 U/ml, 0.44 U/ml, respectively). All three enzymes were stable at a temperature range of 20 to $50^{\circ}C$. At $50^{\circ}C$, endoglucanse, ${\beta}$-glucosidase, and xylanase had 90.29, 94.80, and 88.69% residual activity, respectively. The optimal pH for the three enzymes was 5.0, at which their activity was 1.46, 1.10, and 1.08 U/ml, respectively. The activity of all three enzymes was stable in the pH range of 3.0 to 6.0. Endoglucanase activity was increased 113% by $K^+$, while $K^+$, $Zn^+$, and tween 20 enhanced ${\beta}$-glucosidase activity. Xylanase showed considerable activity even in presence of selected chemical additives, with the exception of $Mn^{2+}$ and $Cu^{2+}$. The broad range of optimum temperatures (20 to $40^{\circ}C$) and the stability under acidic pH (4 to 6) suggest that the cellulolytic enzymes of Bacillus licheniformis JK7 may be good candidates for use in the biofuel industry.
A xylanolytic and cellulolytic anaerobic bacterium strain CtC72 was isolated from cattle rumen liquor. Phylogenetic analysis of 16S rRNA gene sequences revealed that strain CtC72 shared only 97.78% homology with its nearest phylogenetic affiliate Actinomyces ruminicola, showing its novelty. The strain could grow on medium containing xylan, carboxymethyl cellulose and avicel producing $CO_2$, acetate, and ethanol as major fermentation products. The whole genome analysis of the strain CtC72 exhibited a broad range of carbohydrate-active enzymes required for the breakdown and utilization of lignocellulosic biomass. Genes related to the production of ethanol and stress tolerance were also detected. Further there were several unique genes in CtC72 for chitin degradation, pectin utilization, sugar utilization, and stress response in comparison with Actinomyces ruminicola. The results show that the strain CtC72, a putative novel bacterium can be used for lignocellulosic biomass based biotechnological applications.
Bacillus stearothermophilus No. 236 isolated from the soil is a strong xylan degrader producing all the xylanolytic enzymes. However, the strain was discovered to be highly intractable to its transformation. In the present study, we have developed a reliable method for transformation of B. stearothermophilus No. 236 by a systematic examination of several factors which might have an influence on the efficiency of electrotransformation. Notably, we found that the most critical factor influencing the transformation efficiency (TE) was the incubation temperature after pulsing, with its optimum incubation of $37^{\circ}C.\; At\; 50^{\circ}C$, the optimum growth temperature of the B. stearothermophilus strain, the transformants could not be obtained at a recognizable level. The combination of field strength of 7.5 kV/cm along with pulse duration of 10 msec (resistance of $400{\Omega}\; and\; capacitance\; of\; 25{\mu}F$) was shown to be the best electrical parameters at the incubation temperature of $37^{\circ}$. A higher TE was obtained when the cells were harvested at an early-exponential phase. Twenty percent of PEG-8000 in a suspension buffer and an addition of 0.1% glycine in the growth medium resulted in about 4-fold and 3-fold increases in TE, respectively. We also found that the plasmid DNA which had been cycled through the host B. stearothermophilus cells enhanced TE by one order of magnitude higher. Under the presently described conditions, $2.5{\times}10^{5} transformants per ${\mu}g$ DNA was attained.
Neocallimastix frontalis SA에게 에너지원으로 filter paper 또는 볏짚만을 공급하여 반추위 곰팡이를 배양하는 동안 섬유소 분해 양상을 현미경으로 관찰하고 cellulase와 xylanase 생산에 미치는 영향을 비교하였다. 혐기성 반추위 곰팡이를 접종한 후 filter paper를 광학 현미경으로 관찰하였을 때 filter paper의 표면과 모서리에 유주자의 부착, 포자낭의 발달 그리고 복잡한 그물망의 균사 엽상체의 형성이 관찰되었으며, 배양 7일 후에는 filter paper의 소화 그리고 섬유사의 결착성 및 견고성의 감소 현상이 나타났다. 또한 분쇄한 볏짚 표면에서도 미성숙 및 성숙한 포자낭들이 관찰되었으며, 일반적으로 이들 균사들은 볏짚의 부스러진 부분이나 잘리어진 모서리에서 많이 발견되었다. cellulase와 xylanase는 배양기간 동안 filter paper와 볏짚 기질 모두에서 빠르게 그 농도가 증가하였으며, 볏짚 첨가시에 비해 filter paper 첨가시가 더 높은 경향을 보였다. 특히 두 가질간의 cellulase와 xylanase 효소 활성은 각각 48 그리고 96시간 배양 이후에 큰 차이를 보였다(P<0.05). 따라서 filter paper는 복합 구조를 갖는 볏짚에 비하여 cellulase와 xylanase 생산을 위한 더 좋은 유도 물질임을 발견하였다. 이상의 결과들을 N. frontalis에 대한 에너지원으로서 단일 복합체인 filter paper가 복합 구조의 볏짚에 비해 더 우수하였으며, 물리적 및 화학적으로 섬유소를 분해하는 혐기성 반추위 곰팡이라 할 지라도, 리그닌화된 견고한 섬유소 구조를 파괴시킬 수 있는 물리적 처리는 반추위 곰팡이의 분해 작용 및 성장에 도움을 줄 수 있음을 시사한다.
Xylan의 효소적 가수분해는 고부가가치 기능성 물질 또는 바이오에너지 생산을 위한 발효성 당을 얻는 가장 유용한 방법 중 하나이다. endo-${\beta}$-Xylanase는 xylan 주사슬 내부의 ${\beta}$-1,4-결합을 가수분해하여 xylobiose, xylotriose를 포함한 다양한 XOS를 생산하는 핵심 효소이다. 이들 효소 중에서 glucuronoxylanase GH30은 methylglucuronic acid가 측쇄에 수식된 xylan에 특이적으로 작용한다. 본 연구에서는 Paenibacillus amylolyticus KCTC 3005에서 유래한 2종의 xylan 가수분해효소(PaXN_10과 PaGuXN_30) 유전자를 클로닝하고, Escherichia coli에서 각각 발현시켰다. PaXN_10 (38.7 kDa)은 ${\beta}$-xylanase GH10 계열, PaGuXN_30 (58.5 kDa)은 glucuronoxylanase GH30에 해당하는 효소이며, $50^{\circ}C$와 pH 7.0에서 최대 활성을 나타내었다. 가수분해 특성 연구를 통해 P. amylolyticus가 목질계 glucuronoxylan을 분해하는 효소 시스템을 제안하였다. 세포 외로 분비되는 PaGuXN_30은 glucuroxylan을 가수분해하여 methylglucuronic acid 측쇄를 가지는 다양한 aldouronic acid mixtures를 생성하며, 이러한 분해산물은 세포 내로 이동하여 PaXN_GH10에 의해 xylose, xylobiose와 같은 저분자 XOS로 분해되어 세포 내 대사경로에 이용될 수 있다. 또한 이들 효소의 가수분해특성을 이용하여 다양한 탄수화물 소재 생산이 가능할 것으로 기대한다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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