효소생산을 최적화하기 위해서 Paenibacillus sp. DG-22에서의 ${\beta}-xylosidase$ 생합성 조절을 연구하였다. Paenibacillus sp. DG-22의 ${\beta}-xylosidase$는 배양액에 존재하는 탄소원에 의해 조절되는 것으로 관찰되었다. ${\beta}-Xylosidase$의 합성은 xylan과 methyl ${\beta}-D-xylopyranoside$ (${\beta}MeXyl$)에 의해 유도되었으나 쉽게 대사되는 단당류에 의해서는 약간 억제되었다. ${\beta}MeXyl$가 ${\beta}-xylosidase$의 유도를 위한 최적의 기질임을 확인하였고 가장 효과적인 유도는 10 mg/ml의 농도에서 얻어졌다. ${\beta}-Xylosidase$의 생산은 세포의 생장과 연관된 양상을 나타내었으며, 대수기 말에 최대양이 형성되었다. Glucose와 xylose가 존재하면 ${\beta}-xylosidase$의 활성 수준이 감소하는 것으로 보아 이 효소의 생합성은 catabolite repression을 받는것으로 보인다. SDS-PAGE와 활성염색 기술을 이용하여 ${\beta}Mexyl$가 이 효소의 생합성을 유도하며 약 80 kDa 크기의 하나의 ${\beta}-xylosidase$가 존재함을 알 수 있었다.
Hemicellulose를 효소에 의하여 분해기키기 위하여 Aspergillus niger NRC 107로부터 xylanase와 $\beta$-xylosidase의 생산조건에 대하여 조사하였다. 이들 효소 생산 최적 pH는 6.0이었으며 탄소원 중 corn-cob xylan과 질소원 중 $NaNO_{3}$이 효소 생산에 제일 좋은 기질이었으며 이들의 최적농도는 각각 15g/l와 2.67g/l이다. 이들 효소는 인산염($KH_2P0_4$)과 Tween-80의 농도를 조절하므로 수율을 높일 수 있으며 wheat bran은 xylanase의 생산에L(-) sorbose는 $\beta$-xylosidase의 생산에 좋은 영향을 주었다. 이와 같이 이 Aspergillus niger NRC 107의 회분식 배양에서 이들 효소에 영향을 미치는 생산조건을 최적화한 결과 xylanase는 39.43 units/ml, $\beta$-xylosidase는 4.2units/ml 까지 생산할 있었다.
한국인의 분변으로부터 분리된 Bifidobacterium sp. Int-57은 다른 장내세균에 비해 ${\beta}-xylosidase$의 높은 역가를 보였으며, xylooligomer의 bifidogenic factor의 유용성을 고려하였을 때 효소생산에 초점을 둔 결과 최적 탄소원으로는 xylose였는데, 일반적으로 최종생산물은 feedback inhibition, feedback repression 등으로 효소 생산을 억제하는 일반 이론과는 상이한 결과를 보였다. 또한 xylose는 1.1%일 때 가장 높은 효소역가를 보였다. 질소원으로서는 yeast extract였고, 그 농도가 0.04%일 때, 무기염류 면에서는 $CoCl_2$였고, 농도가 0.0003%일 때 ${\beta}-xylosidase$의 최대 생산을 보였다.
Synergic effects among endo-xylanase, $\beta$-xylosidase, and acetyl xylan esterase of Bacillus stearothermophilus in the hydrolysis of xylan were studied by using birchwood, oat spelt, and acetylated xylan as substrates. Synergism between endo-xylanase and $\beta$-xylosidase was observed on all three substrates tested, indicating that $\beta$-xylosidase enhanced the production of xylose by relieving the end-product inhibition upon endo-xylanase conferred by xylooligomers. Endo-xylanase and $\beta$-xylosidase also showed synergism with acetyl xylan esterase in the hydrolysis of birchwood and acetylated xylan, while no synergic effect was detected in oat spelt xylan hydrolysis. Thus, the hydrolysis of xylan containing acetic acid side chains required the action of acetyl xylan esterase, which eliminated the steric hindrance of the side chains, leading to the better hydrolysis by endo-xylanase and $\beta$-xylosidase , and the acetyl xylan esterase activity was also enhanced by endo-xylanase and $\beta$-xylosidase for the latter enzymes provided acetyl xylan esterase with shorter xylan oligomers, the better substrate for the enzyme.
Chromosomal DNA fragments of Bacillus sp. YA-14, isolated from soil as a potent $\beta$-xylosidase producing bacterium, were ligated to a vector plasmid pBR322 and used to transfer Escherichia coli HB101 cells. The recombinant plasmid pYXL22 was found to enable the transformants to produce $\beta$-xylosidase. pYXL22 was found to contain the 7.0 kb HindIII DNA fragment originated from the Bacillus sp. YA-14 chromosomal DNA by Southern hybridization. The optimum temperature for the reaction of $\beta$-xylosidase produced by E. coli HB101 (pYXL22) was appeared at 3$0^{\circ}C$. The enzyme was maintained stably up to 4$0^{\circ}C$ when stored 1hr at 4$0^{\circ}C$. The $\beta$-xylosidase was repressed completely by 0.4% (w/v) glucose concentration in E. coli HB101 (pYXL22). The optimum concentration of xylose for the $\beta$-xylosidase production in Bacillus sp. YA-14 was 0.2% (w/v).
[ ${\beta}$ ]Xylosidase 효소활성이 높은 균주를 선발하기 위하여 다양한 김치에서 분리된 Leuconostoc 속 젖산균의 ${\beta}$-xylosidase 활성을 탐색하였다. 김치에서 분리된 55개의 Leuconostoc 속 젖산균 중 36개의 균주만이 자일로스를 탄소원으로 이용하였으며, 배추김치에서 분리된 Leu. lactis KCTC 13344 균주가 가장 높은 세포내 ${\beta}$-xylosidase 효소활성을 나타내었으며, 효소활성은 pH 6, $30^{\circ}C$ 반응조건에서 가장 높게 나타났다. $Zn^{2+}$을 제외한 금속이온은 효소활성을 유의적으로 증가시켰으며, $Fe^{2+}$은 1 mM의 농도에서 ${\beta}$-xylosidase 대조구와 비교하여 효소활성을 약 40% 증가시켰다. 균주를 배양할 때 사용한 탄소원 중 자일로스가 가장 높은 효소활성을 나타내었고, 효소활성을 위한 최적의 자일로스 농도는 30 g/L였다. 단백질 전기영동 및 활성염색을 수행한 결과 분자량이 약 64 kDa인 Leu. lactis KCTC 13344 균주의 ${\beta}$-xylosidase는 자일로스에 의하여 발현이 유도되는 것으로 추정되었다. 자일로스가 30 g/L의 농도로 첨가된 MRS 배지에서 Leu. lactis KCTC 13344 균주의 성장은 20시간 후에 최고에 도달하였고, ${\beta}$-xylosidase 효소활성은 16시간 후에 최대 $7.1{\pm}0.3units/mL$이었다. 배양 초기에 주입한 자일로스는 약 20% 정도 소모하였고, 젖산과 아세트산은 3.0 g/L 수준으로 생성되었지만 에탄올은 생성되지 않았다.
A gene coding for ${\beta}-xylosidase$ in alkalophilic Bacillus sp. YC-335 isolated from soil was cloned into Escherichia coli HB101 using plasmid pBR322. The recombinant plasmid pYK40 was isolated, and the cloned HindIII fragment was 15 kilobases (kb). To reduce the size of the inserted DNA fragment of pYK40, the 15 kb HindIII fragment was subjected to a series of subclonings. A 6 kb subfragment was found to code for ${\beta}-xylosidase$ activity, and the recombinant plasmid was named pYK44. Southern hybridization analysis revealed that the cloned gene hybridized with 3.5 kb, 1.5 kb, and 1.0 kb of HindIII cleaved chromosomal DNA from Bacillus sp. YC-335. ${\beta}-xylosidase$ activity produced by recombinant E. coli was found to be 11 times higher than that produced by Bacillus sp. YC-335. Xylan was required to induce the production of ${\beta}-xylosidase$ in Bacillus sp. YC-335.
The endoxylanase (642 bp; 213 amino acids) and ${\beta}-xylosidase$ (1,602 bp; 533 amino acids) genes from Bacillus sp. were amplified by PCR and separately inserted downstream of the yeast ADH1 promoters, resulting in the pAEDX-1 and pAEX plasmid. When the yeast transformants, S. cerevisiae SEY2102 harboring pAEDX-1 or pAEX, were grown on YPD medium, the total activities of the enzymes reached about 9.8 unit/mL for endoxylanase and 2.9 unit/mL for ${\beta}-xylosidase$. When the three kinds of xylan from oat spelts, birch wood, and corncob were hydrolyzed by treatment of recombinant endoxylanase and ${\beta}-xylosidase$, it was found that xylose, xylobiose and xylotriose were produced and xylose was the major product after 12 h reaction. In addition, with the higher amount of enzymes, the more amount of xylose was produced.
A fungal strain capable of producing extracellular cellulase was isolated from farmland. It was identified as Aspergillus niger, and named Aspergillus niger KKS. Production of cellulase and xylanase by the A. niger KKS was studied through a shake-flask culture. The effects of culture conditions such as inoculum size, temperature, pH, and medium composition on the cellulase and xylanase production were examined. The optimum temperature and pH for the enzyme production were $30^{\circ}C$ and pH 7.0, respectively. The optimized medium was composed of 2.0% (w/v) rice straw, 0.5% (w/v) proteose peptone, 0.5% (w/v) $KH_2 PO_4$, 0.05% (w/v) yeast extract, 0.01% (w/v) $CoSO_4 \cdot 7H_2O$, and 0.05% (w/v) $CuSO$_4$\cdot 5H_2O$. When the strain was incubated with the optimized medium, it gave the activities of endoglucanase, $\beta$-glucosidase, $\beta$-xylosidase, xylanase were 3.80, 4.20, 4.00, 80.0 (IU/mL), respectively. Filter paper and cotton activities were 0.68 and 0.045 (IU/mL), respectively. The results of this study show that A. niger KKS is a potential organism with a wide spectrum of enzyme activities, such as those of $\beta$-glucosidase, $\beta$-xylosidase, and xylanase.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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