To overproduce endoxylanase from a recombinant Bacillus subtilis harboring the pJHKJ4 plasmid, the effects of carbon and nitrogen sources on the cell growth and expression level of endoxylanase were investigated in the flask cultures. Among the various carbon and nitrogen sources tested, glucose and maltose as carbon source and yeast extract as nitrogen source were found to be the most effective for the cell growth and the endoxylanase expression. When the concentration of glucose was increased from 0.5% to 5%, the highest activity of extracellular endoxylanse, 166 unit/$m\ell$, was observed at 2% glucose. In case of maltose, the endoxylanase was stably produced at the level of 180 unit/$m\ell$, regardless of the concentration of maltose. The higher the concentration of yeast extract, the greater cell growth and endoxylanase expression were obtained. However, the highest endoxylanase activity per unit cell mass was observed with 1% yeast extract. With the optimized medium (2% glucose, 1% yeast extract, etc), about 630 unit/$m\ell$ of endoxylanse was expressed through the batch fermentation in a fermentor, which expression level corresponded to about 0.7 g-endoxylanase protein /$\ell$. It was also found that the plasmid was stably maintained above 70% level, and more than 90% of endoxylanase activity was detected in the extracellular medium.
Kim, Jong-Hyun;Kim, Jung-Hoe;Kim, Sun-Chang;Nam, Soo-Wan
Journal of Microbiology and Biotechnology
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제10권4호
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pp.551-553
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2000
A strong constitutive $P_{JH}$ promoter from Bacillus was applied to overexpress the endoxylanase gene in B. subtilis. The expression plasmid, pHJKJ4, was designed to contain the $P_{JH}$ promoter and endoxylanase promoter ($P_B$), and introduced into B. subtilis DB104. Through batch fermentation of the trasformant cell on a maltose medium, endoxylanase was produced in a growth-associated manner as the predominant protein. The total activity reached about 600 unit/ml at the end of the cultivation, which corresponded to 698 mg endoxylanase protein/l with a specific activity of 860 unit/mg protein. It was also found that the segregational plasmid instability was less than 30% and most of the endoxylanase activity was detected in the culture medium. This result suggests that the secretory production of endoxylanase can be significantly enhanced with the use of the $P_{JH}$ promoter and high-cell density culture techniques, quantitatively as well as qualitatively.
The plasmid, pJHKJ4, containing the endoxylanase gene, was introduced into Bacillus subtilis DB 104. The recombinant cells produced 587 unit/ml of endoxylanase at 33 h. The endoxylanase was immobilized covalently on the surface of silica fur effective xylan hydrolysis. The activities of the immobilized and free endoxylanases were optimal at pH 6.5 and 10 mM $MnSO_4$. The optimal temperature of the immobilized endoxylanase was $60^{\circ}C$, whereas that of the free endoxylanase was $65^{\circ}C$. Under these optimal conditions, the activity of the immobilized endoxylanase was 1.7 times higher than that of the fee endoxylanase. From microscope photographs, the immobilized endoxylanase was found to be bounded and evenly distributed on the surface of silica, a nonporous solid support. The enzyme kinetics between the immobilized and free endoxylanases was estimated to be uncompetitive, when plotting double-reciprocal plots against xylan concentrations and endoxylanase activities. These results suggest that the higher activity of the immobilized endoxylanase may be due to increased formation of enzyme-substrate complex, because of the easy accessibility of the immobilized enzyme to the polysaccharide-xylan as a high molecular weight substrate.
Bacillus sp. HY-20균주 유래 endoxylanase를 코드하는 XylP 유전자를 효모에서 발현시키기 위해 두 개의 발현 플라스미드 pG-xylP와 pGMF-xylP를 구축하였다. 이들 플라스미드는 endoxylanase의 분비발현을 위해 각각 다른 분비서열인 XylP 유전자의 자체 분비서열(XylP s.s)과 최적화된 $MF{\alpha}$ 분비서열($MF{\alpha}_{opt}$ s.s)을 가지고 있으며, S. cerevisiae SEY2102와 FY833균주에 형질전환되어 그 분비활성이 비교 조사되었다. 재조합 endoxylanase는 분비발현시스템과 숙주세포에 따라 23.7~70.1 unit/ml의 활성으로 효모 세포에서 성공적으로 발현되었고, 그 중 SEY2102/pGMF-xylP 형질전환주를 이용해 baffled-flask 배양을 실시한 결과 최대 88.1 unit/ml의 endoxylanase 활성을 보임을 확인하였다. 대부분의 재조합 endoxylanase는 세포 외 분획에 효율적으로 분비 생산되었으며, $MF{\alpha}_{opt}$ 분비서열이 XylP 유전자의 자체 분비서열보다 endoxylanase를 더 효율적으로 분비시킴을 확인할 수 있었다. 그러므로 본 연구에서 개발된 발현시스템은 효모를 숙주세포로 하여 많은 양의 세포 외 endoxylanase의 생산을 가능하게 하고, 바이오에탄올 생산 및 산업적 응용에도 유용하게 사용 될 수 있으리라 기대된다.
식물체 구성성분의 하나인 hemicellulose의 대부분을 차지하는 xylan은 농산 폐기물 또는 목재 성분의 약 30%를 차지하는 풍부한 자원물질이다. 이러한 xylan을 효과적으로 분해하기 위해 Bacillus에서 발현시킨 재조합 endoxylanase를 이용하여 기능성 식품소채인 xylooligosaccharide의 최적 생산 조건을 조사하였다. B. subtilis 재조합 균주 DB431/pJHKJ4를 이용한 발효조 회분배양 결과, endoxylanse의 총 활성은 857 unit/ml이며, 대부분이 세포밖으로 분비됨을 알 수 있었고, 분비효율은 92%로 나타났다. 재조합 endoxylanase를 이용하여 xylan으로부터 xylooligosaccharide 생성을 위한 최적 반응조건을 검토한 결과, xylooligosaccharide 생산을 위한 기질로는 birchwood xylan이 적합함을 알 수 있었고, 4%의 xylan 농도에서 가장 많은 xylooligosaccharide 을 생산하며, xylobiose와 xylotriose가 주생성물임을 알았다. 효소의 농토와 반응시간의 영향은 10 unit의 endoxylanase를 첨가하여 1시간 반응시켰을 때 가장 많은 양의 xylooligosaccharide을 생산할 수 있었고, 반응온도는 $40^{\circ}C{\sim}50^{\circ}C$가 적합함을 알았다. 결론적으로 재조합 endoxylanase을 이용한 xylooligosaccharide생성에는 10 unit endoxylanase과 4% birchwood xylan을 기질로 이용하여 $50^{\circ}C$에서 1시간 반응시키는 것이 최적반응 조건임을 알았다.
A strong constitutive $P_{JH}$ promoter from Bacillus sp. was applied to overexpress the endoxylanase gene in Bacillus subtilis. The expression plasmid, pJHKJ4, was designed to contain the $P_{JH}$ promoter and open reading frame of endoxylanase including its own promoter. The plasmid was introduced into B. subtilis DB431 and the resulting transformant was grown on LB glucose medium. The endoxylanase activity in the culture supernatant reached about 140 unit/ml. The enzyme in the supernatant was efficiently concentrated to 70% by two-step treatments of ammonium sulfate saturation and ultrafiltration. The stabilization of concentrated enzyme solution at different storage temperatures was examined with various stabilizers such as NaCl, $CaCl_2$, sucrose, sorbitol, polyethylene glycol, and Tween-80.
구성적 promoter인 $P_{JH}$ promoter 하류에 연결된 Bacillus sp. 유래의 endoxylanase를 B. subtilis에서 과발현 하였다. 발현된 plasmid, pJHKJ4는 자체 promoter($P_{B}$)와 Bacillus의 강력한 promoter($P_{JH}$)가 tandem으로 위치하여 transcription되었다. B.subtilis DB431에 형질전환된 균주를 glucose가 함유된 LB 배지에서 배양 후 총활성 및 분비효율은 140 U/ml 으로 나타났다. 배양상등액은 ultrafiltration(MW cut off 10 kDa and 30 kDa)과 염석법으로 농축하였다. 효소의 농축에서 ultrafiltration이 70% ammonium sulfate precipitation 보다 효과적이었다. $50^{\circ}C$ 에서 농축된 효소액의 안정화는 NaCl, glycerol, sorbitol, and $CaCl_{2}$ 등의 다양한 안정제를 농도별로 첨가하여 안정제의 효과를 검토한 결과 가장 효과적인 안정제는 NaCl과 $CaCl_{2}$ 이었다.
The endoxylanase (GenBank Access No. U51675) of Bacillus spp. and endoglucanase (GenBank Access No. AY466436) of Trichoderma spp. were separately inserted downstream of the yeast constitutive ADHI promoter, resulting in three different plasmids (pAGX1, pAGX2, and pAGX3) according to the transcription direction of two genes. When the yeast transformants, S. cerevisiae SEY2102 harboring each expression plasmid, were grown on YPD medium, the total activities of the enzymes were approximately 3.01 unit/ml, 3.24 unit/ml, and 7.56 unit/ml for endoxylanase and 0.60 unit/ml, 0.54 unit/ml, and 0.39 unit/ ml for endoglucanase, in the following order: the pAGX1, pAGX2, and pAGX3. More than 70% of the endoxylanase and endoglucanase activities was found in the extracellular media.
한국미생물학회 2003년도 International Meeting of the Microbiological Society of Korea
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pp.122-124
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2003
Cyclodextrin glucanotransferase (CGTase) and endoxylanase genes of Bacillus sp. were subcloned down-stream of yeast ADH1 promoter and expressed in S. cerevisiae. Most of the CGTase and endoxylanase expressed were detected in the extracellular medium with activity of 0.6 and 7-8 unit/ml, respectively. The recombinant enzymes were secreted as N-linked-glycosylated forms, resulting an enhanced thermal stability. CGTase predominantly produced $\alpha-cyclodextrin$ from starch and endoxylanase produced xylobiose and xylotriose from xylan.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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