To investigate the role of induction on CGTase production for alkalophilic Bacillus firm us var. alkalophilus H609, the constitutive mutants that form a halo around its colonies at non-inducible AG agar media containing amylose and glucose were selected. The selected constitutive mutants could produce CGTase in the range of 18.9 to 28.8 units/ml $\cdot A_{600}$ in the alkaline basal medium, and finally a constitutive mutant Bacillus firmus var. alkalophilus CM46 was selected. The constitutive nature of CM46 was also confirmed in protein level using SDS-PAGE. The effects of induction and catabolite repression for both parent strain Bacillus firmus var. alkalophilus H609 and constitutive mutant CM46 were also compared by adding soluble starch and glucose during cultivation. The selected mutant CM46 was a non-inducible but a catabolite regulated type mutant. Even though inductive regulation was released, the specific CGTase activity defined as CGTase activity per cell concentration was not increased compared with that of parent strain. The cell growth and CGTase production patterns of constitutive mutant Bacillus firmus var. alkalophilus CM46 were compared with the parent strain to identify CGTase production characteristics.
본 실험에서는 토양에서 분리한 호알카리성 Bacillus sp. 유래의 cyclodextrin glycosyltransferase(CGTase)를 이용하여 전분을 기질로 하였을 때 CD의 생산에 미치는 여러 조건을 고찰하였다. CD의 초기생성속도를 최대로 하는 기질의 최적 dextrose equivalent(DE)값은 10.5이었고 이로부터 CD 생산 반응인 cyclization에 필요한 기질의 최적 DE값이 존재함을 알았다. 온도가 증가할수록 CGTase의 활성도는 급격히 감소하였지만 CD 생산속도와 수율은 온도에 따라 증가하였다. 이는 CD 생산반응중 CGTase는 기실과 결합하여 열에 대해 안정성이 증가하기 때문인 것으로 생각된다.
Performance of column type bioreactor packed with immobilized cyclodextrin glucanotransferase (CGTase) on chitosan and Amberite IRA 900 was evaluated for cyclodextrin(CD) production. For CGTase immobilized on chitosan, the maximum CD conversion yield of 42% was achieved at the range of 88-168 units of immobilizied CGTase per gram of chitosan, retention time of 0.3 hr, and from 5.0% (w/v) of partially cyclized soluble starch. On the other hand, for CGTase immobilized on Amberite IRA 900, the maximum conversion yield of 40% was obtained at the range of 3.6-11.0 units of immobilized CGTase per gram of carrier and retention time of 1.2 hr from 5.0% of substrate. Above CD conversion yields are almost identical level with that can be obtained with soluble CGTase of 47%. The productivities of bioreactor packed with immobilized CGTase were 17.0g of CD/lㆍhr for amberite IRA 900 and 15.5g of CD/lㆍhr for chitosan. The partially cyclized starch with soluble CGTase were more suitable as substrate to achieve better CD conversion yield, and 5% (w/v) of partially cyclized soluble starch containing 10% (w/w) of CD was found to be most suitable to obtain maximum CD conversion yield.
Xylitol을 당수용체로하여 당알콜 올리고당 gluosyl-xylitol을 생산하기 위하여 갭술고정화 전세포 CGTase를 제조하고자 하였다. CGTase를 생산하기 위하여 Bacillus macerans를 배양하는 경우 organic form의 질소원을 사용하는 경우 inorganic form의 질소원을 사용하는 경우보다 더 많은 CGTase를 생산하였고 배양도중 탄소원인 starch가 분해되는 동안 CGTase가 생성되었다. B. macerans에 의하여 생산된 CGTase는 80% 이상이 extracellular cnzyme 이며, intracellular enzyme은 20% 이내이었다. E. coh, C. glutamicum, S. cerevisiae 등과 달리 캡슐내부에 B. macerans를 접종하고 캡슐내부에서 고농도로 배양할 수 없었다. 배양액속에 존재하는 CGTase는 다른 이온성 물질들로 인하여 활성탄, Ambolite, Sephadex 등의 흡착제에 흡착시킬 수 없었다. 미생물을 배양한 배양책 전체를 10배로 농축하여 캡슐내에 고정화함으로써 캡슐고정화 전세포 CGTase를 제조할 수 있었다. 농축배양액을 이요하여 제조된 캡슐고정화 전세포 CGTase는 hydrolysis, intermolecular transglycosylation을 수행하였으며, xylitol을 당수용체로 하고 dextrin을 당공여체ㅗ 하여 glucosyl-xylitol을 생산하였다.
Park, So-Lim;Kwon, Mi-Jung;Kim, Sung-Koo;Nam, Soo-Wan
Journal of Microbiology and Biotechnology
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제14권1호
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pp.216-219
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2004
The effect of culture temperature on the production of soluble form of B. macerans cyclodextrin glucanotransferase (CGTase) in recombinant E. coli was investigated. E. coli cell was cotransformed with two plasmids (pTCGT1 and pGroll) in which the cgt and groEL/ES genes are under the control of T7 promoter and pzt-1 promoter, respectively. When tetracycline (10 ng/ml) and IPTG (l mM) were added as inducers at the early-exponential phase (2 h) and mid-exponential phase (3h), respectively, the solubilization of the inclusion body CGTase was greatly dependent on the temperature of the culture. At low culture temperature of $25^\circ{C}$, 2- or 3-fold higher activity and specific activity were obtained over $37^\circ{C}$. SDS-PAGE analysis revealed that about 62% of CGTase in the total CGTase protein was found in the soluble fraction by applying overexpression of GroEL/ES chaperone and by cultivation of E. coli at $25^\circ{C}$, whereas 33% of CGTase was detected in the soluble fraction at $37^\circ{C}$. Therefore, the expression of GroEL/ES and cultivation at $25^\circ{C}$ greatly enhanced the soluble production of CGTase in E. coli.
Chaperone 분자는 세포 내에서 새로 합성된 polypeptides의 misfolding을 보호하는 역할을 가진다. 이런 chaperone 분자와의 공발현은 활성형 재조합 단백질의 생산을 증가를 기대할 수 있다. 본 연구에서는 E. cozi에서 B. macerans 유래 cyclodextrin glucanotransferase (CGTase)의 활성형 생산에 GroEL/ES chaperone과의 공발현의 효과에 대해 조사하였다. cgt와 groEL/ES 유전자출 발현하는 pTCGT1과 pGro7은 각각 T7 promoter와 araB promoter에 의해 조절되고 이들을 E. coli cell에 co-transformation시켰다. 재조합 E. coli에서 IPTG와 L-arabinose의 최적 농도를 결정하기 위해 행한 결과 1 mM IPTG, 0.3 mg L-arabinose/$m\ell$에서 가장 높은 CGTase 활성을 나타내었다. 그리고 tube에서는 L-arabinose와 IPTG를 각각 0.4~0.5 $OD_{600}$과 0.8~l.0 $OD_{600}$에서 첨가하였을 때 활성형 CGTase의 생산이 증가되었다. GroEL/ES 공발현 조건에서는 가용성 CGTase 활성이 0.7~0.73 unit/$m\ell$로 단독 발현의 0.36~0.56 unit/$m\ell$에 비해 약 1.5 배 정도 증가함을 알 수 있었다. SDS-PAGE 분석에서는 GroEL/ES 공발현 조건에서 총 CGTase의 33.6%정도가 가용성 형태로 생산됨을 알 수 있었다.
To analyze the role of the C and D domains in the cyclization activity of cyclodextrin glucanotransferase (CGTase), two plasmids, pKB1ΔC300 and pKB1ΔD96, were constructed in which DNA regions encoding 100 and 32 amino acids, respectively, from the C and D domains of B. stearothermophilus NO2 CGTase were deleted. The mutated CGTase from the pKBlΔC300 produced much lower amounts of ${\alpha}$-, ${\beta}$-, and $\gamma$-cyclodextrin (CD) than the parental CGTase. However, the mutated CGTase from the pKBlΔD96 showed a similar production pattern of CDs to wild-type CGTase. The production ratios of the ${\alpha}$-, ${\beta}$- and $\gamma$-CDs were not affected by the deletions, when compared to those of parental CGTase. The optimum temperature of the mutated CGTase from the pKBlΔC300 was decreased from $60^{\circ}C$ to $55^{\circ}C$. The optimum pH of the mutated CGTase from the pKB1D96 was shifted from 6.0 to 7.0. The thermostability of the two mutant CGTases were not changed. From these results, it is suggested that the C and D domains are not related to cyclization activity directly because mutant-enzymes deleted C or D domains still possessed their activity. However, they are important for other enzymatic properties such as productivity and pH optimum as a partition of CGTase tertiary structure.
Mechanism of the cyclodextrin (CD) production reaction by cyclodextrin glucanotransferase (CGTase) using swollen extrusion starch as substrate was investigated emphasizing the structural features of starch granule. The degree of gelatinization was identified to be the most representative structural characteristic of swollen starch. The most suitable degree of gelatinization of swollen starch for CD production was around 63.52%. The structural transformation of starch granule during enzyme reaction was also followed by measuring the changes of the degree of gelatinization, microcrystallinity, and accessible and inaccessible portion to CGTase action of residual swollen starch. The adsorption phenomenon of CGTase to swollen starch was also examined under various conditions. The inhibition mechanism of CGTase by various CDs was identified to be competitive, most severely by a-CD. The mechanism elucidated will be used for development of a kinetic model describes CD production reaction in heterogeneous enzyme reaction system utilizing swollen extrusion starch.
Bacillus stearothermophilus No.239의 돌연변이주 MNNG 8이 생산하는 CGTase를 사용하여 감자전분을 동시 액화, cyclodextrin(CD) 생산을 하였다. 고농도(30)의 감자전분이 29의 수율로 CD로 전환 되었으며 그 때의 조건은 pH 6.0, $80^{\circ}C$, 4.3mM, $CaCl_2$, $40^{\circ}C$에서 1g의 전분당 3.0 DAU의 CGTase를 첨가하는 것이다.
The two-stage enzyme reactor, packed with cyclodextrin glucanotransferase (CGTase) immobilized on Amberite IRA 900, coupled with ultrafiltration membrane was investigated for continuous production of cyclodextrin (CD). 5% (w/v) of soluble starch was partially cyclized, in the 0.1 l first-stage immobilized enzyme reactor, up to CD conversion yield of 10% (w/w) at retention time of 0.56hr and 1.5 units of immobilized CGTase/1g of carrier. In the second stage main immobilized enzyme reactor capacity of 1.5 l, the maximum CD conversion yield of 39% (w/v) was achieved at retention time of 2.8hr and 0.47 unit of CGTase/1 g of carrier. Unreacted residual dextrin was fractionated with ultrafiltration membrane, and then, recycled into the second-stage main bioreactor to increase the CD conversion yield. The most suitable membrane size and the volume concentration ratio (concentrate: filterate) for recycling of unreacted residual dextrin were found to be 5K dalton and 4:6, respectively. CD conversion yield was increased about 3~4% upon co-immobilization of pulluanase along with CGTase. Spent Amberite IRA 900 can be reutilized consecutively more than 3 times for immobilization of CGTase after regeneration.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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