발효 배양액으로부터 균체를 제거한 후에 전분파의 흡착성 을 증가시켜주기 위하여 ammonium sulface 25% (w/v), 반응 2시간 정도면 95% 이상의 효소가 전분(힐반전분 1%, wfv)에 홉착됨올 일 수 있었다. 효소 흡착인 경우 일반전분(옥수수 전분)이 흡착율 95% 이상으로 가장 효과적이며 탈착의 경우 (탈착용액 : 증류수)에는 산화천분이 1 회 68%로 가장 효과적이었다. 또한 효소의 홉착 및 탈착에 사용되는 전분익 농도 는 효소 역가 205 U/mL 기준으로 1 % (v/v) 정도면 효소의 흡착 및 탈착에 적당하였다. 효소 흡착외 경우 $4^{circ}C$, 정도에서, 탈착의 경우 온도 $50^{circ}C$, 와 pH 8.0에서 효과적이었다 탈착 용액으로 Iris-buffer가 탈착율 98%로 가장 효과적이었다. 또한 발효배양액으토부터 균체외 제거단계의 유무에 관계없이 전분의 흡착율과 탈착율은 유사하였다.
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.
The ${\beta}-CGTase$ gene of alkalophilic Bacillus firmus var. alkalophilus was cloned into E. coli using $pZErO^{TM}-2$ as a vector. The cloned gene encoded a total of 710 amino acid residues consisting of 674 amino acids of the matured protein and 36 amino acids of the signal peptide, including 20 amino acids from the lacZ gene in the vector. Although the cloned ${\beta}-CGTase$ gene did not contain the promoter and start codons, it was expressed by the lac promoter and lacZ start codon in the $pZErO^{TM}$ vector. A comparison was made with the amino acid sequence and ten other CGTases from Bacillus sp. Also, ten highly conserved regions, which are important amino acid residues in catalysis of CGTase, were identified. The lac promoter used for expression of the ${\beta}-CGTase$ gene was induced constitutively in recombinant E. coli even without IPTG possibly because of a lack of the lacI gene in both host and vector, repressing the lacZ gene in the lac operon. Its expression was catabolically repressed by glucose, however, its repression was reduced by soluble starch, mainly because of the extremely high increase of the cAMP level. ${\beta}-CGTase$ can be overproduced in the recombinant E. coli by maintaining intracellular cAMP levels mostly through the intermittent feeding of glucose during cultivation.
Enzymatic synthesis of glucosyl-sugar alcohols using various transglycosylating enzymes, such as cyclodextrin glucanotransferase (CGTase), ${\alpha}$-amylase, ${\alpha}$-glucosidase, and pullulanase was investigated using various sugar alcohols, such as sorbitol, xylitol, inositol, maltitol, and lactitol as glucosyl acceptors. CGTase showed the highest transglycosylating activity to sugar alcohols compared to other transglycosylating enzymes, and inositol and maltitol were the most suitable glucosyl acceptors. Soluble starch, extruded starch, cyclodextrins, and maltooligosaccharides were also identified to be adequate glucosyl donors for transglycosylation reaction of CGTase to sugar alcohols. The synthesis of glucosyl-maltitol in the reaction system using extruded starch as the glucosyl donor and maltitol as the glucosyl acceptor showed the best results showing the highest transglycosylation yield. The transglycosylation products were purified by activated carbon column chromatography with ethanol gradient elution. Chemical structures of above transglucosylated products were analyzed by nuclear magnetic resonance spectroscopy, and two products were identified to be maltotritol and maltotetraitol, in which one or two glucose molecules attached to the parent maltitol molecule by a ${\alpha}$-l,4-glucosidic bond, respectively.
호알카리성 Bacillus firmus var. alkalophilus가 생산하는 cyclodextrin glucanotransferase(CGTase)를 호화시킨 팽윤감자전분을 이용한 흡착 및 탈착, 한외여과, DEAE-cellulose 이온교환 크로마토그래피, 그리고 Sephacryl HR-100을 이용한 gel filtration 등의 분리정제 과정을 통하여 정제하였다. 정제된 CGTase의 분자량은 약 77,000 Da이었으며, 등전점은 6.2~6.3이었다. 최적 효소반응 온도 및 pH는 각각 5$0^{\circ}C$ 와 6.0 였고, 열 및 pH 안정성은 5$0^{\circ}C$까지와 pH 6.0~9.5 사이였다, 정제된 CGTase는 $Ca^{2+}$ 에 의하여 열 안정성이 크게 상당히 향상되었으며 최적 효소반응 온도와 열 안정성도 55~6$0^{\circ}C$와 6$0^{\circ}C$로 증가하였다. CGTase의 기질 특이성을 검토한 결과 여러 종류의 전분들로부터 $\beta$-CD를 주로 생성하였으며, ${\gamma}$-CD도 소량 생성하였으나 $\alpha$-CD는 거의 생성되지 않았다. Sweet potato starch, corn starch, 그리고 amylopectin을 기질로 할 때 높은 CD전환율을 보였으며 $\beta$-CD와 ${\gamma}$-CB의 생성비가 5.8~8.4:1로서 $\beta$-CD를 고 수율로 생산하는 전형적인 $\beta$-type의 CGTase였다. 또한 본 효소의 최적 CD 생산조건은 기질농도 5.0%(w/v) corn starch, 효소첨가량 25 unit/g of starch로서 반응 8시간 후의 전체 CD량도 약 25 g/l로서 전환율은 50%였고, 이 때 $\beta$-CD농도는 21 g/l로서 전체 CD 중 84% 였다.
고정화 CGTase를 이용하여 당전이 스테비오사이드를 연속적으로 제조하기 위하여 몇가지 생물반응기의 적용가능성을 조사하였다. 연속형 반응기로는 packed-bed reactor(PBR)가 적합하였다. 이때 specific productivity는 0.4 g/hr-g immobilized enzyme으로 회분식반응기의 50% 정도이나 연속생산이 가능한 장점이 있었다. PBR의 운전조건이고 $10{\sim}60\;cm/hr$의 선속도 범위내에서 스테비오사이드 전환률 70% 이상을 보이는 기질의 유속은 공간속도로 $0.5{\sim}0.7\;hr^{-1}$이었다. 고정화 효소의 운전 안정성은 $47^{\circ}C$에서 30%의 기질로 2주 일간 연속 사용이 가능하고, 반응기의 control방법으로 반응기 상부에서 20%의 효소를 교체하면 20일 이상 전환률이 유지되었다.
Park, Yong-Cheol;Kim, Chang-Sup;Kim, Chung-Im;Choi, Kyu-Hwan;Seo, Jin-Ho
Journal of Microbiology and Biotechnology
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제7권5호
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pp.323-328
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1997
The recombinant Escherichia coli BL21(DE3)pLysE : pTCGT1 was grown to overproduce Bacillus macerans cyclodextrin glucanotransferase (CGTase) able to synthesize ${\alpha}$-cyclodextrin (CD) with a selectivity of 67%. A number of batch fermentations were performed to test the possibility of using lactose as an inducer of the E. coli T7 promoter system. A mixture of isopropyl ${\beta}$-D-thiogalactoside (IPTG) and lactose (1 : 1) gave a maximum CGTase activity of 2.4 U/ml, which was higher than the value obtained with induction by IPTG alone. Fed-batch fermentations involving a glucose-controlled growth period followed by a gene-expression phase with mixtures of IPTG and lactose were employed to achieve high cell density and thereby increase total CGTase activity. Optimized fed-batch fermentation using the modified inducer (IPTG : lactose=1 : 3) and 100 g/l yeast extract solution in the gene-expression phase resulted in a maximum CGTase activity of 62.9 U/ml and a final cell mass of 53.5 g/l, corresponding to a 31-fold increase in CGTase activity and a 29-fold increase in cell mass compared with the control batch fermentation.
E. coli에서 B. macerans 유래 cyclodextrin glucanotransferase (CGTase)의 활성형 생산에 GroEL/ES chaperone과의 공발현과 저온 배양의 공동작용 효과에 대해 조사하였다. 실험에 사용된 cgt와 groEL/ES 유전자를 발현하는 pTCGTl과 pGroll은 각각 T7 promoter와 Pzt-1 promoter에 의해 조절되고 이들을 E. coli에 도입시켰다. 대수증식기 초기(2 hr)와 대수증식기 중기(3 hr)에 tetrarycline 10 ng/ml 과 IPTG 1 mM을 첨가하여 각각의 유전자를 발현시켰다. CGTase활성과 specific artivity 측정 시 $37^{\circ}C$에서 pTCGTl 단독 발현 보다 $25^{\circ}C$에서 chaperone과 함께 발현시킨 경우 2배나 높은 활성이 측정됐으며, SDS-PACE 분석결과 $37^{\circ}C$에서 단독 발현 시킬경우 20% 정도 가용성 형태로 발현되던 것이 $25^{\circ}C$에서 chaperone과 공발현 시에는 거의 3.5배가 넘는 69%가 가용성으로 전환됨을 알 수 있었다. 이와 같이 분자 chaperone과 $25^{\circ}C$에서의 저온 배양은 E. coli에서 활성형질 가용성 CGTase의 생산 증가에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.
본 연구에서는 CGTase 생산성이 높은 균주인 Bacillus sp.를 자연계에서 분리하였고 이 균주의 특성, 분비효소의 특성, 효의 생산조건 및 효소이용 가능성에 대한 기초연구를 실시하였다. 분리균주는 운동성이 있는 내성포자형성 간균이었고 분비효소의 최적작용조건은 pH 6.0, 45$^{\circ}C$이며 pH 6-10 범위에서 안정하였다. 효소생산조건은 탄소원으로 corn starch 1%, 질소원으로서 corn steep liquor 5%, urea 0.1%, ammonium sulfate 0.25%를 동시에 첨가하는 것이 가장 양호하였으며 본 생산균을 30$\ell$ jar fermentor로 3$0^{\circ}C$, 200rpm, 0.6vvm에서 60시간 정도 배양하였을 때 최대의 효소 생산력을 나타내었다. 또한 본 효소를 이용하여 stevioside를 acceptor로 하고 전분가수분해물을 donor로 하여 당전이반응을 실시한 결과 상당한 전이효과가 나타났으므로 기타 전이제품 및 cyclodextrin 생산에 응용이 가능할 것으로 기대된다.
Kim, Pan-Soo;Shin, Hyun-Dong;Park, Joong-Kon;Lee, Young-Hyun
Biotechnology and Bioprocess Engineering:BBE
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제5권3호
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pp.174-180
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2000
Cyclodextrin glucanotransferase (CGTasa) from Thermoanaerobacter sp. was adsorbed on the ion exchange resin Amberlite IRA-900. The optimum conditions for the immobilization of the CGTase were pH6.0 and 600 U CGTase/g resin, and the maximum yield of immobilization was around 63% on the basis of amount ratio of the adsorbed enzyme to intial amount in the solution. Immobilixation of CGTase shifted the optimum temperature for the enzyme to peoduce transglycosylated xylitol from 7$0^{\circ}C$ to 9$0^{\circ}C$ and improved the thermal stability of immobilized CGTase, especially after the addition of soluble starch and calcium ions. Transglycosylated xylitol was continuoncly produced using immobilized CGTase in the column type packed bed reactor, and the operating conditions for maximum yield were 10%(w/v) dextrin (13 of the dextrose equivalent) as the glycosyl donor, 10%(w/v) dextrin (13 of the dextrose equivalent) as the glycosyl donor, 10%(w/v) xylitor as the glycosyl acceptor, 20mL/h of medium fiow rate, and 6$0^{\circ}C$. The maximum yield of transglycosylated xylitol and productivity were 25% and 7.82 g.L-1.h-1, respectively. The half-life of the immobilized CGTase in a column type packed bed reactor was longer than 30 days.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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