자연계에 존재하는 미생물의 대부분이 배양이 불가능하다는 것이 밝혀진 이후, 자연계의 시료로부터 직접 유전자를 클로닝하여 유용유전자를 발굴하는 메타제놈(metagenome) 이용 방법이 주목을 받게 되었다. 그러나 실제로 오염이 심한 환경시료로부터 DNA를 추출하여 유용한 메타제놈 라이브러리(metagenomic library)를 제작하기란 쉽지 않은 일이다. 따라서 본 연구에서는 실제 메타제놈 라이브러리를 제작할 때 만나는 기술적 문제점에 대한 해결 방법을 탐구하였다. 메타제놈 라이브러리 제작에는 fosmid vector가 가장 편리하였으며, 성공적인 라이브러리제작에는 fosmid vector에 클로닝이 가능한 40 kbp 크기의 DNA 조각을 얻는 과정이 중요함을 알았다. 여러 실험 조건을 종합적으로 검사한 후 메타제놈 라이브러리 제작에 대한 최적 방법을 제사하였다.
Choi, Sangdun;Chang, Mi Sook;Stuecker, Tara;Chung, Christine;Newcombe, David A.;Venkateswaran, Kasthuri
Genomics & Informatics
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제10권4호
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pp.249-255
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2012
In this study, fosmid cloning strategies were used to assess the microbial populations in water from the International Space Station (ISS) drinking water system (henceforth referred to as Prebiocide and Tank A water samples). The goals of this study were: to compare the sensitivity of the fosmid cloning strategy with that of traditional culture-based and 16S rRNA-based approaches and to detect the widest possible spectrum of microbial populations during the water purification process. Initially, microbes could not be cultivated, and conventional PCR failed to amplify 16S rDNA fragments from these low biomass samples. Therefore, randomly primed rolling-circle amplification was used to amplify any DNA that might be present in the samples, followed by size selection by using pulsed-field gel electrophoresis. The amplified high-molecular- weight DNA from both samples was cloned into fosmid vectors. Several hundred clones were randomly selected for sequencing, followed by Blastn/Blastx searches. Sequences encoding specific genes from Burkholderia, a species abundant in the soil and groundwater, were found in both samples. Bradyrhizobium and Mesorhizobium, which belong to rhizobia, a large community of nitrogen fixers often found in association with plant roots, were present in the Prebiocide samples. Ralstonia, which is prevalent in soils with a high heavy metal content, was detected in the Tank A samples. The detection of many unidentified sequences suggests the presence of potentially novel microbial fingerprints. The bacterial diversity detected in this pilot study using a fosmid vector approach was higher than that detected by conventional 16S rRNA gene sequencing.
JI SANG CHUN;KIM DOCKYU;YOON JUNG-HOON;OH TAE-KWANG;LEE CHOONG-HWAN
Journal of Microbiology and Biotechnology
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제16권1호
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pp.153-157
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2006
A soil metagenomic library was constructed using an E. coli-fosmid cloning system with environmental DNAs extracted from Kwangreung forest topsoil. We targeted the genes involved in the biosynthesis of bacterial polyketides. Initially, a total of 36 clone pools (10,800 clones) were explored by the PCR-based method using the metagenomic DNAs from each pool and a degenerate primer set, which has been designed based on the highly conserved regions among ketoacyl synthase (KS) domains in actinomycete type I polyketide synthases (PKS Is). Six clone pools were tentatively selected as positive and further examined through a hybridization-based method for selecting a fosmid clone containing PKS I genes. Colony hybridization was performed against fosmid clones from the 6 positive pools, and finally 4 clones were picked out and confirmed to contain the conserved DNA fragment of KS domains. In this study, we present a simple and feasible sorting method for a desired clone from metagenomic libraries.
Khan, Raees;Lee, Myung Hwan;Joo, Haejin;Jung, Yong-Hoon;Ahmad, Shabir;Choi, Jinhee;Lee, Seon-Woo
Journal of Microbiology and Biotechnology
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제25권4호
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pp.511-520
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2015
Triclosan, the widely used biocide, specifically targets enoyl-acyl carrier protein reductase (ENR) in the bacterial fatty acid synthesis system. Although the fish pathogen Aeromonas salmonicida subsp. salmonicida exhibits triclosan resistance, the nature of this resistance has not been elucidated. Here, we aimed to characterize the triclosan resistance of A. salmonicida subsp. salmonicida causing furunculosis. The fosmid library of triclosan-resistant A. salmonicida subsp. salmonicida was constructed to select a fosmid clone showing triclosan resistance. With the fosmid clone showing triclosan resistance, a subsequent secondary library search resulted in the selection of subclone pTSR-1. DNA sequence analysis of pTSR-1 revealed the presence of a chromosomal-borne fabV-encoding ENR homolog. The ENR of A. salmonicida (FabVas) exhibited significant homology with previously known FabV, including the catalytic domain YX(8)K. fabVas introduction into E. coli dramatically increased its resistance to triclosan. Heterologous expression of FabVas might functionally replace the triclosan-sensitive FabI in vivo to confer E. coli with triclosan resistance. A genome-wide search for fabVas homologs revealed the presence of an additional fabV gene (fabVas2) paralog in A. salmonicida strains and the fabVas orthologs from other gram-negative fish pathogens. Both of the potential FabV ENRs expressed similarly with or without triclosan supplement. This is the first report about the presence of two potential FabV ENRs in a single pathogenic bacterium. Our result suggests that triclosan-resistant ENRs are widely distributed in various bacteria in nature, and the wide use of this biocide can spread these triclosan-tolerant ENRs among fish pathogens and other pathogenic bacteria.
Extensive use of antibiotics over recent decades has led to bacterial resistance against antibiotics, including gentamicin, one of the most effective aminoglycosides. The emergence of resistance is problematic for hospitals, since gentamicin is an important broad-spectrum antibiotic for the control of bacterial pathogens in the clinic. Previous study to identify gentamicin resistance genes from environmental samples have been conducted using culture-dependent screening methods. To overcome these limitations, we employed a metagenome-based culture-independent protocol to identify gentamicin resistance genes. Through functional screening of metagenome libraries derived from soil samples, a fosmid clone was selected as it conferred strong gentamicin resistance. To identify a specific functioning gene conferring gentamicin resistance from a selected fosmid clone (35-40 kb), a shot-gun library was constructed and four shot-gun clones (2-3 kb) were selected. Further characterization of these clones revealed that they contained sequences similar to that of the RNA ligase, T4 rnlA that is known as a toxin gene. The overexpression of the rnlA-like gene in Escherichia coli increased gentamicin resistance, indicating that this toxin gene modulates this trait. The results of our metagenome library analysis suggest that the rnlA-like gene may represent a new class of gentamicin resistance genes in pathogenic bacteria. In addition, we demonstrate that the soil metagenome can provide an important resource for the identification of antibiotic resistance genes, which are valuable molecular targets in efforts to overcome antibiotic resistance.
A metagenomic fosmid library was constructed using genomic DNA isolated from the gut microflora of Hermetia illucens, a black soldier fly. A cellulase-positive clone, with the CS10 gene, was identified by extensive Congo-red overlay screenings for cellulase activity from the fosmid library of 92,000 clones. The CS10 gene was composed of a 996 bp DNA sequence encoding the mature protein of 331 amino acids. The deduced amino acids of CS10 showed 72% sequence identity with the glycosyl hydrolase family 5 gene of Dysgonomonas mossii, displaying no significant sequence homology to already known cellulases. The purified CS10 protein presented a single band of cellulase activity with a molecular mass of approximately 40 kDa on the SDS-PAGE gel and zymogram. The purified CS10 protein exhibited optimal activity at $50^{\circ}C$ and pH 7.0, and the thermostability and pH stability of CS10 were preserved at the ranges of $20{\sim}50^{\circ}C$ and pH 4.0~10.0. CS10 exhibited little loss of cellulase activity against various chemical reagents such as 10% polar organic solvents, 1% non-ionic detergents, and 0.5 M denaturing agents. Moreover, the substrate specificity and the product patterns by thin-layer chromatography suggested that CS10 is an endo-${\beta}$-1,4-glucanase. From these biochemical properties of CS10, it is expected that the enzyme has the potential for application in industrial processes.
A metagenomic fosmid library was constructed from genomic DNA isolated from the microbial community residing in hindguts of a wood-feeding higher termite (Microcerotermes sp.) collected in Thailand. The library was screened for clones expressing lignocellulolytic activities. Fourteen independent active clones (2 cellulases and 12 xylanases) were obtained by functional screening at pH 10.0. Analysis of shotgun-cloning and pyrosequencing data revealed six ORFs, which shared less than 59% identity and 73% similarity of their amino acid sequences with known cellulases and xylanases. Conserved domain analysis of these ORFs revealed a cellulase belonging to the glycoside hydrolase family 5, whereas the other five xylanases showed significant identity to diverse families including families 8, 10, and 11. Interestingly, one fosmid clone was isolated carrying three contiguous xylanase genes that may comprise a xylanosome operon. The enzymes with the highest activities at alkaline pH from the initial activity screening were characterized biochemically. These enzymes showed a broad range of enzyme activities from pH 5.0 to 10.0, with pH optimal of 8.0 retaining more than 70% of their respective activities at pH 9.0. The optimal temperatures of these enzymes ranged from $50^{\circ}C$ to $55^{\circ}C$. This study provides evidence for the diversity and function of lignocellulose-degrading enzymes in the termite gut microbial community, which could be of potential use for industrial processes such as pulp biobleaching and denim biostoning.
myo-Inositol (MI)을 대사하여 다른 물질로 전환하는 미생물을 과수원 토양으로부터 분리하였다. 분리균 YB-46은 유일한 탄소원으로 MI이 첨가된 배지에서 성장하였고 16S rDNA 염기서열에 따라 Enterobacter 속의 균주로 추정되었다. Fosmid pCC1FOS 벡터를 사용하여 제조된 거대 유전체 은행으로부터 MI을 미지의 대사 물질로 전환하는 Escherichia coli 형질전환주를 선발하였다. 이로부터 플라스미드를 분리하고 삽입된 유전자의 일부 염기서열을 결정한 결과 336 아미노 잔기로 구성된 myo-inositol dehytrogenase (IolG)를 암호화하는 iolG 유전자가 발견되었다. 분리균 YB-46의 IolG는 E. aerogenes와 Bacillus subtilis의 IolG와 약 50% 수준의 상동성을 보였다. 카르복실 말단에 hexahistidine이 연결되도록 제조한 His-tagged IoG (HtIolG)의 유전자를 재조합 대장균에서 발현하여 균체 파쇄액으로부터 HtIolG를 정제하였다. 정제된 HtIolG는 $45^{\circ}C$와 pH 10.5에서 최대 활성을 보였고 MI과 D-glucose에 대한 활성이 가장 높았으며 D-chiro-inositol, D-mannitol 및 D-xylose에도 90% 이상의 활성을 보였다. 최적 반응조건에서 MI을 기질로 하여 반응 동력학적 계수를 측정한 결과 $K_m$과 $V_{max}$가 1.83 mM과 $0.724{\mu}mol/min/mg$로 확인되었다. HtIolG의 활성은 $Zn^{2+}$에 의해 1.7배 증가하였으며, $Co^{2+}$와 SDS에 의해서는 크게 감소하였다.
KIM JEONG-NYEO;SEO MYUNG-JI;CHO EUN-AH;LEE SANG-JAE;KIM SEONG-BO;CHEIGH CHAN-ICK;PYUN YU-RYANG
Journal of Microbiology and Biotechnology
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제15권5호
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pp.1067-1072
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2005
A metagenomic library was constructed using a fosmid vector, and total genomic DNA was extracted directly from soil at Cisolok (hot spring area, Indonesia). This library was composed of 10,214 clones and screened for lipolytic enzyme on tributyrin agar plates. An esterase gene (estMa) was subcloned and sequenced from a positive lipolytic active clone. Esterase EstMa was encoded by a 954-bp open reading frame and showed low ($11-33\%$) amino acid similarity to known esterases. The amino acid sequence analysis demonstrated that the enzyme is a new member of lipolytic enzyme family VI. The estMa gene encodes a preprotein of 317 amino acids with a predicted molecular mass of 34,799 Da. The purified enzyme exhibited optimal activity at $50^{\circ}C$ and pH 6.5. The $K_m,\;and\;V_{max}$ values of EstMa for the hydrolysis of p-nitrophenyl valerate were $45.3\;{\mu}M$ and 4.45 U/mg, respectively.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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