본 연구에서는 Flammulina velutipes var. lupinicola의 laccase 유전자를 동정하고 최적 활성 pH, 온도, 시간을 분석하고 하였다. F. velutipes var. lupinicola 유전체에서 선별된 laccase 유전자 서열을 바탕으로 구리 결합 부위 및 신호 펩타이드 분석을 수행한 결과 5종의 laccase 유전자(g1934, g1937, g2415, g2539, g5858)를 동정하였다. 5종의 선별된 laccase 유전자 크기는 1,488~1,662 bp로 확인되었고, cDNA 염기서열 분석 결과 14~17개의 인트론이 확인되었다. Laccase 유전자의 신호펩타이드로 예측된 절단 부위는 N-말단으로부터 20~34 bp 사이에 위치하는 것으로 확인되었다. F. velutipes var. lupinicola laccase의 활성 특성을 규명하기 위해 분리 정제를 수행하였으며, Zymogram을 수행하여 0.2 M 및 0.3 M NaCl과 1.6 M 및 1.7 M의 ammonium sulfate로 정제된 단백질에서 5개의 laccsae 활성 밴드를 확인하였다. pH, 온도 및 시간별로 분리 정제된 단백질의 최적 활성을 분석한 결과, 반응의 최적 pH는 5.5이고 최적 온도는 40℃로 확인되었다. 따라서 본 연구를 통하여 확인된 F. velutipes var. lupinicola 유전체의 laccase 유전자 구조 및 활성에 대한 특성은 laccase를 이해하는 데 도움이 될 것이며 추가 연구를 통하여 향후 다양한 산업적 활용이 가능할 것으로 사료된다.
Andrzej Leonowicz;Jolanta Luterek;Maria W.Wasilewska;Anna Matuszewska;M.Hofrichter;D.Ziegenhagen;Jerzy Rogalski;Cho, Nam-Seok
펄프종이기술
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제31권5호
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pp.1-11
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1999
Wood components, cellulose and lignin, are degraded simultaneously and the general outline for the complementary character of carbohydrates and lignin decomposition as well as the existence of enzymatic systems combining these processes is still valid. The degradatiion of free cellulose or hemicellulose into monosaccharides has long been known to be relatively simple, but the mechanism of lignin degradatiion wasn ot solved very clearly yet. Anyway the biodegradation of woold constituents is understood at present as an enzymatic process. Kigninolytic activity has been correlated with lignin and manganese peroxidases. At present the attention is paid to laccase. Laccase oxidizes lignin molecule to phenoxy radicals and quinones . This oxidation can lead to the cleavageo f C-C or C-O bonds in the lignin phenyl-propane subunits, resulting either in degradation of both side chains and aromatic rings, or in demethylation processes. The role of laccase lies in the "activation" of some low molecular weight mediators and radicals produced by fungal cultures. Such activated factors produced also in cooperation with other enzymes are probably exported to the wood environment where they work in degradation processes as the ' enzyme messengers." It is worth mentioning that only fungi possessing laccase show demethylating activity. Thus demethylation, the process important for ligninolysis, is probably caused exclusively by laccase. Under natural conditions laccase seems to work with other fungal enzymes , mediators and mediating radicals. It has shown the possibility of direct Bjrkman lignin depolymerization by cooperative activity of laccase and glucose oxidase.
Some white-rot fungi, screened at the Laboratory of Forest Products Microbiological Chemistry, Chungbuk National University were cultured and added the inducer of laccase enzyme, 2,5-xylidine. The fungi named by CB-13, CB-20, CB-99, CB-100 and CB-123 strains showed positive results in the decolorization of aromatic compounds, carminic acid and Rhemazol brilliant blue R. Concerned to the inducing effect of 2,5-xylidine on laccase activity, CB-20, CB-100 and CB-123 strains showed very high activity by addition of 2,5-xylidine, whilst CB-13, CB-99 and CB-124 strains produced relatively high laccase enzymes, regardless of inducer addition. There were no any laccase activities on CB-25, CB-64 and CB-139, even in addition of inducer. It is confirmed that some screened fungi have decolorizing ability on aromatic compounds, carminic acid and Rhemazol brilliant blue R. Also, the addition of inducer, 2,5-xylidine, has increased the activity of laccase enzyme which is secreted from some white-rot fungi.
The various culture conditions of Trichoderma viride(ATCC 3454) and Phanerochaete chrysosporium(ATCC 26921) with glucose-pepton medium, Mandels medium, YMG medium for wood degradable enzyme were examined. Mycellium of the two species grew profusely on glucose-pepton medium. Maximum fungal growth was observed about 10days. But CMCase, Fpase, laccase activity in the culture medium with glucose-pepton was not detected. When grown in fermenter culture using Mandels medium, Trichoderma viride produced CMCase and Fpase. Its CMCase activity was 0.15 lU/ml and Fpase activity was 0.3 IU/ml within about 4-6days. Phanerochaete chrysosporium grown in a YMG medium gave the best enzyme activity when they were grown under stationary culture with an atmosphere of 100% oxygen. Levels of laccase activity of 3.0 mull were achieved in stationary culture under 100% oxygen. The enzyme condensation by ultrafiltration method caused a 2-fold(cellulase) and 6-fold(laccase) as compared to control activity.
본 연구에서는 표고 교잡균주들의 생화학적 특성을 이해하기 위한 하나의 시도로서 교잡균주간의 laccase 효소의 활성을 비교하는 빠르고 간편한 방법을 모색하고자 균사체 배양 배지의 성상과 염색물질이 laccase 활성 검출에 미치는 영향을 조사 비교하였다. 고체배지와 액체배지 모두에서 발색시약이 Remazol Brilliant Blue R(RBBR)일 경우는 potato dextrose 성분 보다 malt extract 성분 배지를 사용하는 것이 표고버섯균 균사가 분비하는 세포외 laccase 활성 검출이 용이하였다. Guaiacol을 발색시약으로 사용하는 경우는 potato dextrose 성분과 malt extract 성분 배지 모두 세포외 laccase 활성 검출이 용이하였다. 2ml microfuge tube를 이용한 액체 배양 방법은 RBBR와 Guaiacol 모두 malt extract 성분배지에서 3일만에 표고 교잡균주간의 세포외 laccase 활성 검출과 정량적 비교를 가능케 하였다.
담자성 효모인 Trimorphomyces papilionaceous 는 생장에 thiamine 을 요구하는 최적배양온도는 25.deg.C 이며 넓은 범위의 pH (4.0-7.0) 에서 잘 자랐고 최소배지네 여러가지 탄소원을 가하고 (1%) 배양하여 균의 생장과 laccase 의 역가를 조사하였다. Glucose, frutose, mannose, sucrose 와 xylose 배지에서 OD 0.8 이상으로 자랐고 (A group), galactose 와 gluconate 의 경우 OD 0.3-0.6 (B group), 그리고 arbinose, lactose 와 pyruvate 배지에서 CD0.1-0.2 를 보였다. (C-group), Ribose, acetate, citrate, lactate 와 oxaloctate 는 이용하지 못하였다. Laccase 는 C group 배지에서 가장 높은 역가를 보였고 (8 u 이상), B group 배지에서 4-6 unit, A group 배지의 경우 가장 낮은 1.5 unit 이하를 보였다. 이균을 glucose 와 arabinose 가 혼합된 배지에 배양할 경우 laccase 는 catabolite repression 에 의하여 조절되었다.
내분비장애 물질은 분해가 어렵고, 생물체에 축적되기 때문에 먹이그물을 통하여 결국 인간에게 피해를 준다. 리그닌 분해효소 군을 가진 백색부후균들은 다양한 난분해성 물질의 분해능이 우수하며, 국내에서 분리한 아교버섯은 내분비장애 물질에 속하는 프탈레이트의 분해능이 우수하다. 내분비장애 물질분해와 관련된 laccase cDNA를 발현벡터로 재조합하고 이를 형질전환 방법에 의하여 아교버섯으로 도입하였으며 도입된 발현벡터는 형질전환체의 염색체에 안정하게 존재하였다. 형질전환체들 중 가장 효소활성이 좋은 균주를 대상으로 분석한 결과 laccase 활성이 증가되었을 뿐만 아니라 내분비장애 물질의 분해능도 향상되었고, 동시에 다양한 내분비장애물질에 의한 에스트로겐 활성도 야생형 균주에 비하여 빠르게 감소시켰다.
한국산 흰구름버섯(Trametes hirsuta S1)로부터 배지 내로 분비된 laccase를 ultrafiltration과 anion exchange chromatography, adsorption chromatography를 이용하여 분리 정제하고 정제된 효소의 특성을 조사하였다. Laccase는 균주의 일차 대사 과정에서 주로 생산되는 세포의 페놀 산화효소였다. 흰구름버섯을 기본 배지에서 배양하였을 때 생장은 배양 6일까지 급속히 이루어졌고, laccase의 활성은 배양 5일에 최대활성을 나타냈으며 배양액에서 LiP와 VAO의 활성은 측정되지 않았다. Laccase의 생산에 미치는 유도원의 영향을 조사하기 위하여 배양 중인 흰구름버섯에 몇몇 유도원을 첨가한 결과, 2,5-xylidine은 대조구에 비하여 laccase의 생산을 약4배 증가 시켰다. 정제된 laccase는 SDS 젤 전기영동에서 대략 66 kDa의 분자량을 가지는 단일 폴리펩타이드(single polypeptide)였고, 탄수화물 함량은 12%였다. 정제된 laccase의 $K_m$과 $V_{max}$를 ABTS[2,2-azino-bis(3-ethylbenzthiazo line-6-sulfonic acid)]를 기질로 사용하여 조사한 결과 각각 $51.2\;{\mu}M$과 $56.8\;{\mu}mole{\cdot}min^1{\cdot}mg^{-1}$로 측정되었다. Laccase 활성의 최적 pH는 3.0이며, 이 효소는 $50^{\circ}C$ 미만에서 1시간 동안 처리하였을 때 안정적이었고 $70^{\circ}C$에서 20분간 처리하였을 때 효소의 활성이 반감되었다. Laccase의 분광학적 특성을 조사한 결과 구리를 포함하는 단백질로 나타났다. 일반적으로 알려진 laccase의 기질들에 대한 특이성을 조사한 결과, 5 mM ABTS에서 가장 높은 활성을 나타내었으며 tyrosine에서는 laccase의 활성이 나타나지 않았다. 저해제의 영향을 조사한 결과, 일반적으로 구리를 포함하는 단백질의 저해제인 $NaN_3$, TGA, DDC를 일정 농도로 처리한 실험구에서는 효소의 활성이 완전하게 억제되었으며, EDTA 처리구에서는 효소의 활성이 억제되지 않았다. 한국산 흰구름버섯 S1 균주로부터 생산되는 laccase의 N-말단의 아미노산의 서열은 Coriolus hirsutus의 laccase와 100%의 상동성을 나타냈고, T. versicolor의 laccase I과는 68%의 상동성을 나타냈다.
The production of lac case by the funguson various media was studied. The characteristics of the enzyme were also studied regarding to the optimum pH, stability, Km value, and inactivation. The maximum activity of laccase reached the 40 days of incubation and the barley straw extract appeared to be a strong inducer for laccase. The enzyme showed stability at wide range of pH with optimum pH of 6.6. Temperature stability of the enzyme was high. Laccase was not inactivated by the organic solvents used for the precipitation. The enzyme, however, was completely inactivated by trichloroacetic acid and sodium azide.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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