Streptomyces avermitilis가 생산하는 이차대사산물인 avermectin $B_{la}$ (AVM $B_{la}$ /)의 생산성을 향상시키고자, 고생산성 균주를 융합파트너로 이용하여 원형질체 융합에 필요한 기본 실험조건을 확립하였고, 대량 선별시스템을 이용하여 다양한 융합균주들을 선별하였다. 특별한 표지인자가 없는 경우에도 원형질체 융합에 의해 유전자재조합체들을 선별할 수 있는 방법을 개발하였다. 즉 고생산성 균주의 원형질체(L-isoleucine유사체인 O-methylthreoiune또는 azaleucine에 대한 저항성 변이주의 원형질체를 치사율이 약 95%정도 되도록 UV나 NTG로 각 원형질체를 돌연변이시킨 후, 융합을 시도하여 재생된 변이주를 원형질 융합된 유전자재조합체로 간주하는 방법을 고안하였다. 돌연변이원으로 UV를 이용할 경우 대부분의 유전자재조합 균주들의 AVM $B_{la}$ 생산성이 융합 모균주들에 비해 높게 나타났으며, 주목할 만하게도 최고 3배 정도 향상된, 거의 산업용 균주의 생산성을 갖는 균주들을 선별할 수 있었다.
Stable intergeneric hybrids involving allodiploid were obtained through protoplast fusion and nuclear transfer between the auxotrophic mutans of two basidiomycetes. Ganoderma lucidum and Corolus versicolor.
Trichoderma koningii ATCC26113으로부터 얻어진 영양요구성 돌연변이주간의 종내 원형질체 융합을 시도하여 생성된 융합체의 유전자형을 완전평판배상에서 분석하였다. 생성된 융합체 중 모균고 다른 독립영양형 균주에서 섬유소 분해능이 증진된 융합체를 얻었으며 이들이 이배체(혹은 이수체)임을 확인하였다. 또한 이들 이배체(혹은 이수체)의 독립영양청 잡종의 원형 질체 융합을 통하여 유전자의 교환 및 재조합에 의하여 자연분리되므로써 형성됨을 확인하였다.
For frequency improvement of protoplast fusion in Brevibacterium flavum, Brevibacterium lactofermentum lactofermentum and Corynebacterium glutamicum, the effect of plasma expanders on fusion and cell wall regeneration, compatison between direct and two-step selection method, tendency of fusion frequency according to pH of fusion fluid and polyethylene glycol concentration were examined. By addition of 3% polyvinyl pyrrolidone to cell wall regeneration medium, regeneration frequencies were expressed 23 (Brevibacterium lactofermentum), 10.4 (Brevibacterium flavum) and 2.7 (Corynebacterium glutamicum) times higher than those of none polyvinyl pyrrolidone medium respectively.
Auxotrophic mutant were isolated from wild types by the treatment with NTG as a mutagen, and the conditions of protoplast formation for them were established. The protoplasts of killer yeast Saccharomyces cerevisiae K52 were formed to the level of above 70% when cells grown for 20 hr in PM medium were treated with 200 unit/ml Lyticase 50,000 at $30^{\circ}C$ for 60 min after pretreatment of 50 mM 2-mercaptoethanol in 10mM potassium phosphate buffer (pH 7.5) containing EDTA and 0.6 M sorbitol for 15 min. Also, the protoplast of the recipient S. cerevisiae S 29 were formed to the level of above 85% as it was cultured to the log phase of 24 hr in PM medium under the same conditions. The fusion frequency between the protoplast of killer yeast S. cerevisiae K 52 and the protoplast of recipient S. cerevisiae S 29 was reached to $8.2\times 10^{-6}$ when the hypertonic regeneration medium embeded with the fused protoplasts after mixing the parental protoplasts to 10$^{8}$ cells/ml in SP buffer containing 20 mM $CaCl_{2}$ and 30% PEG 6,000 for 15 min at $30^{\circ}C$ were incubated.
Ultrathin sections of intact mycelia, released protoplast and fused protoplast of Micromonospora rosaria were observed by electron microscopy Intact mycelia showed a typical gram-positive bacterial cell wall structure and mesosomes. Released protoplasts had no cell wall components and fibrous nuclear region was distinguished from cytoplsmic region clearly. Protoplasts which treated with sucrose supplemented buffer were stable. But those treated with buffer without sucrose were extensively damaged, forming mom braneous vesicles. It was surmised that those vesicles originated from the damaged cytoplasmic membrane. High frequency of fusion was achieved by 50%(w/v). polyethylene-glycol 1,000 Fusion bodies in different stage of fusion were observed. Cell membrane barrier was stepwise relieved.
본 시험은 담배 신품종 육종기술확립을 위하여 효율적으로 原形質體(protoplast)를 얻을수 있는 방법과 protoplast 배양조건을 조사하였다. 1. protoplast를 효율적이며 경제적으로 얻을 수 있는 세포붕괴, 細胞模解離 酵素의 농도는 0.5% macerozyme + 2% cellulase (또는 meicellase)였다. 2. 효소처리시간은 품종간에 약간의 차이는 있었으나 4시간 이상이 필요하였으며 1인 작업량으로 보아 4시간이 가장 적합하였다. 3. 等張液을 만들기 위하여는 0.5∼0.7M의 mannitol이나 sorbitol을 이용하는 것이 좋았다. 4. 세포융합시에 Ca++ 이온의 농도는 중요하며 9mM CaCl2를 포함한 PEG용액(0.5g/ml)을 쓰는 것이 가장 효과적이었다. 5. 분리된 protoplast는 B-5 培地에서 계속분열하여 colony를 형성하였다.
2-deoxy-D-glucose가 첨가된(25 pg/ml) 최소액체 배지에 8.5시간 전 배양하여 swelling 시킨 conidiospore에 2% driselase와 2% ${\beta}-glucuronidase$를 동량 혼합한 효소용액을 처리하여 반응시킨 결과 protoplast형성 시간 2시간이내로 단축 시킬 수 있었다. 5% Ficoll(m.w. 400,000)용액을 사용하여 conidial protoplast를 보다 순수하게 분리 벙제할 수 있었으며, protoplast를 Giemsa로 핵 염색한 결과, 대부분의 protoplast는 하나의 핵을 갖고 있었다. 또한 전자현미경으로 관찰한 결과 conidiospore에서 유래된 protoplast는 세포벽 성분이 남아 있지 아니한 완전한 protoplast인 것으로 판명되었다. 영양요구성 돌연변이주에서 유래된 conidial protoplast의 융합률은 $3.4{\times}10^{-1}$에서 $4.9{\times}10^{-1}$수준으로 이는 mycelial protoplast의 경우보다 5-28배 가량 높은 수준의 것이었다.
본 연구는 에탄올내성, 내열성, ${\beta}-glucanase$ 활성 및 xylose 대사가 가능한 새로운 생물시스템을 육종하기 위해 원형질체융합(protoplast fusion)이라는 방법을 사용하여 S. cerevisiae BYK-F11 균주와 P. $stipitis{\Delta}ura$ 균주와의 genome shuffling을 시도하였다. P. $stipitis{\Delta}ura$ 균주는 URA3 유전자를 결실시켜 uracil 영양요구주로 구축되었다. Protoplast fusion을 통해 몇몇의 융합체가 선별되었고, 두 모균주인 BYK-F11 균주와 P. $stipitis{\Delta}ura$ 균주의 핵형(karyotype)를 모두 가지는 BYKPS-F8 균주가 22개의 융합체중에서 최종 선정되었다. 이어 ${\beta}-glucanase$ 활성, xylose 이용능, 에탄올내성, 내열성 및 에탄올생산성에 대한 다양한 표현형이 조사되었다. BYKPS-F8 균주는 모균주인 BYK-F11 균주가 가지는 ${\beta}-glucanase$ 활성을 가지게 되었고, P. $stipitis{\Delta}ura$ 균주가 가지는 xylose 이용능도 모균주보다 1.2배 증가되었음을 확인할 수 있었다. BYKPS-F8 균주는 $40^{\circ}C$에서 내열성을 보였으며, 8% 에탄올이 첨가된 배지에서 모균주에 비해 에탄올 내성이 증가되었음을 확인 할 수 있었다. 20 g/l의 xylose가 함유된 배지에서 72시간 배양에 의해 약 7.5 g/l의 에탄올을 생산할 수 있었으며, 260시간의 장기간의 배양에도 BYKPS-F8균주에 도입한 다형질이 안정적으로 유지됨을 확인하였다. 따라서, 본 연구에서 사용된 균주 육종방법을 통해 다형질을 가진 다른 속간의 균주 융합 및 산업적으로 유용한 생물시스템의 육종이 가능함을 확인하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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