Cellulose binding domains (CBDs) of cellulases are thought to assist in the hydrolysis of insoluble crystalline cellulose. To gain sufficient amount of CBDs, the self-cleavable intein tag was used for expression and purification of Trichoderma reesei cellobiohydrolase I CBD in E. coli. Synthetic CBD genes, CBD or linker-CBD were cloned into expression vector pTYB11. Recombinant CBDs were successfully purified by intein mediated purification with an affinity chitin-binding domain. The final yields of recombinant CBD and linker-CBD were 3.2 mg/L and 1.4 mg/L, respectively. The functional bindings of recombinant CBDs were confirmed by Avicel binding experiments. The simple and easy purification method using self-cleavable intein tag can be further used in pretreatment of crystalline cellulose or characterization of engineered CBDs.
This study was designed to investigate the stability of a lipase fused with a cellulosebinding domain (CBD) to cellulase. The fusion protein was derived from a gene cluster of a CBD fragment of a cellulase gene in Trichoderma hazianum and a lipase gene in Bacillus stearothermophilus L1. Due to the CBD, this lipase can be immobilized to a cellulose material. Factors affecting the lipase stability were divided into the reaction-independent factors (RIF), and the reaction-dependent factors (RDF). RIF includes the reaction conditions such as pH and temperature, whereas substrate limitation and product inhibition are examples of RDF. As pH 10 and $50^{\circ}C$ were found to be optimum reaction conditions for oil hydrolysis by this lipase, the stability of the free and the immobilized lipase was studied under these conditions. Avicel (microcrystalline cellulose) was used as a support for lipase immobilization. The effects of both RIF and RDF on the enzyme activity were less for the immobilized lipase than for the free lipase. Due to the irreversible binding of CBD to Avicel and the high stability of the immobilized lipase, the enzyme activity after five times of use was over $70\%$ of the initial activity.
The binding of cellobiohydrolases to cullulose is a crucial initial step in cellulose hydrolysis. In the search for a detailed understanding of the function of cellobiohydrolases, much information concerning how the enzymes and their constituent catalytic and cellulose-binding changes during hydrolysis is still needed. The adsorption of purified two cellobiohydrolases (Ce17A and Ce16A) from Trichoderma reesei cellulase to microcrystalline cellulose has been studied. Cellobiohydrolase II (Ce16A) does not affect the adsorption of cellobiohydrolase I (Ce17A) significantly, and there are specific binding sites for both Ce17A and Ce16A. The adsorption affinity and tightness of the cullulase binding domain (CBD) for Ce17A are larger than those of the CBD for Ce16A. The CBD for Ce17A binds more rapidly and tightly to Avicel than the CBD for Ce16A. The decrease in adsorption observed when the two cellobihydrolases are studied together would appear to be the result of competition for binding sites on the cellulose. Ce17A competes more efficiently for binding sites than Ce16A. Competition for binding sites is the dominating factor when the two enzymes are acting together, furthermore adsorption to sites specific for Ce17A and Ce16A, also contributes to the total adsorption.
Ha, Jae-Seok;Lee, Young-Mi;Choi, Su-Lim;Song, Jae-Jun;Shin, Chul-Soo;Kim, Ju-Hea;Lee, Seung-Goo
Journal of Microbiology and Biotechnology
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제18권3호
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pp.443-448
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2008
Multidomain proteins for the biochemical analysis of the scouring efficiency of cotton fabrics were constructed by the fusion of a reporter moiety in the N-terminal and the cellulose binding domain (CBD) in the C-terminal. Based on the specific binding of the CBD of Cellulomonas fimi exoglucanase (Cex) to crystalline cellulose (Avicel), the reporter protein is guided to the cellulose fibers that are increasingly exposed as the scouring process proceeds. Among the tested reporter proteins, a thermostable ${\beta}$-glycosidase (BglA) from Thermus caldophilus was found to be most appropriate, showing a higher applicability and stability than GFP, DsRed2, or a tetrameric ${\beta}$-glycosidase (GUS) from Escherichia coli, which were precipitated more seriously during the expression and purification steps. When cotton fabrics with different scouring levels were treated with the BglA-CBD and incubated with X-Gal as the chromogenic substrate, an indigo color became visible within 2 h, and the color depth changed according to the conditions and extent of the scouring.
The carbohydrate-binding module (CBM) is an important domain of most cellulases that plays a key role in the hydrolysis of cellulose. The neutral endoglucanase (EG1) gene was reconstructed. A redesigned endoglucanase, named EG2, was constructed with a CBM containing a linker from Corticium rolfsii (GenBank Accession No. D49448). The redesigned EG genes were expressed in Escherichia coli, and their characteristics are discussed. Results showed that the degradation of cellulose by EG2 was about double that by EG1. The specific activities of EG1 and EG2 were tested under optimal conditions, and EG2 had higher activity ($169.1{\pm}2.74$ U/mg) toward CMC-Na than did EG1 ($84.0{\pm}1.98$) in the process of cellulose degradation. The optimal pH and temperature, pH stability, and heat stability of EG1 and EG2 were similar. Results indicated that the CBM plays an essential role in the hydrolysis of cellulose. We can improve EG's catalytic power by adding the CBM from Corticium rolfsii.
가정에서 제조된 된장으로부터 cellulase 생산균으로 분리된 고온성 WL-12는 형태적 특성, 생화학적 성질 및 16S rRNA의 염기서열에 근거하여 Bacillus licheniformis로 동정되었다. B. licheniformis WL-12의 cellulase 유전자를 클로닝하여 그 염기서열을 결정한 결과 cellulase 유전자(celA)는 517 아미노산으로 구성된 단백질을 코드하며 1,551 뉴클레오티드로 이루어졌다. 아미노산 잔기배열을 분석한 결과 WL-12의 cellulase는 활성영역과 cellulose 결합영역으로 구성되어 있었으며, glycosyl hydrolase (GH) family 5에 속하는 B. licheniformis, B. subtilis와 B. amyloliquefaciens의 cellulase와 높은 상동성을 보였다. 클론된 celA를 발현용 vector에 도입하여 B. subtilis에서 발현시켜 cellulase 최대생산성이 7.0 units/ml에 이르렀다.
Kim, Sung Chan;Kang, Seung Ha;Choi, Eun Young;Hong, Yeon Hee;Bok, Jin Duck;Kim, Jae Yeong;Lee, Sang Suk;Choi, Yun Jaie;Choi, In Soon;Cho, Kwang Keun
Asian-Australasian Journal of Animal Sciences
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제29권1호
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pp.126-133
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2016
A gene from Actinomyces sp. Korean native goat (KNG) 40 that encodes an endo-${\beta}$-1,4-glucanase, EG1, was cloned and expressed in Escherichia coli (E. coli) $DH5{\alpha}$. Recombinant plasmid DNA from a positive clone with a 3.2 kb insert hydrolyzing carboxyl methyl-cellulose (CMC) was designated as pDS3. The entire nucleotide sequence was determined, and an open-reading frame (ORF) was deduced. The ORF encodes a polypeptide of 684 amino acids. The recombinant EG1 produced in E. coli $DH5{\alpha}$ harboring pDS3 was purified in one step using affinity chromatography on crystalline cellulose and characterized. Sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis/zymogram analysis of the purified enzyme revealed two protein bands of 57.1 and 54.1 kDa. The amino terminal sequences of these two bands matched those of the deduced ones, starting from residue 166 and 208, respectively. Putative signal sequences, a Shine.Dalgarno-type ribosomal binding site, and promoter sequences related to the consensus sequences were deduced. EG1 has a typical tripartite structure of cellulase, a catalytic domain, a serine-rich linker region, and a cellulose-binding domain. The optimal temperature for the activity of the purified enzyme was $55^{\circ}C$, but it retained over 90% of maximum activity in a broad temperature range ($40^{\circ}C$ to $60^{\circ}C$). The optimal pH for the enzyme activity was 6.0. Kinetic parameters, $K_m$ and $V_{max}$ of rEG1 were 0.39% CMC and 143 U/mg, respectively.
The brown-rot basidiomycete Fomitopsis palustris is known to degrade crystalline cellulose (Avicel) and produce three major cellulases, exoglucanases, endoglucanases, and ${\beta}$-glucosidases. A gene encoding endoglucanase, designated as cel12, was cloned from total RNA prepared from F. palustris grown at the expense of Avicel. The gene encoding Cel12 has an open reading frame of 732 bp, encoding a putative protein of 244 amino acid residues with a putative signal peptide residing at the first 18 amino acid residues of the N-terminus of the protein. Sequence analysis of Cel12 identified three consensus regions, which are highly conserved among fungal cellulases belonging to GH family 12. However, a cellulose-binding domain was not found in Cel12, like other GH family 12 fungal cellulases. Northern blot analysis showed a dramatic increase of cel12 mRNA levels in F. palustris cells cultivated on Avicel from the early to late stages of growth and the maintenance of a high level of expression in the late stage, suggesting that Cel12 takes a significant part in endoglucanase activity throughout the growth of F. palustris. Adventitious expression of cel12 in the yeast Pichia pastoris successfully produced the recombinant protein that exhibited endoglucanase activity with carboxymethyl cellulose, but not with crystalline cellulose, suggesting that the enzyme is not a processive endoglucanase unlike two other endoglucanases previously identified in F. palustris.
The nucleotide sequence of the Paenibacillus curdlanolyticus B-6 xyn10A gene, encoding a xylanase Xyn10A, consists of 3,828 nucleotides encoding a protein of 1,276 amino acids with a predicted molecular mass of 142,726 Da. Sequence analysis indicated that Xyn10A is a multidomain enzyme comprising nine domains in the following order: three family 22 carbohydrate-binding modules (CBMs), a family 10 catalytic domain of glycosyl hydrolases (xylanase), a family 9 CBM, a glycine-rich region, and three surface layer homology (SLH) domains. Xyn10A was purified from a recombinant Escherichia coli by a single step of affinity purification on cellulose. It could effectively hydrolyze agricultural wastes and pure insoluble xylans, especially low substituted insoluble xylan. The hydrolysis products were a series of short-chain xylooligosaccharides, indicating that the purified enzyme was an endo-$\beta$-1,4-xylanase. Xyn10A bound to various insoluble polysaccharides including Avicel, $\alpha$-cellulose, insoluble birchwood and oat spelt xylans, chitin, and starches, and the cell wall fragments of P. curdlanolyticus B-6, indicating that both the CBM and the SLH domains are fully functioning in the Xyn10A. Removal of the CBMs from Xyn10A strongly reduced the ability of plant cell wall hydrolysis. These results suggested that the CBMs of Xyn10A play an important role in the hydrolysis of plant cell walls.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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