Chitin and chitosan, which is deacetylated form of chitin, are one of the most abundant biomass on the earth. They showed various biological activities including antimicrobial activity, heavy metal chelating, immune system activation, and have very diverse applications in food, pharmaceutical, medicinal, and environmental industry. There have been reported many chitin/chitosan-hydrolyzing enzymes, their structures and genes from three domains, archaea, bacteria, and eukarya. Carbohydrate hydrolyzing enzymes are classified in CAZy (Carbohydrate Active Enzymes) database according to their amino acid sequence similarity. Interestingly, chitinases and chitosanases are classified in various glycosyl hydrolase(GH) families, GH2, GH5, GH7, GH8, GH18, GH19, GH20, GH46, GH48, GH73, GH75, GH80, GH84, and GH85. Here, we review characteristics and structures of chitin/chitosan hydrolyzing enzymes according to glycosyl hydrolase families in order to provide information about gene mining.
Lee Myung Sik;Cho Sung Jin;Tak Eun Sik;Hur So Young;Lee Jong Ae;Park Bum Joon;Cho Hyun Ju;Shin Chuog;Park Soon Cheol
The Korean Journal of Soil Zoology
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v.8
no.1_2
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pp.7-12
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2003
Endogeneous endoglucanase (EC 3.2.1.4) cDNA was cloned from a representative species (Eisenia anderi) of the earthworm family Lumbricidae. Endoglucanase from the midgut of the earthworm is composed of 456 amino acids and belongs to glycosyl hydrolase family 9 (GHF9), sharing high homologies (50-51 %) with those of selected termite and crayfish. This endoglucanase consists of three consensus catalytic domains found in most microbial cellulases. A phylogenetic tree was constructed using the amino acid squence data matched through the BLASTX program and showed that GHF9 families could be divided into four groups of arthropoda, bacteria, plant and annelida.
The characteristics of enzyme and gene for mannanase B had been reported from Cellulosimicrobium sp. YB-43 producing some kind of mannanase. A gene coding for the enzyme, named mannanase C (ManC), was expected to be located downstream of the manB gene. The manC gene was cloned by polymerase chain reaction and sequenced completely. From this nucleotide sequence, ManC was identified to consist of 448 amino residues and contain a carbohydrate binding domain CBM2 besides a catalytic domain, which was homologous to mannanase belonging to the glycosyl hydrolase family 5. The catalytic domain of ManC showed the highest amino acid sequence similarity of 55% with the mannanases from Streptomyces sp. SirexAA-E (55.8%; 4FK9_A) and S. thermoluteus (57.6%; BAM62868). The His-tagged ManC (HtManC) lacking N-terminal signal peptide with hexahistidine at C-terminus was produced and purified from cell extract of recombinant Escherichia coli. The purified HtManC showed maximal activity at $65^{\circ}C$ and pH 7.5, with no significant change in its activity at pH range from 7.5 to 10. HtManC showed more active on konjac and locust bean gum (LBG) than guar gum and ivory nut mannan (ivory nut). Vmax and Km values of the HtManC for LBG were 68 U/mg and 0.45 mg/ml on the optimal condition, respectively. Mannobiose and mannotriose were observed on TLC as major products resulting from the HtManC hydrolysis of mannooligosacharides. In addition, mannobiose and mannose were commonly detected as the hydrolyzed products of LBG, konjac and ivory nut.
A gene coding for the xylanase was cloned from Paenibacillus woosongensis, followed by determination of its complete nucleotide sequence. This xylanase gene, designated as xyn10A, consists of 1,446 nucleotides encoding a polypeptide of 481 amino acid residues. Based on the deduced amino acid sequence, Xyn10A was identified to be a modular enzyme composed of a catalytic domain highly homologous to the glycosyl hydrolase family 10 xylanase and a putative carbohydrate-binding module (CBM) in the C-terminus. By using DEAE-sepharose and phenyl-sepharose column chromatography, Xyn10A was purified from the cellfree extract of recombinant Escherichia coli carrying a P. woosongensis xyn10A gene. The N-terminal amino acid sequence of the purified Xyn10A was identified to exactly match the sequence immediately following the signal peptide predicted by the Signal5.0 server. The purified Xyn10A was a truncated protein of 33 kDa, suggesting the deletion of CBM in the C-terminus by intracellular hydrolysis. The purified enzyme had an optimum pH and temperature of 6.0 and 55-60℃, respectively, with the kinetic parameters Vmax and Km of 298.8 U/mg and 2.47 mg/ml, respectively, for oat spelt xylan. The enzyme was more active on arabinoxylan than on oat spelt xylan and birchood xylan with low activity for p-nitrophenyl-β-xylopyranoside. Xylanase activity was significantly inhibited by 5 mM Cu2+, Mn2+, and SDS, and was noticeably enhanced by K+, Ni2+, and Ca2+. The enzyme could hydrolyze xylooligosaccharides larger than xylobiose. The predominant products resulting from xylooligosaccharide hydrolysis were xylobiose and xylose.
A total of 10 cellulase-producing bacteria were isolated from soil samples irrigated with paper and pulp mill effluents. The sequencing of 16S rRNA gene revealed that all isolates belonged to different species of genus Bacillus. Among the different isolates, B. subtilis IARI-SP-1 exhibited a high degree of ${\beta}$-1,4-endoglucanase (2.5 IU/ml), ${\beta}$-1,4-exoglucanase (0.8 IU/ml), and ${\beta}$-glucosidase (0.084 IU/ml) activity, followed by B. amyloliquefaciens IARI-SP-2. CMC was found to be the best carbon source for production of endo/exoglucanase and ${\beta}$-glucosidase. The ${\beta}$-1,4-endoglucanase gene was amplified from all isolates and their deduced amino acid sequences belonged to glycosyl hydrolase family 5. Among the domains of different isolates, the catalytic domains exhibited the highest homology of 93.7%, whereas the regions of signal, leader, linker, and carbohydrate-binding domain indicated low homology (73-74%). These variations in sequence homology are significant and could contribute to the structure and function of the enzyme.
A lichenase gene (mt-lic) was identified for the first time through function-based screening of a soil metagenomic library. Its deduced amino acid sequence exhibited a high degree of homology with endo-${\beta}$-1,3-1,4-glucanase (having both lichenase and chitosanase activities), encoded by the bgc gene of Bacillus circulans WL-12. The recombinant lichenase overexpressed and purified from Escherichia coli was able to efficiently hydrolyze both barley ${\beta}$-glucan and lichenan. The enzyme showed maximal activity at a pH of 6.0 at $50^{\circ}C$, with Azo-barley-glucan as the substrate. The metal ions $Mn^{2+}$, $Mg^{2+}$, $Ca^{2+}$, and $Fe^{2+}$ enhanced the enzymatic activity, whereas the $Cu^{2+}$ and $Zn^{2+}$ ions inhibited the enzymatic activity. The $K_m$ and $V_{max}$ values of the purified lichenase were determined to be 0.45 mg/ml and 24.83 U/min/mg of protein, respectively.
A carboxymethyl cellulase gene, cel5B, was cloned, sequenced, and expressed in Escherichia coli. pRCS20 in E. coli was identified from metagenomic cosmid library of cow rumen for cellulase activity on a carboxymethyl cellulose agar plates. Cosmid clone (RCS20) was partially digested with Sau3AI, ligated into BamHI site of pBluescript II SK+ vector, and transformed into E. coli $DH5{\alpha}$. The insert DNA of 1.3 kb was obtained, designated cel5B, which has the activity of hydrolyzation of CMC. The cel5B gene had an open reading frame (ORF) of 1,059 bp encoding 352 amino acids with a signal peptide of 48 amino acids and the conserved region, VIYEIYNEPL, belongs to the glycosyl hydrolase family 5. The molecular mass of Cel5B protein expressed from E. coli $DH5{\alpha}$ exhibited to be about 34 kDa by CMC-SDS-PAGE. The optimal pH was 8.0, and the optimal temperature was about $50^{\circ}C$ for its enzymatic activity.
Herein, we cloned and expressed an endo-β-1,4-glucanase gene (celA1805) from Bacillus subtilis B111 in Escherichia coli. The recombinant celA1805 contains a glycosyl hydrolase (GH) family 8 domain and shared 76.8% identity with endo-1,4-β-glucanase from Bacillus sp. KSM-330. Results showed that the optimal pH and temperature of celA1805 were 6.0 and 50℃, respectively, and it was stable at pH 3-9 and temperature ≤50℃. Metal ions slightly affected enzyme activity, but chemical agents generally inhibited enzyme activity. Moreover, celA1805 showed a wide substrate specificity to CMC, barley β-glucan, lichenin, chitosan, PASC and avicel. The Km and Vmax values of celA1805 were 1.78 mg/ml and 50.09 µmol/min/mg. When incubated with cellooligosaccharides ranging from cellotriose to cellopentose, celA1805 mainly hydrolyzed cellotetrose (G4) and cellopentose (G5) to cellose (G2) and cellotriose (G3), but hardly hydrolyzed cellotriose. The concentrations of reducing sugars saccharified by celA1805 from wheat straw, rape straw, rice straw, peanut straw, and corn straw were increased by 0.21, 0.51, 0.26, 0.36, and 0.66 mg/ml, respectively. The results obtained in this study suggest potential applications of celA1805 in biomass saccharification.
A hyperthermophilic bacterium Thernotoga maritima produced thermostable ${\beta}-glucosidase$. The gene encoding ${\beta}-glucosidase$ from T. maritima MSB8 was cloned and expressed in Escherichia coli. The en-zyme (BgIB) hydrolyzed ${\beta}-glucosidase$ linkages between glucose and alkyl, aryl of saccharide groups such as salicin, arbutin, and $_pNPG$. The insert DNA contained ORF with 2,166 bp encodes a 721 amino acids (calculated molecular mass of 80,964 and pl of 4.93). The amino a.id sequence of BglB showed the similarity to family 3 glycosyl hydrolases. The molecular weight of the enzyme was estimated to be approximately 81kDa by MUG-nondenaturing PAGE (4-methylumbelliferyl 13-D-glucoside-nondenaturing polyacrylamide gel electophoresis) and SDS-PACE. The ${\beta}-glucosidase$ exhibited maximal activity at pH 7.0 and $80^{\circ}C$. By exchanging two possible residues (Glu-232 and Asp-242) to Ala by site-directed mutagenesis method, it was found that these were essential for enzymatic activity.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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