Extracellular keratinase isolated from Aspergillus flavus K-03 was immobilized on calcium alginate. The properties and reaction activities of free and immobilized keratinase with calcium alginate were characterized. The immobilized keratinase showed proteolytic activity against soluble azo-casein and azo-keratin, and insoluble feather keratin. Heat stability and pH tolerance of keratinase were greatly enhanced by immobilization. It also displayed a higher level of heat stability and an increased tolerance toward alkaline pHs compared with free keratinase. During the durability test at $40^{\circ}C$, 48% of the original enzyme activity of the immobilized keratinase was remained after 7 days of incubation. The immobilized keratinase exhibited better stability, thus increasing its potential for use in industrial application.
본 연구는 선행연구에서 얻은 keratinase 효소의 활성이 높은 균주 Bacillus subtilis SMMJ-2를 UV 조사에 의해 개량하여 mutant No. 2를 얻었으며, keratinase의 생산성 향상을 위한 최적 탄소원, 최적 질소원의 조건 하에서 본 효소를 대량생산하여 정제하고, 야생주와 변이주 간의 효소활성의 변화 및 정제된 효소 간의 효소화학적인 성질을 비교하였다. Mutant No. 2의 keratinase 생산을 위한 최적 탄소원과 질소원은 각각 glucose와 soybean meal로 나타나, 야생주의 경우와는 최적 질소원을 달리했으며, 효소활성에 있어서는 야생주보다 40% 정도 상승하였다. 변이주의 효소가 야생주의 효소보다 높은 배양온도에 대하여 더 안정적인 활성으로 생산되며, 효소 생산을 위한 최적 pH는 7.0으로, 비교적 효소생산이 가능한 pH 영역대은 6~9로 나타났다. Bacillus subtilis SMMJ-2와 mutant No. 2에서 생산된 keratinase는 DEAEsephacel 크로마토그래피법와 겔여과 크로마토그래피법으로 최종 정제되었다. 정제과정 중 DEAE-sephacel 크로마토그래피 상에서 나타나는 2개의 효소피크는 Bacillus subtilis SMMJ-2의 메인 효소피크의 위치와 mutant No. 2에서의 메인 효소피크의 위치가 전환되어 나타났다. SDS-PAGE 상에서의 각각의 효소 분자량은 B. subtilis SMMJ-2의 경우에 28 kDa, mutant No. 2의 경우에 42 kDa 로 추산되었다
The aim of this study is to elucidate the effect of keratinase on epidermis of rat skin. Twenty-five male Sprague-Dolly rats were used. The hair on the back were removed and $2{\times}2cm$ area was marked. The rats were divided five groups; 1) Control group(Co), 2) Cleansing gel group(Cl), 3) Cleansing gel+keratinase group, 4) Exfoliant gel group(Ex), and 5) Exfoliant gel+ keratinase group(Ex+K). The solutions were applied to the back area twice a day for five days. On fifth day, the skins were harvested, fixed and prepared for histologic sections. The thickness of keratin layer, living epidermis, dermis, and cell layer number of living epidermis were measured. In the group containing keratinase(Cl+K, Ex+K), the thickness of keratin layer and living layer were thinner than other groups. However, there were no significant differences of the cell layer number of living epidermis and thickness of the dermis among the five groups. We think the keratinase may have the effect thinning the keratin layer as well as the thickness of living epidermis, without effecting the living cell and dermal component. The keratinase containing soap may be of benefit to remove the excess keratin layers in human.
This study was performed to investigate the nutritional conditions controlling keratinase activity in Bacillus megaterium F7-1. B. megaterium F7-1 produced keratinase using chicken feather as a sole source of carbon, nitrogen and sulfur. Addition of the feather medium with glucose enhanced keratinase production (68.9 U/ml), compared to control without glucose (63.2 U/ml). The synthesis of keratinase was repressed by addition of $NH_4Cl$ in B. megaterium F7-1. The highest keratinase production (70.9 U/ml) was obtained with the feather medium containing glucose and $MgSO_4{\cdot}7H_2O$. Keratinase was produced in the absence of feather (4.9 U/ml), indicating its constitutive synthesis. Feather degradation resulted in free SH group formation. B. megaterium F7-1 effectively degraded chicken feather meal (86%), whereas duck feather, human nail, human hair and sheep wool displayed relatively low degradation rates (8-34%).
The effects of solvent type and concentration, solid/liquid ratio, extraction time and repeated extraction on recovery of keratinase from solid-state fermentation (SSF) of chicken feather by a local Streptomyces sp. NRC 13S were investigated in order to establish the experimental conditions for keratinase yield. Among solvents tested, 0.5% (v/v) glycerol was the best. Box-Behnken design was used to investigate the effect of relevant variables on keratinase recovery. The factors investigated were solid/liquid ratio (1:1.66-1:6.66 g/mL), glycerol concentration (0.5-5% v/v) and repeated extraction (1-5 cycle). The results showed that the maximum recovery of keratinase (6933.3 U/gfs) was obtained using 0.5 (v/v) glycerol as extracting solvent, in a solid/liquid ratio of 1:5 and three extraction cycles.
A bacterial strain WJ-98 found to produce active extracellular keratinase was isolated from the soil of a poultry factory. It was identified as Paracoccus sp. based on its 16S rRNA sequence analysis, morphological and physiological characteristics. The optimal culture conditions for the production of keratinase by Paracoccus sp. WJ-98 were investigated. The optimal medium composition for keratinase production was determined to be 1.0% keratin, 0.05% urea and NaCl, 0.03% K$_2$HPO$_4$, 0.04% KH$_2$PO$_4$, and 0.01% MgCl$_2$$.$6H$_2$O. Optimal initial pH and temperature for the production of keratinase were 7.5 and 37$^{\circ}C$, respectively. The maximum keratinase production of 90 U/mL was reached after 84 h of cultivation under the optimal culturing conditions. The keratinase from Paracoccus sp. WJ-98 was partially purified from a culture broth by using ammonium sulfate precipitation, ion-exchange chromatography on DEAE-cellulose, followed by gel filtration chromatography on Sephadex G-75. Optimum pH and temperature for the enzyme reaction were pH 6.8 and 50$^{\circ}C$, respectively and the enzymes were stable in the pH range from 6.0 to 8.0 and below 50$^{\circ}C$. The enzyme activity was significantly inhibited by EDTA, Zn$\^$2+/ and Hg$\^$2+/. Inquiry into the characteristics of keratinase production from these bacteria may yield useful agricultural feed processing applications.
Thirteen different Streptomyces isolates were evaluated for their ability to produce keratinase using chicken feather as a sole carbon and nitrogen sources under solid state fermentation (SSF). Streptomyces sp. NRC 13S produced the highest keratinase activity [1,792 U/g fermented substrate (fs)]. The phenotypic characterization and analysis of 16S rDNA sequencing of the isolate were studied. Optimization of SSF medium for keratinase production by the local isolate, Streptomyces sp. NRC13S, was carried out using the one-variable-at-a-time and the statistical approaches. In the first optimization step, the effect of incubation period, initial moisture content, initial pH value of the fermentation medium, and supplementation of some agro-industrial by-products on keratinase production were evaluated. The strain produced about 2,310 U/gfs when it grew on chicken feather with moisture content of 75% (w/w), feather: fodder yeast ratio of 70:30 (w/w), and initial pH 7 using phosphate buffer after 8 days. Based on these results, the Box-Behnken design and response surface methodology were applied to find out the optimal conditions for the enzyme production. The corresponding maximal production of keratinase was about 2,569.38 U/gfs.
A keratinolytic enzyme secreted by Aspergillus flavus K-03 cultured in feather meal basal medium (FMBM) containing 2% (w/v) chicken feather was purified and characterized. Keratinolytic enzyme secretion was the maximal at day 16 of the incubation period at pH 8 and $28^{\circ}C$. No relationship was detected between enzyme yield and increase of fungal biomass. The fraction obtained at 80% ammonium sulfate saturation showed 2.39-fold purification and was further purified by gel filtration in Sephadex G-100 followed by ion exchange chromatography on DEAE-Sephadex A-50, yielding an active protein peak showing 11.53-fold purification. Sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis (SDS-PAGE) and zymograms indicated that the purified keratinase is a monomeric enzyme with 31 kDa molecular weight. The extracellular keratinase of A. flavus was active in a board range of pH ($7{\sim}10$) and temperature ($30^{\circ}C{\sim}70^{\circ}C$) profiles with the optimal for keratinase activity at pH 8 and $45^{\circ}C$. The keratinase activity was totally inhibited by protease inhibitors such as phenylmethylsulfonyl fluoride (PMSF), iodoacetic acid, and ethylenediaminetetraacetate (EDTA) while no reduction of activity by the addition of dithiothreitol (DTT) was observed. N-terminal amino acid sequences were up to 80% homologous with the fungal subtilisins produced by Fusarium culmorum. Therefore, on the basis of these characteristics, the keratinase of A. flavus K-03 is determined to be subtilisins-like.
Two experiments were conducted to investigate the in vitro ability of keratinase to hydrolyze soybean glycinin and ${\beta}$-conglycinin and to evaluate the in vivo effects of keratinase when included in corn-soybean diets with different levels of crude protein and fed to nursery pigs. In experiment 1, a saturated keratinase solution (1 ml) was added to two blank controls of either glycinin or ${\beta}$-conglycinin resulting in the hydrolysis of 94.74% glycinin and 88.89% ${\beta}$-conglycinin. In experiment 2, 190 pigs (8.3${\pm}$0.63 kg BW) were allotted to one of four treatments in a 2${\times}$2 factorial arrangement on the basis of body weight, and sex was balanced among the pens. The effects of crude protein (19 vs. 22%) and keratinase (0 vs. 0.05%) were studied. Each treatment was applied to six pens with seven (two pens) or eight pigs per pen. Pigs were fed the experimental diets for 21 d. Weight gain and feed conversion ratio were improved (p<0.05) with keratinase supplementation while feed intake was reduced (p<0.05). Keratinase supplementation increased (p<0.05) the apparent total tract digestibility of dry matter, energy, crude protein and phosphorus. Keratinase supplementation also increased n-butyric acid in the cecum and colon, lactobacilli and total anaerobe counts in the colon as well as the ratio of villus height to crypt depth in the ileum. Additionally, fecal score, ammonia nitrogen and branch chain volatile fatty acids in the colon, E. coli and total aerobe counts in the colon, crypt depth in the jejunum and ileum as well as serum interleukin-1 and interleukin-6 concentrations were also decreased (p<0.05) by keratinase supplementation. A reduction in dietary crude protein decreased (p<0.05) colon ammonia nitrogen concentration and cecal propionic acid and branch chain volatile fatty acid concentrations. In addition, cecal E. coli counts, colon total anaerobe counts, ileal crypt depth, and serum interleukin-1 and interleukin-6 concentrations were also decreased (p<0.05) with the reduction of dietary crude protein. With the exception of fecal scores, there were no significant interactions between crude protein and keratinase. This study provides evidence that dietary keratinase supplementation improved nursery pig performance by improving intestinal morphology and ecology, thus improving nutrient digestibility and alleviating the inflammatory response.
본 연구는 토양으로부터 egg shell membrane(ESM)을 분해하는 미생물 strain 109를 분리 동정하였으며, 분리균이 생성한 keratinase를 정제하고 그 특성을 확인하였다. Strain 109는 16S rDNA 결과 99.9%의 상동성을 가지고 Bacillus licheniformis로 확인되었고, 3% ESM을 함유한 Nitrobacter 203배지에서 B. licheniformis 109를 접종하여 1주일간 배양하였을 때 ESM의 분해율은 약 15%였다. E. licheniformis 109가 생성한 keratinase를 정제하여 SDS-PA-GE로 분자량을 측정한 결과 약 65,000 Dalton이었으며 0.1% gelatin이 함유된 SDS-PAGE에 의해 효소 활력을 확인할 수 있었다. 정제한 keratinase의 PH에 따른 활성과 안정성은 pH 9.0에서 활성이 가장 높았으며 pH 9.0이상에서 안정하였다. 또한, 5$0^{\circ}C$에서 효소활성이 가장 높았으며 온도 안정성은 2$0^{\circ}C$에서 5$0^{\circ}C$까지 안정하였고, 7$0^{\circ}C$ 이상에서는 약 50%의 활력을 상실하였다. keratinase 활성에 금속 이온이 미치는 영향은 CuCl2와 ZnCl2에 의해 약 50% 정도가 저해되었으나 FeSO4에 의해서는 1mM일 때 약 11%, 10mM일 때 약 33%가 증가하였다. 그리고 PMSF에 의해 효소활성이 저해되는 것으로 나타나 B. licheniformis 109로부터 정제한 keratinase는 serine-protease로 사료된다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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