Nucleotide sequence extending 2,3-dihydroxybiphenyl 1,2-dioxygenase gene (pcbC) and 2-hydroxy-6-oxo-6-phenylhexa-2,4-dienoate hydrolase gene (pcbD) of Pseudomonas sp. DJ-12 was previously analyzed and the two genes were present in the order of pcbD-pcbC preceded by a promoter from Pseudomonas sp. DJ-12. In this study, a 3.8-kb nucleotide sequence located downstream of the pcbC gene was analyzed to have three open reading frames (ORFs) that are designated as orf1, pcbE and orf2 genes. All of the ORFs were preceded by each ribosome-binding sequence of 5-GGAXA-3 (X=G or A). However, no promoter-like sequence and transcription terminator sequence were found in the analyzed region, downstream of pcbC gene. Therefore, the gene cluster appeared to be present in the order of pcbD-pcbC-orf1-pcbE-orf2 as an operon, which is unique organization characterized so far in biphenyl- and PCB-degrading bacteria. The orf1 gene was composed of 1,224 base pairs which can encode a polypeptide of molecular weight 44,950 containing 405 amino acid residues. A deduced amino acid sequence of the orf1 gene product exhibited 21-33% identity with those of indole dioxygenase and phenol hydroxylase components. The pcbE gene was composed of 783 base pairs encoding 2-hydroxypenta-2,4-dienoate hydratase involved in the 4-chlorobiphenyl catabolism. The orf2 gene was composed of 1,017 base pairs encoding a polypeptide of molecular weight 37,378 containing 338 amino acid residues. A deduced amino acid sequence of the orf2 gene product exhibited 31% identity with that of a nitrilotriacetate monooxygenase component.
A PCB degrader, Ralstonia eutropha H850 was shown to induce bphC gene encoding 2,3-dihydroxy-biphenyl-1,2-dioxygenase in a carvone-amended pure culture in our previous study (Park et al.,1999). The present study was carried out to examine how plant terpenes, as natural substrates, would cause an expression of a PCB degradative gene in soil that was amended with terpenes. The population of Ralstonia eutropha H850 was maintained at least around 10$\^$8/ (CFU/g fresh soil) in the soil amended with carvone or limonene in the presence of succinate as a growth substrate at 50 th day. The gene expression was monitored by RT-PCR using total RNA directly extracted from each soil and bphC gene primers. The bphC gene expression of the seeded strain H850 was observed in the soil amended with biphenyl (4 days) but not with succinate, carvone and limonene. These results indicate that terpenes widely distributed in nature could be a potential inducing substrate for effective PCB biodegration in the soil but their bioavailability and specific induction behavior should be taken into account before PCB bioremediation implementation.
2-Hydroxy-6-oxo-6phenylhexa-2,4-dienoate (HOPDA) hydrolase catalyzes the hydrolytic cleavage of HOPDA to bemzpate and 2-hydroxypenta-2, 4-dienoate (HPD) during microbial catabolism of biphenyl and polychlorinated biphenyls. A HOPDA hydrolase gene (pcbD) was isolated from the genomic library of Pseudomonas sp. P20 and designated as pCNUO1201; a 7.5-kb XbaI DNA fragment from Pseudomonas sp. P20 was inserted into the pBluescript SK(+) XbaI site. E. coli HB101 harboring pCNU1201 exhibited HOPDA hydrolase activity. The open reading frame (ORF) corresponding to the pcbD gene consisted of 855 base pairs with an ATG initiation codon and a TGA termination codon. The ORF was preceded by a rebosome-binding sequence of 5'-TGGAGC-3' and its G+C content was 55 mol%. The pcbD gene of Pseudomonas sp. P20 was located immedeately downstream of the pcbC gene encoding 2,3- dihydroxybiphenyl 1,2-dioxygenase, and approximately 4-kb upstream of the pcbE gene encoding HPD hydratase. The pcbK gene was able to encode a polypeptide with a molecular weight of 31,732 containing 284 amino acid residues. The deduced amino acid sequence of the HOPDA hydrolase of Pseudomonas sp. P20 exhibited high identity (62%) with those of the HOPDA hydrolases of P. putida KF715, P. pseudoalcaligenes KF707, and Burkholderia cepacia LB400, and also significant homology with those of other hydrolytic enzymes including esterase, transferase, and peptidase.
Pseudomonas sp. P20 was a bacterial isolate which has the ability to degrade 4-chlorobi- phenyl(4CB) to 4-chlorobenzoic acid via the process of meta-cleavage. The recombinant plasmid pCK1 was constructed by insetting the 14-kb EcoRI fragment of the chromosomal DNA containing the 4CB-degrading genes into the vector pBluescript SK(+). Subsequently, E. coli XL1-Blue was transformed with the hybrid plasmid producing the recombinant E. coli CK1. The recombinant cells degraded 4CB and 2,3-dihydroxybiphenyl(2,3-DHBP) by the pcbAB and pcbCD gene products, respectively. The pcbC gene was expressed most abundantly at the late exponential phase in E. coli CK1 as well as in Pseudomonas sp. P20, and the level of the pcbC gene product, 2,3-DHBP dioxygenase, expressed in E. coli CK1 was about two-times higher than in Pseudomonas sp. P20. The activities of 2,3-DHBP dioxygenase on catechol and 3-methylcatechol were about 26 to 31% of its activity on 2,3-DHBP, but the enzyme did not reveal any activities on 4-methylcatechol and 4-chlorocatechol.
Alginate and alginate-derived oligomannuronate enhanced penicillin production in shake flask and fermentor cultures of Penicillium chrysogenum Wis 54-1255 (containing a single copy of the penicillin gene cluster) and in the high producter strain P. chrysogenum AS-P-99 (containing multiple copies of the penicillin gene cluster). Alginate was not used as a single carbon source by P. chryogenum. The stimulatory effect on penicillin production was observed in a defined medium and, to a lower extent, in a complex production medium containing corn steep liquor. Alginate-supplemented cells showed higher transcript levels of the three penicillin biosynthetic genes, pcbAB, pcbC, and penDE, than cells grown in the absence of alginate. The promoters of the pcbAB, pcbC, and penDE genes were coupled to the reporter lacZ gene and introduced as monocopy constructions in P. chrysogenum Wis 54-1225 npe10 by targeted integration in the pyrG locus; the reporter ${\beta}$-galactosidase activity expressed from the three promoters was stimulated by alginate added to the culture medium of the transformants. These results indicate that the stimulation of penicillin production by alginate was derived from an increase in the transcriptional activity of the penicillin biosynthesis genes. The induction by alginate of the transcription of the three penicillin biosynthetic genes is good example of the coordinated induction of secondary metabolism genes by elicitors of plant (or microbial) origin.
4-chlorobiphenyl (4CB)의 분해균주인 Pseudomonas sp. strain DJ-12의 16S rDNA의 염기서열을 분석한 결과 Comamonas sp. strain DJ-12로 재분류 되었다. Pseudomonas sp. strain DJ-12로부터 4CB의 분해결과 생성되는 2,3-dihydroxybiphenyl을 계속 분해하는데 관여하는 pcbC1Dl 유전자를 이미 보고된 바 있다. 이번 연구에서는 Comamonas sp. strain DJ-12로부터 4CB 분해에 관여하는 pcbABC2D2 유전자를 클로닝하여 염기서열을 분석하였다. PcbAB 및 pcbCD 유전자들의 염기서열은 48, 65%, 추정 아미노산 서열은 33, 42%의 낮은 유사도를 보였다. 본 연구에서 얻어진 pcbC2D2 유전자는 이미 보고만 pcbCIDl 유전자와 염기의 개수와 서열의 유사도가 서로 다름을 보여 주었다. Comamonas sp. strain DJ-12의 두 가지 pcbCD유전자들은 Southern hybridization 결과에서도 유사성을 보이지 않았으며, 서로 다른 위치에 존재함을 보여주었다. 그러나 2,3-dihydroxybiphenyl의 분해 특성은 동일하였다. 이와 같은 결과는 Comamonas sp. strain DJ-12 균주가 2조의 pcbCD 유전자를 가지고 있다는 것을 의미하는 것이다.
There is a possibility that carvone, a monoterpene from spearmint (Mentha spicata), could induce the bph degradative pathway and genes in Alcaligenes eutrophus H850, which is a known Gram-negative PCB degrader with a broad substrate specificity that was thoroughly investigated with Arthrobacter sp. BIB, a Gram-positive PCB degrader. The strains BIB and H850 were unable to utilize and grow on the plant terpene [(R)-(-)-carvone] (50ppm) to be recognized as a sole carbon source. Nevertheless, the carvone did induce 2,3-dihydroxybiphenyl 1,2-dioxygenase (encoded by bphC) in the strain B lB, as observed by a resting cell assay that monitors accumulation of a yellow meta ring fission product from 4,4'-dichlorobiphenyl (DCBp). The monoterpene, however, did not appear to induce the meta cleavage pathway in the strain H850. Instead, an assumption was made that the strain might be using an alternative pathway, probably the ortho-cleavage pathway. A reverse transcription (RT)-PCR system, utilizing primers designed from a conserved region of the bphC gene of Arthrobacter sp. M5, was employed to verify the occurrence of the alternative pathway. A successful amplification (182bp) of mRNA transcribed from the N-terminal region of the bphC gene was accomplished in H850 cells induced by carvone (50ppm) as well as in biphenyl-growth cells. It is, therefore, likely that H850 possesses a specific PCB degradation pathway and hence a different substrate specificity compared with B1B. This study will contribute to an elucidation of the dynamic aspects of PCB bioremediation in terms of roles played by PCB degraders and plant terpenes as natural inducer substrates that are ubiquitous and environmentally compatible.
Polychlorinaed biphenyls(PCBs) 와 biphenyl을 분해하는 Pseudomonas sp. DJ-12에서는 그 초기 분해과정에 pcb ABCD 유전자들이 관여하고 있음이 밝혀졌다. 그 중 pcbCD와 pcdD 유전자를 E. coli XL1-Blue에 클로닝하여 E. coli CU103 과 CU105 균주를 각각 제조하였다. E. coli CU103은 2,3-dehydroxybuphenyl dioxygenase(2,3-DHBP)와 meta-cleavage compound(MCP) hydrolase를 생성하여 2,3-dihydroxybiphenyl을 benzoate로 변환시켜 주었다. E. coli CU1 과 CU103 에서 pcbC 유전자의 산물인 2,3-DHBP dioxygense의 활성도는 Pseudomonas sp. DJ-12에서 보다 약 17배 높았으며, E. coli CU105에서 pcbD의 산물인 MCP hydrolase는 약 3배 더 높게 나타났다.
Park, Sang-Ho;Lee, Dong-Hun;Oh, Kye-Heon;Kim, Chi-Kyung
Journal of Microbiology
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제38권3호
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pp.183-186
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2000
Several types of bioluminescent reporter strains have been developed for the detection and monitoring of pollutant aromatics contaminating the environment. In this study, a bioluminescent reporter strain, E. coli SHP3, was constructed by fusing the luc gene of firefly luciferase with the promoter of pcbC responsible for the meta-cleavage of aromatic hydrocarbons. the bioluminescence expressed by the luc gene in the reporter was well triggered by the promoter when it was exposed to 2,3-dihydroxybiphenyI (2,3-DHBP) at 0.5 to 1 mM concentrations. The bioluminescent response was more extensive when the reporter strain was exposed to 5 mM catechol and 2 mM 4-chlorocatechol. These different types of bioluminescent responses by E. coli SHP3 appeared to be characterized by the nature of the aromatics to stress. Since E. coli SHP3 responded to 2,3-DHBP quite sensitively, this reporter strain could be applied for detecting some catecholic pollutants.
Pseudomonas sp. P20 was shown to be capable of degrading biphenyl and 4-chlorobiphenyl (4CB) to produce the corresponding benzoic acids wnich were not further degraded. But the potential of the strain for biodegradation of 4CB was shown to be excellent. The pcbA, B, C and D genes responsible for the aromatic ring-cleavage of biphenyl and 4CB degradation were cloned from the chromosomal DNA of the strain. In this study, the pebC and D genes specifying degradation of 2, 3-dihydroxybiphenyl (2, 3-DHBP) produced from biphenyl by the pebAB-encoded enzymes were cloned by using pBluescript SK(+) as a vector. From the pCK102 (9.3 kb) containing pebC and D genes, pCK1022 inserted with a EcoRI-HindIII DNA fragment (4.1 kb) carrying pebC and D and a pCK1092 inserted with EcoRI-XbaI fragment (1.95 kb) carrying pebC were constructed. The expression of pcbC and D' in E. coli CK102 and pebC in E. coli CK1092 was examined by gas chromatography and UV-vis spectrophotometry. 2.3-dihydroxybiphenyl was readily degraded to produce meta-cleavage product (MCP) by E. coli CK102 after incubation for 10 min, and then only benzoic acid(BA) was detected in the 24-h old culture. The MCP was detected in E. coli CK1022 containing pebC and 0 genes (by the resting cells assay) for up to 3 h after incubation and then diminished completely in 8 h, whereas the MCP accumulated in the E. coli CK1092 culture even after 6 h of incubation. The 2, 3-DHBP dioxygenases (product of pebC gene) produced by E. coli CK1, CK102, CK1023, and CK1092 strains were measured by native PAGE analysis to be about 250 kDa in molecular weight, which were about same as those of Pseudomonas sp. DJ-12, P. pseudoa1caligenes KF707, and P. putida OU83.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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