A gene(GeneBank AF 135796) coding for a trehalose synthase from Thermus caldophilus GK24 was cloned into Escherichia coli K12 using five vector systems. The constitutive expression system(pHCETS) which shows the highest trehalose synthase activity from flask culture of recombinant E. coli was selected for the production of trehalose from maltose. For the shake flask culture, the final dry cell weight was 0.9 g/L and the trehalose synthase activity was 25 U/mL. Fed-batch culture of recombinant E. coli harboring plasmid pHCETS which uses the glycerolas a carbon source was performed in jar fermentor: the dry cell weight of 20 g/L and the trehalose synthase activity of 13.7 U/mL were attained in 48 h.
Pseudomonas sp. BCNU 106 accumulated approximately 4.12 mM trehalose after cultivation of 12 hr probably by the arising action of trehalose-6-phosphate synthase/phosphatase. The cDNA clones of trehalose-6-phosphate synthase/ phosphatase were isolated from Pseudomonas sp. BCNU 106, and named as PsTPS and PsTPP(Pseudomonas sp. BCNU 106 trehalose-6-phosphate synthase/phosphatase). The two mRNA levels of trehalose-6-phosphate synthase/ phosphatase peaked at 12 hr after exposure to toluene, and thereafter were declined slightly These results support an important role of trehalose accumulation by expressions of PsTPS and PsTPP in toluene-tolerance of Pseudomonas sp. BCNU 106.
Trehalose is a non-reducing disaccharide in increasing demand for applications in food, nutraceutical, and pharmaceutical industries. Single-step trehalose production by trehalose synthase (TreS) using maltose as a starting material is a promising alternative process for industrial application due to its simplicity and cost advantage. Pseudomonas monteilii TBRC 1196 was identified using the developed screening method as a potent strain for TreS production. The TreS gene from P. monteilii TBRC 1196 was first cloned and expressed in Escherichia coli. Purified recombinant trehalose synthase (PmTreS) had a molecular weight of 76 kDa and showed optimal pH and temperature at 9.0 and 40℃, respectively. The enzyme exhibited >90% residual activity under mesophilic condition under a broad pH range of 7-10 for 6 h. Maximum trehalose yield by PmTreS was 68.1% with low yield of glucose (4%) as a byproduct under optimal conditions, equivalent to productivity of 4.5 g/l/h using enzyme loading of 2 mg/g substrate and high concentration maltose solution (100 g/l) in a lab-scale bioreactor. The enzyme represents a potent biocatalyst for energy-saving trehalose production with potential for inhibiting microbial contamination by alkaline condition.
A hyperthermophilic bacteria (strain HJ6) was isolated from a hot springs located in the Arima-cho, Hyogo, Japan. The cells were long-rod type ($2-4{\mu}m$), about $0.4{\mu}m$ in diameter. The pH and temperature for optimal growth were 6.5 and $80^{\circ}C$, respectively. Phylogenetic analysis based on the 16S rDNA sequence and biochemical studies indicated that HJ6 belonged to the genus Thermus thermophilus (Tt). The gene encoding the Trehalose synthase (TS) was cloned and sequenced. The open reading frame (ORF) of the TtTS gene was composed of 2,898 nucleotides and encoded a protein (975 amino acids) with a predicted molecular weight of 110.56 kDa. The deduced amino acid sequence of TtTS showed 99% and 83% identities to the Thermus caldophilus TS and Meiothermus ruber TS, respectively. TtTS gene was expressed in Escherichia coli cells, and the recombinant protein was purified to homogeneity. The optimal temperature and pH for Trehalose synthase activity were found to be $80^{\circ}C$ and 7.5, respectively. The half-life of heat inactivation was about 40 min at $90^{\circ}C$. The maximum trehalose conversion rate of maltose into trehalose by the enzyme increased as the substrate concentration increased, and reached 55.7% at the maltose concentration of 500 mM, implying that the enzyme conversion was dependent of the substrate concentration.
Trehalose is a non-conventional sugar with potent applications in the food, healthcare and biopharma industries. In this study, trehalose was synthesized from maltose using whole-cell Pseudomonas monteilii TBRC 1196 producing trehalose synthase (TreS) as the biocatalyst. The reaction condition was optimized using 1% Triton X-100 permeabilized cells. According to our central composite design (CCD) experiment, the optimal process was achieved at 35℃ and pH 8.0 for 24 h, resulting in the maximum trehalose yield of 51.60 g/g after 12 h using an initial cell loading of 94 g/l. Scale-up production in a lab-scale bioreactor led to the final trehalose concentration of 51.91 g/l with a yield of 51.60 g/g and productivity of 4.37 g/l/h together with 8.24 g/l glucose as a byproduct. A one-pot process integrating trehalose production and byproduct bioremoval showed 53.35% trehalose yield from 107.4 g/l after 15 h by permeabilized P. moteilii cells. The residual maltose and glucose were subsequently removed by Saccharomyces cerevisiae TBRC 12153, resulting in trehalose recovery of 99.23% with 24.85 g/l ethanol obtained as a co-product. The present work provides an integrated alternative process for trehalose production from maltose syrup in bio-industry.
A genomic DNA fragment encoding a putative maltooligosyltrehalose synthase (NfMTS) for trehalose biosynthesis was cloned by the degenerate primer-PCR from cyanobacterium Nostoc flagelliforme. The ORF of NfMTS was 2,799 bp in length and encoded 933 amino acid residues constituting a 106.6 kDa protein. The deduced amino acid sequence of NfMTS contained 4 regions highly conserved for MTSs. By expression of NfMTS in E. coli, it was demonstrated that the recombinant protein catalyzed the conversion of maltohexaose to maltooligosyl trehalose. The $K_m$ of the recombinant enzyme for maltohexaose was 1.87 mM and the optimal temperature and pH of the recombinant enzyme was at $50^{\circ}C$ and 7.0, respectively. The expression of MTS of N. flagelliforme was upregulated, and both trehalose and sucrose contents increased significantly in N. flagelliforme during drought stress. However, trehalose accumulated in small quantities (about 0.36 mg/g DW), whereas sucrose accumulated in high quantities (about 0.90 mg/g DW), indicating both trehalose and sucrose were involved in dehydration stress response in N. flagelliforme and sucrose might act as a chemical chaperone rather than trehalose did during dehydration stress.
Two genes encoding maltooligosyltrehalose synthase (SaMTS) and maltooligosyltrehalose trehalohydrolase (SaMTH) were isolated from a hyperthermophilic microorganism, Sulfolobus acidocaldarius (ATCC 49462). ORFs of the SaMTS and SaMTH genes are 2,163 and 1,671 bp long and encode 720 and 556 amino acid residues, respectively. A bifunctional fusion enzyme (SaMTSH) was constructed through the gene fusion of SaMTS and SaMTH. Recombinant SaMTS, SaMTH, and SaMTSH fusion enzyme were overexpressed in E. coli BL21. SaMTS and SaMTH produced trehalose and maltotriose from maltopentaose in a sequential reaction. SaMTSH fusion enzyme catalyzed the sequential reaction in which the formation of maltotriosyltrehalose was followed by hydrolysis leading to the synthesis of trehalose and maltotriose. The SaMTSH fusion enzyme showed the highest activity at pH 5.0-5.5 and $70-75^{\circ}C$. SaMTS, SaMTH, and SaMTSH fusion enzyme were active in soluble starch, which resulted in the production of trehalose.
Seo, Ju-Seok;An, Ju-Hee;Cheong, Jong-Joo;Choi, Yang-Do;Kim, Chung-Ho
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.18
no.9
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pp.1544-1549
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2008
MhMTS and MhMTH are trehalose ($\alpha$-D-glucopyranosyl-[1,1]-$\alpha$-D-glucopyranose) biosynthesis genes of the thermophilic microorganism Metallosphaera hakonensis, and encode a maltooligosyltrehalose synthase (MhMTS) and a maltooligosyltrehalose trehalohydrolase (MhMTH), respectively. In this study, the two genes were fused in-frame in a recombinant DNA, and expressed in Escherichia coli to produce a bifunctional fusion enzyme, MhMTSH. Similar to the two-step reactions with MhMTS and MhMTH, the fusion enzyme catalyzed the sequential reactions on maltopentaose, maltotriosyltrehalose formation, and following hydrolysis, producing trehalose and maltotriose. Optimum conditions for the fusion enzyme-catalyzed trehalose synthesis were around $70^{\circ}C$ and pH 5.0-6.0. The MhMTSH fusion enzyme exhibited a high degree of thermostability, retaining 80% of the activity when pre-incubated at $70^{\circ}C$ for 48 h. The stability was gradually abolished by incubating the fusion enzyme at above $80^{\circ}C$. The MhMTSH fusion enzyme was active on various sizes of maltooligosaccharides, extending its substrate specificity to soluble starch, the most abundant natural source of trehalose production.
Osmotolerant yeast isolated from soy paste could grow on media with 2 M NaCl. This strain was identified as Zygosaccharomyces rouxii by biological characteristics, RFLP of ribosomal DNA and mating with compatible haploid strain. Growing rate of the Z. rouxii YDJ was slower than Saccharomyces cerevisiae. Z. rouxii YDJ accumulated trehalose, which is known as one of the osmolytic protectants, in cells cultured on media with salt. Enzyme activity of trehalose phosphate synthase related to trehalose biosynthesis of the YDJ was lower than those of S. cerevisiae. Trehalase activity related trehalose degradation was also lower in Z. rouxii YDJ than S. cerevisiae. However, as Z. rouxii accumulated trehalose by salt treatment, salt tolerancy of Z. rouxii was assumed to be related to trehalose in additon to glycerol.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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