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Enhanced Production of Endo-β-1,4-xylanase from Paenibacillus sp. HX-1 Newly Isolated from Soil Samples at Hambak Mountain in Yongin city, Korea

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(1)

용인 함박산 토양에서 분리한 Paenibacillus sp. HX-1의 동정과 endo-β-1,4-xylanase 생산 증가를 위한 배지최적화

지원재1, 김종희2, 홍순광1*

1명지대학교생명과학정보학부

2서일대학교식품영양과

Received : April 9, 2013 / Revised : May 10, 2013 / Accepted : May 11, 2013

서 론

헤미셀룰로오스

(hemicellulose)

자일란

(xylan),

갈락탄

(galactan),

아라비난

(arabinan)

등을포함한비셀룰로오스 다당류이며

,

주로식물의세포벽에서발견된다

[1, 3].

자일란 식물세포벽헤미셀룰로오스의주성분이며

,

자연계에서는 셀룰로오스 다음으로풍부한 다당류이다

[9].

자일란은

D- xylopyranose

단당체가β

-1,4-

결합으로연쇄적으로연결된 골격구조에

O-acetyl, 4-O-methyl-D-glucuronosyl,

α

-L- arabinofuranosyl

그룹이곁가지로수식되어있는이질성 당류

(heterogeneous polysaccharide)

이다

[10, 25].

최근자일란은바이오연료나화학원료로사용될 재생가능한바이오메스라는점에서많은관심을모으고

있다

[1].

자일란의생물학적분해는β

-1,4-endoxylanase,

β

- xylosidase,

α

-L-arabinofuranosidase,

α

-glucuronidase, acetyl xylan esterase, phenolic acid esterase

같은다수의효소 의해이루어진다

[18].

이들 β

-1,4-xylanases

β

-1,4-

xylan

골격을무작위로가수분해하는능력을갖고있어

일란분해시작단계에우선적으로작용하는효소이다

.

마지 단계에서는

,

β

-xylosidases

xylooligosaccharides

작은

oligosaccharides

분해하며

,

자일란을수식하고있는 곁가지 그룹들은 α

-arabinofuranosidases,

α

-glucuronidases, acetyl xylan esterases

의해분해된다

[9].

아미노산서열 상동성에 따라

,

자일라네이즈

(xylanase)

glycosyl hydrolase 10 (GH10)

GH11 family

분류된다

. GH10 family

자일라네이즈는산성

pI

값을갖고

,

분자량이 이며

(>30 kDa),

치환그룹이있는자일란에특이성을보인

[2].

반면

, GH11 family

자일라네이즈

[11]

알칼리또는 산성

pI

값을갖고

,

저분자량효소이며자일란기질에높은 기질특이성을갖는다는점에서서로다르다

.

Enhanced Production of Endo-β-1,4-xylanase from Paenibacillus sp. HX-1 Newly Isolated from Soil Samples at Ham- bak Mountain in Yongin city, Korea. Chi, Won-Jae

1

, Jonghee Kim

2

, and Soon-Kwang Hong

1

* .

1

Division of Bioscience and Bioinformatics, Myongji University, Yongin 449-728, Korea,

2

Department of Food and Nutrition, Seoil College, Seoul 131-702, Korea

A xylanase-producing bacterium was isolated from a soil sample collected in Yongin city, Korea. The strain was aerobic and gram positive, and grew between pH 5.0 and 11.0, forming a yellow-colored colony. The strain was classified as a novel sub- species bacterium of Paenibacillus barcinonensis by 16S rRNA gene sequence similarity, phylogenetic analysis, phenotypic, and biochemical characteristics, and thus named Paenibacillus sp. HX-1. This strain produced extracellular endo- β-1,4-xyla- nase, and the best xylanolytic activity (205.17 unit/ml) was obtained at 96 h in an optimized TNX medium containing 1% (w/v) bacto tryptone, 1% (w/v) NaCl, and 0.7% (w/v) beechwood xylan at pH 7.0, 37

o

C and 200 rpm. The endo- β-1,4-xylanase pro- duced by the strain HX-1 yielded xylobiose as the end product from beechwood xylan hydrolysis. The enzyme exhibited opti- mum pH and temperature at pH 7.0 and 45

o

C, respectively. The remarkable enhancing effect of the TNX medium on xylanase production by HX-1, in spite of its simple formula, may have great advantages for industrial applications of xylanase.

Keywords: Xylanase, endo- β-1,4-xylanase, xylobiose, Paenibacillus sp. HX-1

*Corresponding author

Tel: +82-31-330-6198, Fax: +82-31-335-8249 E-mail: [email protected]

© 2013, The Korean Society for Microbiology and Biotechnology

(2)

미생물유래의자일라네이즈는다양하게산업적으로응용

된다는점에서최근흥미를끌고있다

[3].

펄프나종이의

블리칭

(bleaching)

공정에서자일라네이즈를이용한전처리

염소가함유된블리칭용화학약품사용을줄여환경오염 문제를크게줄일있다

.

그러나

,

펄프나종이공장에서는 광범위한

pH

온도에서작용할있는

cellulase-free

자일라네이즈를필요로한다

[1].

자일라네이즈는또한쥬스 청정화

(clarifying juices)

농업용 사일리지

(agricultural silage)

생산에도중요하게이용된다

.

제빵산업에서도

,

빵의 질감을부드럽게하기위한목적으로자일라네이즈를사용 하며

,

자일란을효소분해하여감미료인자일로오스

(xylose)

자일로올리고당을제조하는공정에도자일라네이즈가

용된다

[3].

헤미셀룰로오스로부터소화되지않고남는섬유

질은동물의장내에서음식물의점도를증가시키고

,

결과적 으로섭취한음식물의영양가치를저하시킨다

[24].

자일라 네이즈는음식물내의헤미셀룰로오스를분해하여동물의 영양상태를개선시키고소화도를증가시키는목적으로도 용된다

.

최근에는자일라네이즈를이용하여발효가능한 자일로오스를생산하는연구가주목을받고있는데

,

이는 리그노셀룰로오스바이오메스를이용한바이오에탄올생산

획기적인비용절감공정이있기때문이다

[9].

따라

,

리그노셀룰로오스를분해하는미생물이바이오에탄올 업에서도점점중요한관심사가되고있다

.

이러한이유로 지금까지많은자일라네이즈생산균주들이보고되었고

,

들이생산하는자일라네이즈의효소적특성과유전자에 연구도활발히진행되고있다

[4, 5, 9].

연구그룹은 지대학교근처에소재하는함박산에서토양샘플을채취하였

,

이로부터자일라네이즈를효율적으로생산하는균주

HX- 1

분리하였다

.

논문에서는균주

HX-1

분류학적동정

,

균주

HX-1

으로부터자일라네이즈생산을증가시키기위한

배지조성최적화

,

생산된자일라네이즈의효소학적특성을 보고한다

.

재료 및 방법

Isolation of xylan-degrading bacteria from soil sample

자일라네이즈

(xylanase)

생산하는토양미생물을동정 하기위해

,

경기도용인시처인구남동에위치한함박산에서 토양샘플을채취하여멸균수에

10

1

-10

5희석하였다

.

석액

200

μ

l

0.2% beechwood xylan (Sigma, USA)

함된

Luria-Bertani (LB)

고체배지에 도말한

37

o

C

에서

2

일간배양하였다

. 1,500

이상의콜로니를같은고체배지 옮겼으며

, replica

만들어같이배양하였다

. 2

일간배양

2.0% Congo red

용액으로염색하여콜로니주변에자일

분해환을형성하는콜로니를선별하였다

.

선택된콜로니

(

300

)

replica

로부터새로운배지로옮기고

,

단일 로니를얻기위해서

3

이상의희석도말과정이반복 되었다

.

콜로니들은형태적인특성에따라서

5

종류로분류 되었다

.

이들중에서노란색을띄며자일라네이즈활성이 강한그룹의

(

40

개의콜로니 중에서대표균주로

3

개의콜로니선택

)

대한

16S rRNA

유전자염기서열분 석을수행하였다

.

염기서열분석결과

, 3

균주모두동일한

으로밝혀졌기때문에

,

하나의균주를

HX-1

으로명명하고

연구에사용하였다

.

실험에사용한배지완충액그리

분석용시약은

Sigma

(USA)

로부터구입하였고제한효

Taq Polymerase

Takara

(JAPAN)

로부터구입하 사용하였다

.

Phylogenetic analysis based on 16S rRNA gene sequence

균주

HX-1

염색체

DNA

genomic DNA extraction kit (DyneBio, Korea)

사용하여추출하였다

. 16S rRNA

유전자

bacterial universal primer (27F; 5'-AGAGTTTGATCC TGGCTCAG-3', 1492R; 5'-TACCTTGTTACGACTT-3')

사용하여염색체

DNA

주형으로하는

polymerase chain reaction (PCR)

법으로증폭하였다

[4].

증폭된

DNA

단편은

pGEM-T easy vector (Promega, USA)

클로닝하여

. Applied Biosystems 3730xl DNA Analyzer

이용하여염기서열을 분석하였다

.

균주

HX-1

16S rRNA

유전자염기서열을 용하여

NCBI

BLASTN search

수행하여염기서열에 동성을갖는균주를탐색하였다

.

상동성을보이는표준균주

(type strain)

16S rRNA

유전자 염기서열은

EzTaxon server [6]

로부터얻었다

. 16S rRNA

유전자염기서열을 용한계통수

(phylogenetic tree)

PHYLIP suit

프로그램

[7]

Neighbour-joining (NJ)

[21]

사용하여작성하였다

. Sequence alignment

ClustalW

소프트웨어프로그램

[23]

사용하여수행하였고

, 5'

3'

gap

BioEdit

프로그램

[8]

사용하여편집하였다

. Bootstrap

지수는

1,000

회의 속된수행결과를토대로계산되었으며계통수의분지점 표시하였다

. Evolutionary distance matrix

Kimura two-parameter

모델

[12]

따라서측정하였다

.

Chemotaxonomy analysis

균주

HX-1

주요

respiratory quinone

Komagata

의해제시된방법에따라역상

-HPLC

분석하였고

[14],

체의 지방산은 기존의 알려진

Miller

방법

[17]

준하여

methyl ester

시켰으며

,

처리된

fatty acid methyl

esters (FAME)

혼합물의 분석은

Microbial Identification

system (MIDI)

지침에 따라

Agilent technologies 6890

(3)

GC

HP-1 capillary column (cross-linked methyl siloxane, 30 m

×

0.320 mm

×

0.25

μ

m)

장착하여가스

-

크로마토그 래피분석법에따라수행하였다

[22]. DNA G+C content

역상

-HPLC

이용한

Mesbah

등의방법에따라서분석하

였다

[15].

Biochemical characteristics

균주

HX-1

성장을위한최적온도조건을알아보기

해서

, 0.3% beechwood

자일란이포함하는

LB

고체배지에 접종

, 5-55

o

C(5

o

C

간격

)

조건에서배양하였다

.

최적

pH

조건을조사하기위해

, pH 4.0-12.0(pH 1.0

간격

)

으로

pH

조정한

LB

고체배지에균을접종한

, 37

o

C

균의성장을관찰하였다

.

균의성장을위한

NaCl

농도는

0-15%(1%

간격

)

NaCl

첨가된고체배지에균을접종한

, 37

o

C

에서배양하여균의성장을관찰하였다

.

균주

HX- 1

대사특성과 효소생산은

API 50CH kit (Biomrieux, France)

API Staph kit (Biomrieux, France), API ZYM kit (Biomrieux, France)

사용하였는데

,

키트에제공된

배지에

NaCl

최종농도

1%

되도록첨가한제시된

법에 따라 실험을 수행하였다

.

균주

HX-1

현탁액은

0.5 McFarland

해당하는농도로희석하여접종하였으며

,

37

o

C

에서

24

시간배양

strip

색깔변화를관찰하였다

.

Optimization of carbon and nitrogen sources for xylanase production

균주

HX-1

자일라네이즈생산을향상시키는배지조건

탐색하고자 하였다

.

기본배지는 질소원으로

bacto tryptone (1%)

탄소원으로

beechwood

자일란

(0.3%)

그리

NaCl (1%)

포함되었고배지의

pH

7.0

으로조정하였

.

배지내최적질소원을조사하기위해서

, bacto tryptone

대신에

bacto peptone

meat extract

그리고

soytone

등을 각각최종농도

1%

되도록기본배지에첨가하였다

.

균주

HX-1

접종

37

o

C

에서

5

일간

200 rpm

으로진탕배양하

였으며

24

시간간격으로

10 ml

배양액을샘플링하였다

.

각각의샘플은

15,000 rpm

에서

10

분간원심분리하여균체 제거한상등액만을취하였고

, 3,5-dinitrosalicylic acid (DNS)

[16]

응용하여

0.2% beechwood

자일란을기질로 사용하는효소반응을

20

분간실시한

540 nm

에서탁도를 측정하여자일라네이즈활성을측정하였다

.

효소활성

(unit/

ml)

서술한효소반응조건에서조효소가포함된반응액

ml

자일란으로부터

1

분당분해되어생성되는환원당

xylose

(

μ

mole)

나타낸다

.

배지내최적탄소원을조사하기위해서

,

결정된질소원

(bacto tryptone, 1%)

포함된기본배지에

beechwood

자일 외에

xylose, maltose, glucose, lactose, sucrose, fructose,

carboxylmethylcellulose (CMC)

등을각각최종농도

0.3%

되도록첨가하였다

.

균주

HX-1

접종

37

o

C

에서

5

진탕배양하면서

24

시간간격으로배양액시료를채취하 자일라네이즈활성을측정하였다

.

최적탄소원으로선정 자일란의농도별효과를알아보기위해서

, 0.1-1.0% (0.1%

간격

)

beechwood

자일란을액체배지에각각첨가하여

HX-1

배양하고

,

상기와같은방법으로배양한생산

자일라네이즈활성을측정하여최적탄소원농도를탐색 하였다

.

연구로부터질소원과탄소원탄소원의농도 등이결정된최적화된배지는

TNX (Tryptone-NaCl-Xylan)

명명하였다

.

배양균체의성장측정은각각의샘플에

대한

600 nm

에서의탁도를측정하여비교사용하였다

.

Enzymatic characteristics of secreted xylanases by strain HX-1

균주

HX-1

500 ml TNX

액체배지에서

3

일간진탕 양한

15,000 rpm

에서

10

분간원심분리하여균체를제거

하고

400 ml

상등액만을취하였다

.

준비된상등액에

종농도

70%

되도록황산암모늄을천천히첨가하여단백 질을농축하였다

. 15,000 rpm

에서

1

시간원심분리하여 백질을침전시키고상등액을제거한침전물을

20 mM Tris- Cl

완충액

(pH 8.0) 10 ml

현탁시킨

,

동일완충액으로

12

시간투석하여효소반응을위한조효소액으로사용하였다

.

효소액에함유된자일라네이즈의효소반응을위한최적

pH

조건을탐색하기위해

,

준비된조효소액을

pH 6.0-10.0 (pH 1.0

간격

)

완충액조건으로

40

o

C

에서

10

분간효소반응을 유도하여효소활성을측정하였다

.

사용된완충액은

20 mM MOPS

완충액

(pH 6.0-7.0), 20 mM Tris-Cl

완충액

(pH 7.0- 9.0), 20 mM Glycine-NaOH

완충액

(pH 9.0-10.0)

이다

.

효소

반응의최적온도조건을탐색하기위해서

, 20 mM Tris-Cl

완충액

(pH 7.0)

사용하여다양한온도

(20

o

C, 30

o

C, 40

o

C, 45

o

C, 50

o

C, 60

o

C)

조건에서

10

분간효소반응을유도하여 성을측정하였다

.

균주

HX-1

생산하는자일라네이즈에 자일란가수분해산물을분석하기위해서

,

앞에서결정된 최적효소반응조건

(20 mM Tris-Cl

완충액

, pH 7.0, 45

o

C)

에서조효소와

beechwood

자일란을

24

시간동안반응시킨

Chi

[5]

의해서 서술된 방법에 따라

Silica Gel 60 TLC plate (Merck, USA)

이용한

Thin layer chromatography (TLC)

수행하였다

.

결과 및 고찰

Phylogenetic analysis of newly isolated strain HX-1 based on 16S rRNA gene sequence

경기도용인시처인구에위치한함박산에서채취한토양

(4)

샘플로부터분리된자일라네이즈생산균주

HX-1

동정하

위해

,

균주의

16S rRNA

유전자염기서열을분석하였다

(Fig. 1A). Bacterial universal primer

사용한

PCR

방법 으로증폭한유전자단편의염기서열분석결과

,

균주

HX-1

16S rRNA

유전자염기서열은

Paenibacillus barcinonensis BP-23

T

, Paenibacillus taichungensis BCRC 17757

T

, Paenibacillus pabuli JCM 9074

T

, Paenibacillus amylolyticus NRRL NRS-290

T

, Paenibacillus tundrae A10b

T

, Paenibacillus xylanilyticus XIL14

T

, Paenibacillus tylopili MK2

T

, Paeni- bacillus illinoisensis NRRL NRS-1356

T

, Paenibacillus xylanexedens B22a

T 등과 각각

99.088%, 98.100%, 97.811%, 97.320%, 97.257%, 97.187%, 97.046%, 97.033%, 96.695%

상동성을보였다

.

따라서균주

HX-1

Paenibacillus

(genus)

속하는하나의

(species)

으로판단된다

.

최종 석된

1,432 bp

16S rRNA

유전자염기서열은

GenBank

JX853820

으로등록하였다

.

균주

HX-1

16S rRNA

유전자 염기서열을 토대로

phylogenetic tree

제작하여상동성이높은표준균주들과 계통발생적 연관관계를 조사하였다

. PHYLIP suit program

NJ method

이용한

phylogenetic tree

제작

, HX-1

P. barcinonensis [20]

같은

branch

형성

(bootstrap value = 100%)

하여계통발생적연관관계가가장 높은 것으로관찰되었다

(Fig. 1B).

P. taichungensis BCRC 17757

T

, P. pabuli JCM 9074

T

, P. xylanilyticus

XIL14

T 등과도높은계통발생적연관관계를보였다

.

따라서

16S rRNA gene sequence

phylogenetic tree

이용한 통발생적 연관관계분석 결과로부터 균주

HX-1

P.

barcinonensis BP-23

T동일한균주이거나아종일것으로 판단하였다

.

Phenotypic and chemotaxonomic characteristics

균주

HX-1

그람염색법을통하여그람양성균으로

찰되었고

, LB

TNX

고체배지에서

2

일간배양하였을 콜로니는표면이부드럽고옅은노란색을띄었다

.

균주

HX- 1

20-45

o

C

사이에서성장이가능하며

35-40

o

C

사이에서 활발한성장이관찰되었다

.

성장을위하여

Na

+

ion

요로하지않지만

1%

NaCl

포함된배지에서가장활발

하게성장하고

, 5%

이상의

NaCl

농도에서는성장이저해되

었다

.

또한

pH 5.0

부터

11.0

까지의넓은

pH

조건에서성장 하는특성을보였다

.

중성

(pH 6.0-8.0)

에서빠른성장이

찰되었고

,

특히

pH 7.0

조건에서가장활발한성장을

였다

.

균주

HX-1

유전체

DNA G+C

함량은

49.79%

이고주요

respiratory quinone

MK-7

으로분석되었다

.

현재까지의 보고에의하면

, Paenibacillus

속은

DNA G+C

함량이

39- 54%

정도이고

,

주요

respiratory quinone

으로

MK-7

포함

하고있는것으로알려져있는데

,

균주

HX-1

이러한결과

일치함을확인있었다

.

또한

HX-1

에서발견된

지방산은

anteiso-C

15:0

(41.21%), C

16:0

(24.02%), C

14:0

(7.94%), iso-C

14:0

(6.67%), iso-C

16:0

(6.70%)

이었는데

,

이들

Paenibacillus

속의종들에게서일반적으로발견되는 지방산들의 범주에속한다

.

따라서균주

HX-1

DNA G+C content, respiratory quinone,

지방산등의분석결과 로부터

Paenibacillus

속에속할것으로판단된다

.

하지만

,

균주

HX-1

G+C

함량

(49.79%)

계통발생적 관관계가가장 높은

P. barcinonensis BP-23

T

G+C

함량

(45.0%)

비교하여상당히높은수치이다

.

또한

Table 1

제시한결과와같이균주

HX-1

P. barcinonensis BP-23

T

Fig. 1. Isolation of xylanolytic bacterium from soil sample.

(A) Xylanolytic activity on agar plate. Strain HX-1 was cultured on

LB agar plate containing 0.2% xylan-azure at 37

o

C for 48 h, and

then 2.0% Congo red solution was overlaid on the plate to detect

xylanolytic activity. (B) Neighbor-Joining phylogenetic tree. The N-

J tree was constructed based on 16S rRNA gene sequences of

strain HX-1 and other Paenibacillus species. Distances was deter-

mined according to the Kimura’s 2-parameter model and boot-

strap values (>50%) based on 1,000 replicates are listed as

percentages at nodes. GenBank accession numbers of 16S rRNA

gene sequences are given in parentheses. Scale bar, 0.01 sub-

stitutions per 100 nucleotides.

(5)

5

o

C

에서의 성장과

nitrate reduction

활성 β

- galactosidase, urease, trypsin, N-acetyl-

β

-glucosaminase

등의 효소생산 그리고

D-arabinose, melezitose, starch, glycogen, gluconate

발효능력많은특성에서차이를

보이고있다

.

따라서연구를통해서분류된균주

HX-1

P. barcinonensis BP-23

T높은

16S rRNA gene sequence

유사성으로동일한종일가능성이있으나

,

많은유전적

,

리적

,

화학적특성의차이로부터다른아종으로판단된다

.

통발생적연관관계가높은

6

종의군주들과의형태적

-

생리적

특성에관한비교를

Table 1

나타내었다

.

Medium optimization for xylanase production from strain HX-1

자일라네이즈생산촉진을위한배지의최적질소원을 정하기위해

, bacto tryptone, bacto peptone, meat extract, soytone

등이각각포함된기본배지에균주

HX-1

배양하 생산되는자일라네이즈활성을관찰하였다

.

결과

bacto peptone, meat extract, soytone

등으로질소원이대체된

Table 1. Phenotypic characteristics of strain HX-1 and phylogenetically related type strains of genus Paenibacillus.

Characteristic Strain HX-1

P.

taichungensis BCRC 17757

T

P. babuli JCM 9074

T

P.

amylolyticus NRRL NRS-290

T

P.

barcinonensis BP-23

T

P.

illinoisensis NRRL NRS-1356

T

P.

xylanilyticus XIL14

T

Nitrate reduction + − − + − + −

Growth at:

5

o

C − + + + + − +

45

o

C + − − − − + +

2% NaCl + + + + + − +

7% NaCl − + + − − + +

pH 4.0 − − − w − + +

pH 10.0 + + + − + + +

pH 11.0 + + + − + − +

pH 12.0 − − − − − − +

Enzyme activity:

β−galactosidase + + + + − + +

Urease + − − + − − −

Trypsin − − − − + − −

α

-Chymotrypsin + + + − + + +

Acid phosphatase + + − + + + +

N-Acetyl- β-glucosaminase − + + + + + −

α-Fucosidase − − − + − − −

Acid production from:

Glycerol w + + − + + +

D-Arabinose − − − − + − −

Inulin − + + − − + +

Melezitose − + + − + − −

Starch + + + + − + +

Glycogen + + + + − + +

Gluconate − − − − + + +

DNA G+C content (mol%) 49.8 46.7 45.0 46.4 45.0 48.1 50.5

Predominant menaquinone MK-7 MK-7 ND MK-7 MK-7 MK-7 ND

Symbols: +, positive; −, negative; w, weak positive.

(6)

지의배양액에서는자일라네이즈활성이거의관찰되지 반면

, bacto tryptone

첨가된배양액에서는높은자일 라네이즈활성

(OD

540

= 0.198)

관찰되었다

(Fig. 2A).

이러 결과에기초하여

, bacto tryptone

최적의단일질소원 으로선택하였다

.

다음으로배지의최적탄소원을결정하기 위해

, bacto tryptone

질소원으로사용하고

,

탄소원으로는

beechwood

자일란

, xylose, maltose, glucose, lactose, sucrose, fructose, carboxylmethylcellulose (CMC)

등을각각첨가한 액체배지에

HX-1

배양하여배양액에생산되는자일라네 이즈활성을측정하였다

.

결과

, beechwood

자일란과

CMC

첨가된배지의배양액에서높은자일라네이즈활성이 찰되었고

,

외의다른탄소원들이첨가된배지의배양액에 서는 효소활성이 거의 관찰되지 않았다

(Fig. 2B).

특히

, Beechwood

자일란이첨가된배지의경우

, CMC

포함된

지보다배양기간동안계속해서최대

1.3

정도의높은 자일라네이즈활성이관찰되어단일탄소원으로자일란을 선택하였다

.

선택된

beechwood

자일란의최적농도를결정 하기위해서

, beechwood

자일란을

0.1-1.0%(0.1%

간격

)

도로포함하는배지에균주

HX-1

배양하고

,

배양액으로부

생산된 자일라네이즈 활성을 측정하였다

(Fig. 2C).

Beechwood

자일란의농도가최종농도

0.7%

가장 효소활성이관찰되었는데

,

값은기본배지의

1.6

해당한다

.

따라서 실험을 통하여 질소원으로는

1%

bacto tryptone

탄소원으로는

0.7% beechwood

자일란이 선택되었다

.

이러한결과

HX-1

자일라네이즈생산을위해 최적화된배지는

TNX

명명되었고

, TNX

배지는

1% bacto tryptone, 0.7% beechwood

자일란

, 1% NaCl

포함하며

, pH 7.0

으로조정하여사용하였다

.

Fig. 2. Optimization of medium composition for xylanase production by strain HX-1.

(A) Determination of nitrogen source. Strain HX-1 was cultured in liquid medium containing bacto tryptone (●), bacto peptone (◆), meat

extract ( ▲), and soytone (■), respectively. (B) Determination of carbon source. Strain HX-1 was cultured in liquid medium containing

beechwood xylan ( ◆), xylose (■), maltose (▲), glucose (□), lactose (△), sucrose (○), fructose (◇), and carboxylmethylcellulose

(CMC) ( ●), respectively. (C) Determination of optimum concentration of xylan as sole carbon source. Strain HX-1 was cultured in liquid

medium containing various concentrations (0.1-1.0%, increment of 0.1%) of xylan at 37

o

C for 96 h with vigorous shaking. (D) Cellular

growth and xylanase production in the optimized medium. Strain HX-1 was cultured in optimized medium (TNX) at 37

o

C with vigorous

shaking. LB medium was used as a control. The cellular growth and xylanase activity was measured at 600 nm and at 540 nm, respec-

tively. All data are the average values of three parallel experiments. ■, cell growth in LB; □, xylanase activity in LB; ●, cell growth in

TNX; ○, xylanase activity in TNX.

(7)

Cellular growth and xylanase production of strain HX-1

균주

HX-1

TNX

액체배지에서진탕배양하였을

, LB

액체배지에서진탕배양경우에비해

1.9

정도의 세포성장률을보였다

(Fig. 2D). LB

액체배지의경우

1

일째가장높은세포성장

(OD

600

= 0.316)

보이고배양

5

일째까지천천히감소하는반면

, TNX

액체배지에서는

2

일째가장높은성장

(OD

600

= 0.588)

보인배양

3

(OD

600

= 0.305)

급격히감소하였다

. LB

액체배지에서의 자일라네이즈활성은배양기간내내낮게

(

최대

27.61 unit/

ml)

관찰된반면

, TNX

액체배지에서는자일라네이즈활성

배양

2

일째급격히증가하여배양

4

일째최대활성

(205.17 unit/ml)

관찰된배양

5

일째는감소하였다

(Fig. 3).

같은배지성분의최적화를통해서균주

HX-1

세포성 장의증가는물론자일라네이즈생산이

7.4

증가된 으로측정되었다

.

이러한결과로부터

, HX-1

균주의자일라 네이즈생산이배지에첨가한탄소원인자일란에의해서 현이유도되고있는것으로추측된다

.

최근

, Zheng

[27]

Paenbacillus campinasensis BL11

G1-1

균주를합성배지

(0.5% NaNO

3

, 0.3% K

2

HPO

4

, 0.03% MgSO

4·

7H

2

O, 0.002%

MnSO

4

, 0.002% FeSO4

·

7H

2

O, 0.002% CaCl

2·

2H

2

O, 0.5%

자일란

; pH 7.0)

에서배양했을

,

각각

10.5 unit/ml

143.98 unit/ml

자일라네이즈를생산할있음을보고하

였다

.

이에비해

TNX

배지는아주간단한배지조성성분만

갖는다는장점이있으며

, HX-1

균주의자일라네이즈

산성도월등하게높은것으로판단되었다

.

따라서

,

연구

에서최적화된

TNX

배지에포함된성분이외의다른성분

(metal ion

유기산

)

들의효과에대한추가연구가진행

된다면

,

연구를통해분리한

HX-1

균주로부터보다높은

자일라네이즈생산을유도할있을것으로기대된다

.

Enzymatic properties of extracellular xylanase produced by strain HX-1

균주

HX-1

세포외부로분비·생산하는자일라네이즈

pH 7.0-8.0

중성

pH

조건에서높은활성을띄고

,

특히

20 mM Tris-Cl (pH 7.0)

완충액에서가장높은활성을나타 냈다

(Fig. 3A).

이러한반응 조건은

P. campinasensis G-1 [27]

XynG1-1 (pH 7.5)

Paenibacillus sp. 12-11 [26]

Xyn7c (pH 8.0)

보다는낮은

pH

이지만

, P. curdlanolyticus B-6 [19]

Xyl10A (pH 7.0)

P. campinasensis BL11 [13]

XylX (pH 7.0)

등과는 비슷한결과이다

.

다양한 온도에서의자일라네이즈활성측정결과

, 45

o

C

에서 활성이관찰되었고

50

o

C

에서도비교적높은 활성

(

최대 활성의

90%)

유지되었다

(Fig. 3B).

이러한최적반응 도는 기존에 연구된

P. campinasensis G-1

XynG1-1 (60

o

C), Paenibacillus sp. 12-11

Xyln7c (55

o

C),

그리고

P. curdlanolyticus B-6

Xyl10A (60

o

C)

등과비교하여 온도이다

.

균주

HX-1

자일라네이즈에의한자일란분해산물을

TLC

분석한결과

,

HX-1

자일라네이즈는

xylobiose

주요한 종산물로생산하는전형적인

endo-

β

-1,4-xylanase

일종으로 판단되었다

(Fig. 4). Xylobiose

포함하는

xylooligosaccharide

항산화활성

,

항박테리아활성

, prebiotic

활성다양한 생리적활성이보고되어

,

식품첨가제

,

사료첨가제

,

제약

화장품산업등에널리사용될있다

[3].

이러한점에서

Fig. 3. Enzymatic properties of xylanase produced by strain HX-1.

(A) Effect of pH on xylanase activity. The reaction was carried out at 40

o

C for 10 min. The values obtained at pH 7.0 using 20 mM Tris-Cl buffer were taken to be 100%. ■, 20 mM MOPS buffer;

●, 20 mM Tris-Cl; ◆, Glycine-NaOH buffer. The relative activities

are the averages from three independent experiments. (B) Effect

of temperature on xylanase activity. The reaction was carried out

at different temperatures in 20 mM Tris-Cl buffer (pH 7.0). The val-

ues obtained at 45

o

C were taken to be 100%. The relative activities

are the averages from three independent experiments.

수치

Fig. 2. Optimization of medium composition for xylanase production by strain HX-1.
Fig. 3. Enzymatic properties of xylanase produced by strain HX-1.

참조

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[r]

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