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)
는자일란(xylan),
갈락탄(galactan),
아라비난(arabinan)
등을포함한비셀룰로오스 다당류이며,
주로식물의세포벽에서발견된다[1, 3].
자일란 은식물세포벽헤미셀룰로오스의주성분이며,
자연계에서는 셀룰로오스 다음으로풍부한 다당류이다[9].
자일란은D- xylopyranose
단당체가β-1,4-
결합으로연쇄적으로연결된 골격구조에O-acetyl, 4-O-methyl-D-glucuronosyl,
α-L- arabinofuranosyl
그룹이곁가지로수식되어있는이질성다 당류(heterogeneous polysaccharide)
이다[10, 25].
최근자일란은바이오연료나화학원료로사용될수있 는재생가능한바이오메스라는점에서많은관심을모으고
있다
[1].
자일란의생물학적분해는β-1,4-endoxylanase,
β- xylosidase,
α-L-arabinofuranosidase,
α-glucuronidase, acetyl xylan esterase, phenolic acid esterase
와같은다수의효소 에의해이루어진다[18].
이들 중β-1,4-xylanases
는β-1,4-
xylan
의골격을무작위로가수분해하는능력을갖고있어자일란분해시작단계에우선적으로작용하는효소이다
.
마지 막단계에서는,
β-xylosidases
가xylooligosaccharides
를더 작은oligosaccharides
로분해하며,
자일란을수식하고있는 곁가지 그룹들은 α-arabinofuranosidases,
α-glucuronidases, acetyl xylan esterases
에의해분해된다[9].
아미노산서열 의 상동성에 따라,
자일라네이즈(xylanase)
는glycosyl hydrolase 10 (GH10)
과GH11 family
로 분류된다. GH10 family
자일라네이즈는산성pI
값을갖고,
분자량이큰편 이며(>30 kDa),
치환그룹이있는자일란에특이성을보인 다[2].
반면, GH11 family
자일라네이즈[11]
는알칼리또는 산성pI
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* .
1Division of Bioscience and Bioinformatics, Myongji University, Yongin 449-728, Korea,
2Department 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
oC 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
oC, 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
미생물유래의자일라네이즈는다양하게산업적으로응용
된다는점에서최근큰흥미를끌고있다
[3].
펄프나종이의블리칭
(bleaching)
공정에서자일라네이즈를이용한전처리는염소가함유된블리칭용화학약품사용을줄여환경오염 문제를크게줄일수있다
.
그러나,
펄프나종이공장에서는 광범위한pH
및온도에서작용할수있는cellulase-free
한 자일라네이즈를필요로한다[1].
자일라네이즈는또한쥬스 청정화(clarifying juices)
및농업용 사일리지(agricultural silage)
생산에도중요하게이용된다.
제빵산업에서도,
빵의 질감을부드럽게하기위한목적으로자일라네이즈를사용 하며,
자일란을효소분해하여감미료인자일로오스(xylose)
와자일로올리고당을제조하는공정에도자일라네이즈가사용된다
[3].
헤미셀룰로오스로부터소화되지않고남는섬유질은동물의장내에서음식물의점도를증가시키고
,
결과적 으로섭취한음식물의영양가치를저하시킨다[24].
자일라 네이즈는음식물내의헤미셀룰로오스를분해하여동물의 영양상태를개선시키고소화도를증가시키는목적으로도사 용된다.
최근에는자일라네이즈를이용하여발효가능한당 인자일로오스를생산하는연구가주목을받고있는데,
이는 리그노셀룰로오스바이오메스를이용한바이오에탄올생산이획기적인비용절감공정이될수있기때문이다
[9].
따라서
,
리그노셀룰로오스를분해하는미생물이바이오에탄올산 업에서도점점중요한관심사가되고있다.
이러한이유로 지금까지많은자일라네이즈생산균주들이보고되었고,
이 들이생산하는자일라네이즈의효소적특성과유전자에관 한연구도활발히진행되고있다[4, 5, 9].
본연구그룹은명 지대학교근처에소재하는함박산에서토양샘플을채취하였 고,
이로부터자일라네이즈를효율적으로생산하는균주HX- 1
을분리하였다.
본논문에서는균주HX-1
의분류학적동정,
균주
HX-1
으로부터자일라네이즈생산을증가시키기위한배지조성최적화
,
생산된자일라네이즈의효소학적특성을 보고한다.
재료 및 방법
Isolation of xylan-degrading bacteria from soil sample
자일라네이즈
(xylanase)
를생산하는토양미생물을동정 하기위해,
경기도용인시처인구남동에위치한함박산에서 토양샘플을채취하여멸균수에10
−1-10
−5로희석하였다.
희 석액200
μl
를0.2% beechwood xylan (Sigma, USA)
이포 함된Luria-Bertani (LB)
고체배지에 도말한후37
oC
에서2
일간배양하였다. 1,500
개이상의콜로니를같은고체배지 에옮겼으며, replica
를만들어같이배양하였다. 2
일간배양 후2.0% Congo red
용액으로염색하여콜로니주변에자일란분해환을형성하는콜로니를선별하였다
.
선택된콜로니(
약300
개)
는replica
로부터새로운배지로옮기고,
단일콜 로니를얻기위해서3
번이상의희석및도말과정이반복 되었다.
콜로니들은형태적인특성에따라서5
종류로분류 되었다.
이들중에서노란색을띄며자일라네이즈활성이가 장강한그룹의 균(
총40
개의콜로니 중에서대표균주로3
개의콜로니선택)
에대한16S rRNA
유전자염기서열분 석을수행하였다.
염기서열분석결과, 3
균주모두동일한균으로밝혀졌기때문에
,
하나의균주를HX-1
으로명명하고본연구에사용하였다
.
실험에사용한배지및완충액그리고분석용시약은
Sigma
사(USA)
로부터구입하였고제한효소및
Taq Polymerase
는Takara
사(JAPAN)
로부터구입하 여사용하였다.
Phylogenetic analysis based on 16S rRNA gene sequence
균주
HX-1
의염색체DNA
는genomic DNA extraction kit (DyneBio, Korea)
를사용하여추출하였다. 16S rRNA
유전자 는bacterial universal primer (27F; 5'-AGAGTTTGATCC TGGCTCAG-3', 1492R; 5'-TACCTTGTTACGACTT-3')
를 사용하여염색체DNA
를주형으로하는polymerase chain reaction (PCR)
법으로증폭하였다[4].
증폭된DNA
단편은pGEM-T easy vector (Promega, USA)
에클로닝하여. Applied Biosystems 3730xl DNA Analyzer
를이용하여염기서열을 분석하였다.
균주HX-1
의16S rRNA
유전자염기서열을이 용하여NCBI
의BLASTN search
를수행하여염기서열에상 동성을갖는균주를탐색하였다.
상동성을보이는표준균주(type strain)
의16S rRNA
유전자 염기서열은EzTaxon server [6]
로부터얻었다. 16S rRNA
유전자염기서열을이 용한계통수(phylogenetic tree)
는PHYLIP suit
프로그램[7]
의
Neighbour-joining (NJ)
법[21]
을사용하여작성하였다. Sequence alignment
는ClustalW
소프트웨어프로그램[23]
을사용하여수행하였고
, 5'
과3'
의gap
은BioEdit
프로그램[8]
을사용하여편집하였다. Bootstrap
지수는1,000
회의연 속된수행결과를토대로계산되었으며계통수의각분지점 에 표시하였다. Evolutionary distance matrix
는Kimura two-parameter
모델[12]
에따라서측정하였다.
Chemotaxonomy analysis
균주
HX-1
의 주요respiratory quinone
은Komagata
에 의해제시된방법에따라역상-HPLC
로분석하였고[14],
균체의 지방산은 기존의 알려진
Miller
방법[17]
에 준하여methyl ester
화 시켰으며,
전 처리된fatty acid methyl
esters (FAME)
혼합물의 분석은Microbial Identification
system (MIDI)
의지침에 따라Agilent technologies 6890
GC
에HP-1 capillary column (cross-linked methyl siloxane, 30 m
×0.320 mm
×0.25
μm)
을장착하여가스-
크로마토그 래피분석법에따라수행하였다[22]. DNA G+C content
는역상
-HPLC
를이용한Mesbah
등의방법에따라서분석하였다
[15].
Biochemical characteristics
균주
HX-1
의성장을위한최적온도조건을알아보기위해서
, 0.3% beechwood
자일란이포함하는LB
고체배지에균 을접종한후, 5-55
oC(5
oC
간격)
의조건에서배양하였다.
또 한최적pH
조건을조사하기위해, pH 4.0-12.0(pH 1.0
간격)
으로pH
를조정한LB
고체배지에균을접종한후, 37
oC
에 서균의성장을관찰하였다.
균의성장을위한NaCl
농도는0-15%(1%
간격)
의NaCl
이첨가된고체배지에균을접종한 후, 37
oC
에서배양하여균의성장을관찰하였다.
균주HX- 1
의 대사특성과 효소생산은API 50CH kit (Biomrieux, France)
와API Staph kit (Biomrieux, France), API ZYM kit (Biomrieux, France)
를사용하였는데,
각키트에제공된배지에
NaCl
을최종농도1%
가되도록첨가한후제시된방법에 따라 실험을 수행하였다
.
균주HX-1
의 현탁액은0.5 McFarland
에해당하는농도로희석하여접종하였으며,
37
oC
에서24
시간배양후strip
의색깔변화를관찰하였다.
Optimization of carbon and nitrogen sources for xylanase production균주
HX-1
의자일라네이즈생산을향상시키는배지조건을 탐색하고자 하였다
.
기본배지는 질소원으로bacto tryptone (1%)
과탄소원으로beechwood
자일란(0.3%)
그리 고NaCl (1%)
이포함되었고배지의pH
는7.0
으로조정하였 다.
배지내최적질소원을조사하기위해서, bacto tryptone
대신에bacto peptone
과meat extract
그리고soytone
등을 각각최종농도1%
가되도록기본배지에첨가하였다.
균주HX-1
을접종후37
oC
에서5
일간200 rpm
으로진탕배양하였으며
24
시간간격으로10 ml
씩배양액을샘플링하였다.
각각의샘플은
15,000 rpm
에서10
분간원심분리하여균체 를제거한후상등액만을취하였고, 3,5-dinitrosalicylic acid (DNS)
법[16]
을응용하여0.2% beechwood
자일란을기질로 사용하는효소반응을20
분간실시한후540 nm
에서탁도를 측정하여자일라네이즈활성을측정하였다.
효소활성(unit/
ml)
은서술한효소반응조건에서조효소가포함된반응액ml
당자일란으로부터1
분당분해되어생성되는환원당xylose
의양(
μmole)
을나타낸다.
배지내최적탄소원을조사하기위해서
,
결정된질소원(bacto tryptone, 1%)
이포함된기본배지에beechwood
자일 란 외에xylose, maltose, glucose, lactose, sucrose, fructose,
carboxylmethylcellulose (CMC)
등을각각최종농도0.3%
가되도록첨가하였다
.
균주HX-1
을접종후37
oC
에서5
일 간진탕배양하면서24
시간간격으로배양액시료를채취하 여자일라네이즈활성을측정하였다.
최적탄소원으로선정 된자일란의농도별효과를알아보기위해서, 0.1-1.0% (0.1%
간격
)
의beechwood
자일란을액체배지에각각첨가하여균주
HX-1
을배양하고,
상기와같은방법으로배양한후생산된자일라네이즈활성을측정하여최적탄소원농도를탐색 하였다
.
본연구로부터질소원과탄소원및탄소원의농도 등이결정된최적화된배지는TNX (Tryptone-NaCl-Xylan)
로명명하였다.
배양시균체의성장측정은각각의샘플에대한
600 nm
에서의탁도를측정하여비교사용하였다.
Enzymatic characteristics of secreted xylanases by strain HX-1
균주
HX-1
을500 ml TNX
액체배지에서3
일간진탕배 양한후15,000 rpm
에서10
분간원심분리하여균체를제거하고
400 ml
의상등액만을취하였다.
준비된상등액에최종농도
70%
가되도록황산암모늄을천천히첨가하여단백 질을농축하였다. 15,000 rpm
에서1
시간원심분리하여단 백질을침전시키고상등액을제거한침전물을20 mM Tris- Cl
완충액(pH 8.0) 10 ml
에현탁시킨후,
동일완충액으로12
시간투석하여효소반응을위한조효소액으로사용하였다.
조 효소액에함유된자일라네이즈의효소반응을위한최적pH
조건을탐색하기위해,
준비된조효소액을pH 6.0-10.0 (pH 1.0
의간격)
완충액조건으로40
oC
에서10
분간효소반응을 유도하여효소활성을측정하였다.
사용된완충액은20 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.
효소반응의최적온도조건을탐색하기위해서
, 20 mM Tris-Cl
완충액
(pH 7.0)
을사용하여다양한온도(20
oC, 30
oC, 40
oC, 45
oC, 50
oC, 60
oC)
조건에서10
분간효소반응을유도하여활 성을측정하였다.
균주HX-1
이생산하는자일라네이즈에의 한자일란가수분해산물을분석하기위해서,
앞에서결정된 최적효소반응조건(20 mM Tris-Cl
완충액, pH 7.0, 45
oC)
에서조효소와beechwood
자일란을24
시간동안반응시킨 후Chi
등[5]
에의해서 서술된 방법에 따라Silica Gel 60 TLC plate (Merck, USA)
를이용한Thin layer chromatography (TLC)
를수행하였다.
결과 및 고찰
Phylogenetic analysis of newly isolated strain HX-1 based on 16S rRNA gene sequence
경기도용인시처인구에위치한함박산에서채취한토양
샘플로부터분리된자일라네이즈생산균주
HX-1
을동정하기위해
,
균주의16S rRNA
유전자염기서열을분석하였다(Fig. 1A). Bacterial universal primer
를사용한PCR
방법 으로증폭한유전자단편의염기서열분석결과,
균주HX-1
의16S rRNA
유전자염기서열은Paenibacillus 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 각각99.088%, 98.100%, 97.811%, 97.320%, 97.257%, 97.187%, 97.046%, 97.033%, 96.695%
의상동성을보였다
.
따라서균주HX-1
은Paenibacillus
속(genus)
에속하는하나의종(species)
으로판단된다.
최종해 석된1,432 bp
의16S rRNA
유전자염기서열은GenBank
에JX853820
으로등록하였다.
균주
HX-1
의16S rRNA
유전자 염기서열을 토대로phylogenetic tree
를제작하여상동성이높은표준균주들과 의 계통발생적 연관관계를 조사하였다. PHYLIP suit program
의NJ method
를이용한phylogenetic tree
제작결 과, HX-1
은P. barcinonensis [20]
와 같은branch
를 형성(bootstrap value = 100%)
하여계통발생적연관관계가가장 높은 것으로관찰되었다(Fig. 1B).
그외P. taichungensis BCRC 17757
T, P. pabuli JCM 9074
T, P. xylanilyticus
XIL14
T 등과도높은계통발생적연관관계를보였다.
따라서16S rRNA gene sequence
와phylogenetic tree
를이용한계 통발생적 연관관계분석 결과로부터 균주HX-1
은P.
barcinonensis BP-23
T와동일한균주이거나아종일것으로 판단하였다.
Phenotypic and chemotaxonomic characteristics
균주
HX-1
은그람염색법을통하여그람양성균으로관찰되었고
, LB
및TNX
고체배지에서2
일간배양하였을때 콜로니는표면이부드럽고옅은노란색을띄었다.
균주HX- 1
은20-45
oC
사이에서성장이가능하며35-40
oC
사이에서가 장활발한성장이관찰되었다.
성장을위하여Na
+ion
을필요로하지않지만
1%
의NaCl
이포함된배지에서가장활발하게성장하고
, 5%
이상의NaCl
농도에서는성장이저해되었다
.
또한pH 5.0
부터11.0
까지의넓은pH
조건에서성장 하는특성을보였다.
중성(pH 6.0-8.0)
에서빠른성장이관찰되었고
,
특히pH 7.0
의조건에서가장활발한성장을보였다
.
균주
HX-1
의유전체DNA G+C
함량은49.79%
이고주요respiratory quinone
은MK-7
으로분석되었다.
현재까지의 보고에의하면, Paenibacillus
속은DNA G+C
함량이39- 54%
정도이고,
주요respiratory quinone
으로MK-7
을포함하고있는것으로알려져있는데
,
균주HX-1
도이러한결과와일치함을확인할수있었다
.
또한HX-1
에서발견된주요 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 은Paenibacillus
속의종들에게서일반적으로발견되는주 요지방산들의 범주에속한다.
따라서균주HX-1
의DNA G+C content, respiratory quinone,
지방산등의분석결과 로부터Paenibacillus
속에속할것으로판단된다.
하지만
,
균주HX-1
의G+C
함량(49.79%)
은계통발생적연 관관계가가장 높은P. barcinonensis BP-23
T의G+C
함량(45.0%)
과비교하여상당히높은수치이다.
또한Table 1
에 제시한결과와같이균주HX-1
과P. barcinonensis BP-23
TFig. 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
oC 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.
는
5
oC
에서의 성장과nitrate reduction
활성 및 β- galactosidase, urease, trypsin, N-acetyl-
β-glucosaminase
등의 효소생산 그리고D-arabinose, melezitose, starch, glycogen, gluconate
의발효능력등많은특성에서차이를보이고있다
.
따라서본연구를통해서분류된균주HX-1
은P. barcinonensis BP-23
T와높은16S rRNA gene sequence
의 유사성으로동일한종일가능성이있으나,
많은유전적,
생 리적,
화학적특성의차이로부터다른아종으로판단된다.
계 통발생적연관관계가높은6
종의군주들과의형태적-
생리적특성에관한비교를
Table 1
에나타내었다.
Medium optimization for xylanase production from strain HX-1
자일라네이즈생산촉진을위한배지의최적질소원을결 정하기위해
, bacto tryptone, bacto peptone, meat extract, soytone
등이각각포함된기본배지에균주HX-1
을배양하 여생산되는자일라네이즈활성을관찰하였다.
그결과bacto peptone, meat extract, soytone
등으로질소원이대체된배Table 1. Phenotypic characteristics of strain HX-1 and phylogenetically related type strains of genus Paenibacillus.
Characteristic Strain HX-1
P.
taichungensis BCRC 17757
TP. babuli JCM 9074
TP.
amylolyticus NRRL NRS-290
TP.
barcinonensis BP-23
TP.
illinoisensis NRRL NRS-1356
TP.
xylanilyticus XIL14
TNitrate reduction + − − + − + −
Growth at:
5
oC − + + + + − +
45
oC + − − − − + +
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.
지의배양액에서는자일라네이즈활성이거의관찰되지않 는반면
, bacto tryptone
이첨가된배양액에서는높은자일 라네이즈활성(OD
540= 0.198)
이관찰되었다(Fig. 2A).
이러 한결과에기초하여, bacto tryptone
을최적의단일질소원 으로선택하였다.
다음으로배지의최적탄소원을결정하기 위해, bacto tryptone
을질소원으로사용하고,
탄소원으로는beechwood
자일란, xylose, maltose, glucose, lactose, sucrose, fructose, carboxylmethylcellulose (CMC)
등을각각첨가한 액체배지에HX-1
을배양하여배양액에생산되는자일라네 이즈활성을측정하였다.
그결과, beechwood
자일란과CMC
가첨가된배지의배양액에서높은자일라네이즈활성이관 찰되었고,
그외의다른탄소원들이첨가된배지의배양액에 서는 효소활성이 거의 관찰되지 않았다(Fig. 2B).
특히, Beechwood
자일란이첨가된배지의경우, CMC
가포함된배지보다배양기간동안계속해서최대약
1.3
배정도의높은 자일라네이즈활성이관찰되어단일탄소원으로자일란을 선택하였다.
선택된beechwood
자일란의최적농도를결정 하기위해서, beechwood
자일란을0.1-1.0%(0.1%
간격)
농도로포함하는배지에균주
HX-1
을배양하고,
배양액으로부터 생산된 자일라네이즈 활성을 측정하였다
(Fig. 2C).
Beechwood
자일란의농도가최종농도0.7%
일때가장높 은효소활성이관찰되었는데,
이값은기본배지의약1.6
배 에해당한다.
따라서 본실험을 통하여 질소원으로는1%
bacto tryptone
과탄소원으로는0.7% beechwood
자일란이 선택되었다.
이러한결과HX-1
의자일라네이즈생산을위해 최적화된배지는TNX
로명명되었고, TNX
배지는1% bacto tryptone, 0.7% beechwood
자일란, 1% NaCl
을포함하며, 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
oC 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
oC 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.
Cellular growth and xylanase production of strain HX-1
균주
HX-1
은TNX
액체배지에서진탕배양하였을때, LB
액체배지에서진탕배양한경우에비해약1.9
배정도의높 은세포성장률을보였다(Fig. 2D). LB
액체배지의경우배 양1
일째가장높은세포성장(OD
600= 0.316)
을보이고배양5
일째까지천천히감소하는반면, TNX
액체배지에서는배양
2
일째가장높은성장(OD
600= 0.588)
을보인후배양3
일 째(OD
600= 0.305)
급격히감소하였다. LB
액체배지에서의 자일라네이즈활성은배양기간내내낮게(
최대27.61 unit/
ml)
관찰된반면, TNX
액체배지에서는자일라네이즈활성이배양
2
일째급격히증가하여배양4
일째최대활성(205.17 unit/ml)
이관찰된후배양5
일째는감소하였다(Fig. 3).
이 와같은배지성분의최적화를통해서균주HX-1
의세포성 장의증가는물론자일라네이즈생산이약7.4
배증가된것 으로측정되었다.
이러한결과로부터, HX-1
균주의자일라 네이즈생산이배지에첨가한탄소원인자일란에의해서발 현이유도되고있는것으로추측된다.
최근, Zheng
등[27]
은Paenbacillus campinasensis BL11
과G1-1
균주를합성배지(0.5% NaNO
3, 0.3% K
2HPO
4, 0.03% MgSO
4·7H
2O, 0.002%
MnSO
4, 0.002% FeSO4
·7H
2O, 0.002% CaCl
2·2H
2O, 0.5%
자일란; pH 7.0)
에서배양했을때,
각각10.5 unit/ml
와143.98 unit/ml
의자일라네이즈를생산할수있음을보고하였다
.
이에비해TNX
배지는아주간단한배지조성성분만을갖는다는장점이있으며
, HX-1
균주의자일라네이즈생산성도월등하게높은것으로판단되었다
.
따라서,
본연구에서최적화된
TNX
배지에포함된성분이외의다른성분(metal ion
및유기산등)
들의효과에대한추가연구가진행된다면
,
본연구를통해분리한HX-1
균주로부터보다높은자일라네이즈생산을유도할수있을것으로기대된다
.
Enzymatic properties of extracellular xylanase produced by strain HX-1균주
HX-1
이세포외부로분비·생산하는자일라네이즈는
pH 7.0-8.0
의중성pH
조건에서높은활성을띄고,
특히20 mM Tris-Cl (pH 7.0)
완충액에서가장높은활성을나타 냈다(Fig. 3A).
이러한반응 조건은P. campinasensis G-1 [27]
의XynG1-1 (pH 7.5)
과Paenibacillus sp. 12-11 [26]
의Xyn7c (pH 8.0)
보다는낮은pH
이지만, P. curdlanolyticus B-6 [19]
의Xyl10A (pH 7.0)
와P. campinasensis BL11 [13]
의XylX (pH 7.0)
등과는 비슷한결과이다.
다양한반 응온도에서의자일라네이즈활성측정결과, 45
oC
에서최 대활성이관찰되었고50
oC
에서도비교적높은 활성(
최대 활성의약90%)
이유지되었다(Fig. 3B).
이러한최적반응온 도는 기존에 연구된P. campinasensis G-1
의XynG1-1 (60
oC), Paenibacillus sp. 12-11
의Xyln7c (55
oC),
그리고P. curdlanolyticus B-6
의Xyl10A (60
oC)
등과비교하여낮 은온도이다.
균주
HX-1
자일라네이즈에의한자일란분해산물을TLC
로분석한결과
,
본HX-1
자일라네이즈는xylobiose
를주요한최 종산물로생산하는전형적인endo-
β-1,4-xylanase
의일종으로 판단되었다(Fig. 4). Xylobiose
를포함하는xylooligosaccharide
는항산화활성,
항박테리아활성, prebiotic
활성등다양한 생리적활성이보고되어,
식품첨가제,
사료첨가제,
제약및화장품산업등에널리사용될수있다