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Production and Characterization of α-Galactosidases from Two Bacillus licheniformis Isolates

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Bacillus licheniformis 분리균 2종의 α-Galactosidase 생산성과 효소특성

진현경, 윤기홍*

우송대학교바이오식품과학전공

Received: June 1, 2015 / Revised: June 29, 2015 / Accepted: June 29, 2015

서 론

α

-Galactosidase

galactose

잔기를 함유한

melibiose, raffinose

stachyose

같은 α

-

갈락토올리고당

(

α

-GOS)

비환원성 말단이나

galactomannan (guar gum, locust bean gum)

다당류에서 측쇄로 존재하는α

-1,6

결합의

D-

galactosyl

잔기를가수분해할아니라당단백질과당지질

가수분해에도관여하는

exo-glycosidase

이며

[13],

기질의 농도가높을때는전이반응도촉매한다

[20, 27, 30].

아미 노산 배열의 상동성에 따라 α

-galactosidase

glycosyl hydrolase (GH) family 4, 27, 32, 36, 57, 97, 110

속하는 것으로알려져있으며진핵세포생물유래의효소는대개

GH 27

그리고원핵세포생물의효소는대부분

GH 36

속한다

.

또한 α

-galactosidase

기질특이성이달라

2

종류로구분 되는데하나는저중합도의올리고당이나

galactomann

유래 단쇄단편과같은저분자량의기질에만작용하고

[2],

하나는저분자기질뿐아니라

galactomannan

다당류를

가수분해하는활성이있다

[18].

α

-Galactosidase

산업적활용성이높으며제당

,

식품가

,

사료 효율개선

,

펄프 가공 분야 뿐만 아니라 의약

prebiotic

생산분야에서도관심이증대되고있는효소이다

.

대두를 비롯한 콩은 단백질

,

식이섬유

,

미량영양소와

phytochemical

함유하고있어영양이우수하며대두는

단백질성분의

50%

이상을차지하고있다

.

인간과단위

동물들은소화기관내에 α

-galactosidase

결핍되어있어 함유된α

-GOS

소장에서소화되지못하고대장에존재 하는미생물에의해발효되어이산화탄소

,

수소와메탄가스 발생되며이는고창증을비롯한소화기장관의장애를 으키는원인이되므로이를방지하기위해α

-galactosidase

소화용효소로 사용되고 있다

[13].

또한 대두사료에는

raffinose

stachyose

함께

galactomannan

다당류가

Production and Characterization of α-Galactosidases from Two Bacillus licheniformis Isolates

Hyun Kyung Jin and Ki-Hong Yoon*

Food Science & Biotechnology Major, Woosong University, Daejeon 300-718, Republic of Korea

Two bacterial strains, Bacillus licheniformis YB-1413 and YB-1414, producing extracellular α-galactosidase, were obtained from homemade Doenjang. On the basis of their biochemical properties, 16S rRNA sequences and random amplified poly- morphic DNA patterns by polymerase chain reaction, they were found to be somewhat different from one another. α-Galac- tosidase productivities of the two isolates were increased by wheat bran, but drastically decreased by melibiose, raffinose and sucrose which were used as carbon sources. The enzyme productivities were increased by yeast extract as a nitrogen source with maximum levels of 1.87 U/ml for YB-1413 and 1.69 U/ml for YB-1414, respectively. The enzymes of both iso- lates exhibited maximum activity for hydrolysis of para-nitrophenyl- α-

D-

galactopyranoside (pNP- αGal) under reaction con- ditions of pH 6.0 and 45

o

C. Their hydrolyzing activities for pNP- αGal were drastically decreased by the addition of low concentrations of ribose and galactose. They were capable of hydrolyzing completely α-1,6 linked galactosyl residue in melibiose, raffinose and stachyose, which are known to be anti-nutritional factors in products of soybean and legume. In relation to the latter, the isolates YB-1413 and YB-1414 have potential applicability in improving soybean-fermented foods and the nutritional value of soybean feed.

Keywords: Bacillus licheniformis, α-galactosidase, productivity, property

*Corresponding author

Tel: +82-42-630-9742, Fax: 82-42-636-2676 E-mail: [email protected]

© 2015, The Korean Society for Microbiology and Biotechnology

(2)

함유되어있어가축의장관내소화물의점도를높이고 영양분에대한소장내소화효소의작용을감소시켜사료 이용효율도저하되며가축배설물의수분함유량도높아 사육환경의위생에문제가된다

.

그러므로α

-galactosidase

α

-GOS

가수분해하며

,

동시에

mannanase

함께작용

하여

galactomannan

가수분해함으로써가축의사료이용

능을높이는사료첨가용효소로유용성이높다

[16].

제당산

업에서도α

-galactosidase

사용하여사탕무우당밀에축적

raffinose

분해할경우

raffinose

의한

sucrose

결정화

저해 현상을 개선함과 동시에

raffinose

로부터 생성된

sucrose

동시에회수할있는장점이있다

[7].

또한대부 분의펄프는

galactomannan

함유량이

15

20%

연질목 으로제조되는데리그닌은반섬유소와결합되어있으므로

mannanase

α

-galactosidase

반섬유소의 주성분인

galactomannan

가수분해하여리그닌을제거함으로써

환경적인표백과정을수행할있다

[5].

인간의리소좀내 α

-galactosidase A

결핍으로인하여

glycosphingolipid

체내기관에축적되어치사에이르게 선천성 대사질환인 패브리병의 효소 치료요법에 α

- galactosidase

사용되며

[3], B

혈액형의적혈구세포에서 α

-1,3

결합의

galactose

잔기를제거하여

O

형으로전환시키 α

-galactosidase

활성도보고되었다

[24].

한편

Geobacillus stearothermophilus [19], Bifidobacterium breve [30]

Lactobacillus reuteri [27]

유래α

-galactosidases

전이 활성을이용하여신규올리고당이합성되었다

.

α

-Galactosidase

상업적생산균으로는

Aspergillus niger

주로사용되며

,

동물

,

식물과미생물의다양한생물체 래의α

-galactosidase

대한연구가활발히진행되고있다

.

특히

Aspergillus [6, 11], Rhizomucor [13], Neosartorya [26]

속의중온성또는고온성곰팡이

, Saccharomyces

Hansenula [8]

Debaryomyces [25]

속의 효모

, Bifidobacterium [30], Lactobacillus [1, 22, 27, 29], Bacillus [2, 17, 21, 28], Geobacillus [9, 10, 19], Paenibacillus [20], Streptomyces [4]

Sphingomonas [31]

속의세균을포함한여러종류미생물 α

-galactosidase

대해효소와유전자의특성효소의 활용과생산조건확립에관한연구결과가다수보고되었다

.

연구에서는된장발효균을탄소원과질소원으로대두분 함유한배지에서증균배양한α

-galactosidase

생산성 우수한균주를분리하고효소생산성과효소반응특성을 조사하였다

.

재료 및 방법

α-Galactosidase 생산균의 탐색 및 동정

β

-Galactosidase

분비생산하는

Bacillus licheniformis

YB-1414

분리할때와동일하게

Spizizen

최소배지

[23]

탄소원인포도당과

sodium citrate

질소원인

ammonium sulfate

대신에대두분

(1%)

첨가된변형배지에서된장과

발효균을증균하여여러종류의

Bacillus

균주를분리하

였다

[12].

분리균을

LB

액체배지에서

24

시간동안진탕 양한배양상등액을회수하여

1 mM para-nitrophenyl-

α

- D-galactopyranoside (pNP-

α

Gal; Sigma, USA)

포함한

20 mM sodium phosphate

완충액

(pH 6.0)

첨가하고

45

o

C

에서

3

시간동안방치한반응액의색깔을관찰함으

로써α

-galactosidase

활성을갖는균을탐색하였다

.

분리균 동정을위해서는

API 20E

API 50CHB (Biomereux

, France) kits

사용하여생화학적인특성을조사하고

, 16S rRNA

유전자의보존적지역의염기서열을갖는

oligonucleotides

primers

사용하여증폭된중합효소연쇄반응

(PCR)

물을정제하여

16S rRNA

염기서열을분석하였다

.

α-Galactosidase 조효소액 제조

분리균

B. licheniformis YB-1413

YB-1414

효소 산에적합한배지에서

36

시간배양한원심분리하여 배양상등액을

ammonium sulfate (25

75%)

처리하고 침전된단백질을

10 mM sodium phosphate

완충액

(pH 6.0)

현탁하여동일완충액으로투석한조효소액으로사용 하였다

.

α-Galactosidase 반응특성 분석

α

-Galactosidase

활성을결정하기위해서는

1 mM pNP-

α

Gal

50 mM sodium phosphate

완충액

(pH 6.0)

포함 반응액에효소를첨가하여

50

o

C

에서

10

분간반응시킨 반응액의

2

부피의

1 M Na

2

CO

3 용액을첨가하여반응을 종결시키고

405 nm

에서흡광도를측정하였다

. para-Nitrophenol

(pNP)

표준물질로하여얻은검량곡선을사용하여효소

반응에의해생성된

pNP

양을결정하였으며효소의활성

1 unit

1

동안

1

μ

mol

pNP

유리시키는효소량 으로정의하였다

.

효소활성에미치는반응온도와

pH

향을조사하기위하여

30

55

o

C

pH 5.0

8.0

범위에서 α

-galactosidase

활성을측정하였다

.

안정성을조사하 위하여조효소액을서로다른온도에서

30

분과

60

분간 방치한잔존활성을측정하였다

.

α

-Galactosidase

최종가수분해산물을조사하기위해기질

(1%)

과량의 조효소액을포함한반응액을

40

o

C

에서

5

시간동안반응시킨 반응액을열처리하여상등액을취해

chloroform, acetic

acid

증류수

(4.3

:

5

:

0.7, (v/v))

혼합용액을전개용액으로 하여

silica gel-precoated thin layer plate (Merck, Gemany)

에서박층크로마토그래피를수행하였다

.

전개된물질을 색시키기위해서는

9 ml ethanol, 0.5 ml p-anisaldehyde,

(3)

0.5 ml sulfuric acid

glacial acetic acid

방울을혼합한 발색제용액을뿌린

, 120

o

C

에서

10

분간방치하였다

.

가당이효소활성에미치는영향을분석하기위하여기질로

pNP-

α

Gal (1 mM)

포함한반응액에당의종류와첨가농 도를달리한상태에서α

-galactosidase

활성을측정하였다

.

임의증폭 DNA 다형성(RAPD-PCR)

Bacterial genomic prep kit (Solgent, Korea)

사용하여 분리균

YB-1413

YB-1414

로부터유전체

DNA

분리 하여주형

DNA

사용하였다

. Primers

10 nucleotides

구성된

oligonucleotides

사용하였으며

,

분리균 유전체

DNA (50 ng)

종류의

primer (50 pmol)

포함한반응 액의 부피를

50

μ

l

조절하여

Taq DNA polymerase

PCR

반응을실시하였다

. PCR

반응조건은

95

o

C

에서

5

분간 변성한

, 95

o

C

에서

15

, 30

o

C

에서

1

, 72

o

C

에서

30

응의과정을

35

반복하였고

,

최종적으로

72

o

C

에서

8

분간 반응을수행하였다

.

반응산물은

1.2% agarose gel

에서전기 영동을수행하고이를

ethidium bromide

염색하여관찰 하였다

.

결과 및 고찰

α-Galactosidase 생산균의 분리와 특성

가정에서수집된된장을탄소원과질소원으로대두분을 가한최소배지에접종하여증균배양한분리된된장 효균중에서β

-galactosidase

균체외로분비생산하는

B.

licheniformis YB-1414

분리된있다

[12].

동일한조건 에서 분리 배양된 된장 분리균의배양상등액을 사용하여

pNP-

α

Gal

분해하는α

-galactosidase

활성을조사한결과

β

-galactosidase

생산균보다는적게발견되었지만일부 주가α

-galactosidase

생산하는것으로확인되었다

.

이들

YB-1413

YB-1414

α

-galactosidase

생산성이우수 하였는데

, YB-1413

YB-1414

같이β

-galactosidase

시에균체외로분비생산하였다

.

분리균

YB-1414

이미

B. licheniformis

확인되었으므

API 50CHB

20E kit

사용하여새롭게분리된

YB-

1413

이용성과생화학적특성을조사하고이를

YB-

1414

비교한결과

lactose

이용성을제외한모든특성이 서로일치하였다

.

또한

YB-1413

16S rRNA

염기서열도

(Genbank accession No. KM660626) YB-1414

동일하였 으며

YB-1413

YB-1414

같이

B. licheniformis

가장 유사성이높은것으로확인되었다

.

그리고균주는고분자 물질의분해능도동일하여단백질

,

전분과섬유소분해활성

보였고

xylan

분해능은없었다

.

이와같이균주는

lactose

이용성을제외하고는특성이완전히동일하였

으므로이들균주가서로다른균주인지를 확인하기위해

RAPD-PCR

수행하여유전체의유사성을비교하였다

.

Table 1. Nucleotide sequence of the oligonucleotides used as primers.

Primers Nucleotide sequence Length (nucleotides)

RAPD-7 5'-GAAACGGGTG-3' 10

RAPD-9 5'-CTGAGACGGA-3' 10

RAPD-10 5'-GTTTCGCTCC-3' 10

RAPD-12 5'-TGACGCGCTC-3' 10

RAPD-13 5'-CCCGCCGTTG-3' 10

RAPD-14 5'-TACGATGACG-3' 10

Fig. 1. Genomic comparison between YB-1413 and YB-1414 according to RAPD-PCR products. Six kinds of oligonucleotides includ-

ing RAPD-7, RAPD-9, RAPD-10, RAPD-12, RAPD-13, and RAPD-14 were used as primers for PAPD-PCR, respectively. Lanes 1, 3, 5,

7, 9 and 11 are corresponding to B. licheniformis YB-1413, and lanes 2, 4, 6, 8, 10 and 12 are to YB-1414.

(4)

크기가

10 nucleotides

구성되고염기서열이다른

6

류의

oligonucleotides (Table 1)

primers

각각사용하여

RAPD-PCR

수행한

PCR

산물을

agarose gel

전기영동 으로 분석한결과

0.3

2.5 kb

범위에속하는 여러종류의

DNA

단편이관찰되었다

(Fig. 1). Primers RAPD-7, 10, 12, 13

14

의한증폭산물은균주간에서로일치하였으며

primer RAPD-9

의해서도동일한크기의

DNA

단편들이 증폭되었으나

, YB-1413

에서는증폭되지않은

0.7 kb DNA

단편이

YB-1414

에서특이적으로관찰되었다

.

따라서이들

균주는유사성이매우높지만동일한균은아니라는 실이확인되었다

.

한편된장을증균하지않고직접분리한 균주중에서α

-galactosidase

생산하는것으로보고된

B.

licheniformis YB-42

16S rRNA (AJ582722)

YB-1413

과는

8

염기서열에차이가있었다

[14].

B. licheniformis YB-1413과 YB-1414의 α-galactosidase 생산성

분리균

B. licheniformis YB-1413

YB-1414

성장과 효소생산성과의관계를조사하기위해

LB

액체배지에서 배양하면서일정시간마다배양액을채취하여

600 nm

흡광도와배양상등액에존재하는α

-galactosidase

활성 측정하였다

. YB-1413

YB-1414

최대성장도에이르 배양시간이유사하였으나

, YB-1414

와는달리

YB-1413

최대성장도에이른빠르게사멸기로접어들었다

(Fig.

2).

α

-Galactosidase

생산은균주가모두최대성장에 이르렀을때부터시작하여사멸기에도달한후에도지속적 으로증가하였으며

, YB-1413

38

시간이되었을

1.2 U/

ml

최대에이른배양상등액에존재하는효소활성이

약하게감소한반면에

YB-1414

배양시간이

42

시간이

었을효소생산성이

0.99 U/ml

최대에이르렀다

.

일반적으로효소의생산성은배지의탄소원과질소원에 영향을받으므로분리균의α

-galactosidase

생산에적합 배지성분을조사하기위해

potassium phosphate (0.01%)

magnesium sulfate (0.1%)

기본성분으로하고탄소원 질소원을달리하여분리균의효소생산성을비교하였다

.

질소원으로

peptone (0.5%)

함유하는배지에서로다른

소원을

0.5%

되도록각각첨가한상태에서분리균을접종

Fig. 2. Growth and α-galactosidase production of two B.

licheniformis isolates. B. licheniformis YB-1413 (closed sym- bols) and YB-1414 (open symbols) were grown at 37

o

C in LB medium. The cell growths (circles) were determined by measuring absorbance of the cell culture at wavelength of 600 nm. α-Galac- tosidase activities (triangles) were determined with the culture fil- trate. The curve for α-galactosidase production represents the average of three independent experiments within standard errors of 1.5% between them.

Table 2. Effects of additional carbon sources on the

α

-galactosidase production from B. licheniformis YB-1413 and YB-1414.

Additional carbon sources (0.5%)

α

-Galactosidase productivity (U/ml) Amount (%) of wheat bran

α

-Galactosidase productivity (U/ml)

YB-1413 YB-1414 YB-1413 YB-1414

None 0.21 ± 0.01 0.17 ± 0.01 None 0.22 ± 0.01 0.19 ± 0.01

Glucose 0.03 ± 0.01 0.17 ± 0.01 0.3 0.31 ± 0.01 0.23 ± 0.01

Sucrose 0.00 ± 0.00 0.00 ± 0.00 0.5 0.26 ± 0.01 0.22 ± 0.01

Lactose 0.24 ± 0.01 0.21 ± 0.01 0.7 0.29 ± 0.01 0.23 ± 0.01

Galactose 0.26 ± 0.01 0.24 ± 0.01 1.0 0.24 ± 0.01 0.19 ± 0.01

Arabinose 0.01 ± 0.00 0.06 ± 0.00 1.5 0.31 ± 0.01 0.15 ± 0.01

Melibiose 0.02 ± 0.00 0.12 ± 0.01 2.0 <0.01 ± 0.00 0.17 ± 0.01

Raffinose 0.01 ± 0.00 <0.01 ± 0.00 2.5 <0.01 ± 0.00 0.17 ± 0.01

Locust bean gum 0.31 ± 0.01 0.28 ± 0.01 3.0 <0.01 ± 0.00 0.15 ± 0.01

Guar gum 0.22 ± 0.01 0.24 ± 0.01

Wheat bran 0.30 ± 0.01 0.30 ± 0.01

Rice bran 0.26 ± 0.01 0.23 ± 0.01

(5)

하여

37

o

C

에서

36

시간동안진탕배양한배양상등액의 효소활성을측정한결과

Table 2

보인바와같이

wheat bran

비롯하여

rice bran, locust bean gum (LBG)

또는

galactose

첨가한배지에서효소생산성이증가되었으며

sucrose, raffinose, melibiose, arabinose

첨가한배지에서 탄소원을첨가하지않은배지보다균주가모두효소 생산성이크게감소하였다

.

또한

glucose

첨가된배지에서

YB-1414

경우 효소생산성에 변화가없었으나

, YB-

1413

효소생산성이크게감소하였다

.

한편배지에

raffinose

첨가하였을

L. reuteri [1], L. plantarum [22], B.

halodurans [2]

α

-galactosidase

생산성은 증가하며

, L.

curvatus [29]

α

-galactosidase

raffinose

아니라

melibiose

galactose

의해서도생산이유도되는것으로보고되었

.

또한

Bacillus sp. JF2

균체내 α

-galactosidase

melibiose

의해서는생산성이증가되었으나

, sucrose

해서는감소하였으며

[17]

이러한현상은

L. curvatus

에서도 확인되었는데분리균도

sucrose

첨가배지에서는효소가 생산되지않았다

. Debaryomyces hansenii [25]

galactose

의해효소생산성이증가된다고보고되었다

.

따라서다수 미생물에서 α

-galactosidase

생산성이

raffinose, melibiose

또는

galactose

의해증가되었다는결과와비교 보면분리균의경우

galactose

의해서효소생산성이 가하는현상은일치하지만

raffinose

melibiose

의해서 급격하게감소되는특이한현상을보였다

.

탄소원으로

LBG

wheat bran

첨가한배지에서 주는모두효소생산성이가장크게증가하였는데

LBG

보다

값싼

wheat bran

배지성분으로이용하는것이경제성

면에서유리하다고판단되어

wheat bran

농도를달리한 배지에서효소 생산성을조사하였다

.

결과

YB-1413

wheat bran

첨가량이

1.5%

이하일때는효소생산성이 가하였으나

, 2.0%

이상첨가한상태에서는효소생산성이 격하게저하되어배양상등액에서효소활성이매우미약한 수준으로 관찰되었다

. YB-1414

wheat bran

첨가량이

0.7%

효소생산성이최대로증가하였으며

1%

이상

wheat bran

첨가되었을때는효소생산성이약간감소

하는경향을보였으나

YB-1413

과는달리

2.0%

이상에서도 일정한수준을유지하였다

.

한편

YB-1413

wheat bran

첨가량이

0.3%

1.5%

α

-galactosidase

생산성이최대 이고

, YB-1414

0.3%

0.7%

최대로나타났는데

, YB- 1413

β

-galactosidase

생산성은

wheat bran

첨가량이

0.3%

보다

1.5%

1.8

높으며

(

결과 미제시

) YB-1414

β

-galactosidase

생산성도

0.3%

0.7%

1.66

높았다

[12].

α

-Galactosidase

아니라 β

-galactosidase

생산에도 적합하도록

wheat bran

첨가량을

1.5% (YB-1413)

0.7%

(YB-1414)

각각고정하고유기질소원

(0.5%)

종류를 리한배지에서균주의효소생산성을조사하였을

yeast

extract

첨가된배지에서효소생산성이가장우수하였으

, tryptone, pepton

이나

casein hydrolyzate

첨가된

지에서도 균주의 효소 생산성이 높았다

.

그러나

corn

steep powder

함유된배지에서는효소가거의생산되지

않았으며

, soytone

첨가배지에서는

YB-1414

와는달리

YB- 1413

효소생산성이저조하였다

(Table 3). Yeast extract

첨가하였을가장효소생산성이높았으므로이를

3%

이하로달리배지에첨가하여배양한결과

yeast extract

첨가량이많아질수록α

-galactosidase

생산성이증가하였으

YB-1413

2.5%

에서

1.87 U/ml, YB-1414

3.0%

에서

1.69 U/ml

최대생산성을보였는데

YB-1414

경우

yeast

extract

첨가량이

3%

초과하도록하였을때는효소

산성이증가할것으로예측된다

.

L. reuteri

질소원으로

yeast extract

사용하였을 생산성이

10.55 U/ml

증가하였으며

[1], L. curvatus

raffinose

유일탄소원으로사용하였을

40 U/ml [29], B.

stearothermophilus

대두분을탄소원으로사용하였을

2.0 U/ml [10], B. megaterium

최적배양조건에서

1.9 U/

ml [21]

생산성을보이는것으로각각보고되었으며된장

에서분리된

B. licheniformis YB-42

LB

배지에서

0.7 U/

ml

확인된있다

[15].

또한

A. fumigatus

효소유전자

Table 3. Effects of additional nitrogen sources on the α-galactosidase production from B. licheniformis YB-1413 and YB-1414.

Additional nitrogen sources (0.5%)

α

-Galactosidase productivity (U/ml) Amount (%) of yeast extract

α

-Galactosidase productivity (U/ml)

YB-1413 YB-1414 YB-1413 YB-1414

None <0.01 ± 0.00 0.01 ± 0.00 0.5 0.26 ± 0.01 0.33 ± 0.01

Corn steep powder 0.00 ± 0.00 0.00 ± 0.00 0.8 0.28 ± 0.01 0.35 ± 0.01

Soytone 0.14 ± 0.01 0.27 ± 0.01 1.0 0.54 ± 0.02 0.43 ± 0.01

Yeast extract 0.33 ± 0.01 0.35 ± 0.01 1.5 0.70 ± 0.02 0.72 ± 0.02

Tryptone 0.28 ± 0.01 0.30 ± 0.01 2.0 1.50 ± 0.02 1.23 ± 0.03

Peptone 0.24 ± 0.01 0.31 ± 0.01 2.5 1.87 ± 0.03 1.54 ± 0.03

Casein hydrolyzate 0.23 ± 0.01 0.29 ± 0.01 3.0 1.66 ± 0.02 1.69 ± 0.03

(6)

A. sojae

도입하거나

[11], Neosartorya fischeri [26]

효소유전자를

Pichia pastoris

도입한재조합숙주균을 용하여α

-galactosidase

생산하였다

.

α-Galactosidase의 반응특성

배양상등액을

ammonium sulfate (25

75%)

처리하여제조 조효소액을사용하여반응조건에따른α

-galactosidase

성을측정한결과

YB-1413

YB-1414

효소는모두

pH 6.0

45

o

C

에서최대활성을나타냈으며

, pH 5.5

6.5

범위에 서는최대활성의

90%

이상수준으로활성을유지하였다

(Fig.

3).

최적반응온도는동일하지만

50

o

C

에서는

YB-1414

YB-1413

효소활성이 높았다

. B. stearothermophilus NCIM 5146

효소는

pH 6.5

7.0

65

o

C [9], B. megaterium

효소는

pH 7.5

55

o

C [21], Rhizomucor miehei

효소

pH 4.5

60

o

C [13], B. licheniformis YB-42

효소는

pH 6.5

45

o

C [14], Paenibacillus sp. LX-20

효소는

pH 6.0-6.5

45

o

C [20], Sphingomonas sp. JB13

효소는

pH 5.0

60

o

C [31], N. fischeri

효소는

pH 4.5

60

70

o

C [26], Streptomyces sp. S27 ACCC 41168

효소는

pH 7.4

35

o

C [4],

심해에서분리된

B. megaterium

효소는

pH 8.9-9.0

35

o

C [28]

에서각각최대활성을보이는것으로 고된 있으며 이들

Paenibacillus sp. LX-20

B.

licheniformis YB-42

효소가분리균

YB-1413

YB-1414

효소와최적반응조건이가장유사하였다

.

30

50

o

C

범위의온도에서조효소액을

30

분과

60

동안 각각열처리한잔존활성을조사한결과

YB-1414

효소

40

o

C

이하에서는

60

분간방치하여도안정하였으나

YB-

1413

효소는미약하게실활이일어나는것으로나타났다

Fig. 3. Effects of reaction temperature and pH on the α-galactosidase activity of YB-1413 (A) and YB-1414 (B). Temperature profile (triangles) was obtained by measuring the α-galactosidase activities at different temperatures and pH 6.0. The reactions were done at 45

o

C and various pHs for determining the pH profile (circles). Buffers used were as follows: sodium citrate (-●-), sodium phosphate (-○-). Each curve represents the average of three independent experiments within standard errors of 1.8% between them.

Fig. 4. Thermostabilities of the α-galactosidases in culture filtrates of YB-1413 (A) and YB-1414 (B). Thermostability was determined by measuring the residual activities of α-galactosidase after pre-incubations for 30 min (-●-) and 1 h (-○-) at the different temperatures.

Each curve represents the average of three independent experiments within standard errors of 2% between them.

(7)

(Fig. 4).

또한균주의효소는모두

45

o

C

에서

30

분간방치 하였을잔존활성이

60%

수준으로확인되었으며

, 50

o

C

에서

30

분간 방치한 후에는 대부분 실활되었다

.

한편

Sphingomonas sp. JB13

효소는

60

o

C

에서

60

이상

[31], B. megaterium VHM1

효소는

55

o

C

에서

120

[21], B.

stearothermophilus NCIM 5146

효소는

70

o

C

에서

30

[9]

반감기를각각보였고

, R. miehei

효소는

55

o

C

에서

30

분간열처리후에도

80%

잔존활성을

[13]

갖는것으로 분리균

YB-1413

YB-1414

α

-galactosidase

열안정 성이매우낮았다

.

α

-Galactosidase

의한가수분해산물을조사하기위해

melibiose, raffinose, stachyose

반응기질로하여효소 응을실시하고

TLC

분석한결과균주의효소는모두

galactose

glucose

간의α

-1.6

결합뿐만아니라

galactose

간의 α

-1.6

결합도완전히가수분해하여

melibiose

로부터는

galactose

glucose

, raffinose

stachyose

로부터는

sucrose

galactose

최종분해산물로각각생성하였다

(Fig. 5).

α-Galactosidase의 가수분해 활성에 미치는 당의 영향 α

-Galactosidase,

β

-galactosidase,

β

-glucosidase

β

- xylosidase

등을포함하는여러종류의

glycosidases

반응 산물이나이와유사한구조를갖는당에의해효소활성이 저해를받는것으로알려져있다

.

따라서당의종류와양이 α

-galactosidases

활성에미치는영향을조사하기위해

glucose, galactose, xylose, mannose

ribose

첨가농도를달리하 면서

pNP-

α

Gal

가수분해활성을측정하였다

.

결과

Fig.

6

보인바와같이균주의효소간에는당에의해활성의

저해를받는정도가차이를보이지는않았지만

, galactose

YB-1414

효소활성을약간저해한반면에나머지

(glucose, xylose, mannose, ribose)

YB-1413

효소 성을저해하는경향을보였다

.

특이하게도α

-galactosidase

의한가수분해산물인

galactose

보다오탄당인

ribose

첨가하였을

pNP-

α

Gal

활성이크게저해되어

ribose

첨가농도가

10 mM

잔존활성이

50%

인데비해

galactose

25 mM

첨가하였을때도잔존활성이

55%

상인 것으로 확인되었으며

, ribose, galactose, mannose, xylose, glucose

순서로효소활성을저해하였다

.

한편

D. hansenii

균체내 효소는

2 mM

galactose, melibiose

glucose

의해서도활성이저해되었으며

[25], B. licheniformis YB-42

효소는 분리균

YB-1413

YB- 1414

효소와유사하게

galactose, mannose, glucose

순서 저해를받는것으로보고되었다

[14].

그러나특이하게

R.

miehei

효소는

100 mM

galactose

존재하여도활성에

저해를받지않는것으로알려졌다

[13].

Fig. 5. Thin-layer chromatogram of the hydrolysis products of melibiose, raffinose and stachyose with the α-galactosidase of YB-1413 or YB-1414. Reactions were done using stachyose (lanes 1 and 2), raffinose (lanes 3 and 4) and melibiose (lanes 5 and 6) as substrates at 40

o

C for 5 h, respectively. Reaction prod- ucts were analyzed from reaction mixtures before (lane 1, 3 and 5) and after reaction (lane 2, 4 and 6). Authentic sugar abbrevia- tions are as follows: Suc, sucrose; Gal, galactose; Glc, glucose.

Fig. 6. Effects of sugars on the α-galactosidase activities of the culture filtrate by YB-1413 (A) and YB-1414 (B). The relative activity

was determined by measuring α-galactosidase activity of the culture filtrate for pNP-αGal (1.0 mM) in the presence of various concentra-

tions of each sugar including glucose (-○-), mannose (-▼-), xylose (-

-), and galactose (-●-), ribose (-□-), respectively. Each curve rep-

resents the average of three independent experiments within standard errors of 2% between them.

(8)

요 약

전통발효된장으로부터α

-galactosidase

분비생산하는 종류

Bacillus licheniformis

균주로

YB-1413

YB-

1414

분리하여이용능을비롯한생화학적특성

16S

rRNA

염기서열과중합효소연쇄반응에의한임의증폭

DNA

다형성의유전학적특성을비교한결과균주는매우 사하였지만동일균주는아닌것으로확인되었다

.

탄소원으

wheat bran

사용하였을 때는 균주의 α

-

galactosidase

생산성이증가하였으나

, melibiose, raffinose

또는

sucrose

효소생산성이급격하게감소하였다

.

질소원 으로

yeast extract

첨가된배지에서효소생산성이높았 으며

, YB-1413

1.87 U/ml, YB-1414

1.69 U/ml

효소 생산성을보였다

.

이들균주가생산하는α

-galactosidases

pH 6.0

45

o

C

에서모두최대활성을보였으며

,

낮은농도의

ribose

galalctose

의해서도효소활성이급격하게저해 되었다

.

한편이들효소는대두와콩과식품에존재하는항영 양인자인

raffinose

starchyose

완전히가수분해하였는

,

이로보아분리균

YB-1413

YB-1414

발효식품과 대두사료의영양가를개선하는데활용할가치가있다고 겨진다

.

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수치

Fig. 1. Genomic comparison between YB-1413 and YB-1414 according to RAPD-PCR products
Table 2. Effects of additional carbon sources on the  α -galactosidase production from  B
Fig. 4. Thermostabilities of the  α-galactosidases in culture filtrates of YB-1413 (A) and YB-1414 (B)
Fig. 6. Effects of sugars on the  α-galactosidase activities of the culture filtrate by YB-1413 (A) and YB-1414 (B)

참조

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