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
는galactose
잔기를 함유한melibiose, raffinose
및stachyose
와같은 α-
갈락토올리고당(
α-GOS)
의 비환원성 말단이나galactomannan (guar gum, locust bean gum)
다당류에서 측쇄로 존재하는α-1,6
결합의D-
galactosyl
잔기를가수분해할뿐아니라당단백질과당지질의가수분해에도관여하는
exo-glycosidase
이며[13],
기질의 농도가높을때는당전이반응도촉매한다[20, 27, 30].
아미 노산 배열의 상동성에 따라 α-galactosidase
는glycosyl hydrolase (GH) family 4, 27, 32, 36, 57, 97, 110
에속하는 것으로알려져있으며진핵세포생물유래의효소는대개GH 27
그리고원핵세포생물의효소는대부분GH 36
에속한다.
또한 α
-galactosidase
는그기질특이성이달라2
종류로구분 되는데하나는저중합도의올리고당이나galactomann
유래 의단쇄단편과같은저분자량의기질에만작용하고[2],
다른하나는저분자기질뿐아니라
galactomannan
다당류를가수분해하는활성이있다
[18].
α
-Galactosidase
는산업적활용성이높으며제당,
식품가 공,
사료 효율개선,
펄프 가공 분야 뿐만 아니라 의약 및prebiotic
생산분야에서도관심이증대되고있는효소이다.
대두를 비롯한 콩은 단백질
,
식이섬유,
미량영양소와phytochemical
을함유하고있어영양이우수하며대두는사료단백질성분의
50%
이상을차지하고있다.
인간과단위동물들은소화기관내에 α
-galactosidase
가결핍되어있어콩 에함유된α-GOS
가소장에서소화되지못하고대장에존재 하는미생물에의해발효되어이산화탄소,
수소와메탄가스 가발생되며이는고창증을비롯한소화기장관의장애를일 으키는원인이되므로이를방지하기위해α-galactosidase
는 소화용효소로 사용되고 있다
[13].
또한 대두사료에는raffinose
와stachyose
와함께galactomannan
다당류가다Production 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
oC. 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
량함유되어있어가축의장관내소화물의점도를높이고사 료영양분에대한소장내소화효소의작용을감소시켜사료 의이용효율도저하되며가축배설물의수분함유량도높아 사육환경의위생에문제가된다
.
그러므로α-galactosidase
는α-GOS
를가수분해하며,
동시에mannanase
와함께작용하여
galactomannan
을가수분해함으로써가축의사료이용능을높이는사료첨가용효소로유용성이높다
[16].
제당산업에서도α
-galactosidase
를사용하여사탕무우당밀에축적 된raffinose
를분해할경우raffinose
에의한sucrose
결정화저해 현상을 개선함과 동시에
raffinose
로부터 생성된sucrose
도동시에회수할수있는장점이있다[7].
또한대부 분의펄프는galactomannan
의함유량이15
−20%
인연질목 으로제조되는데리그닌은반섬유소와결합되어있으므로mannanase
와 α-galactosidase
로 반섬유소의 주성분인galactomannan
을가수분해하여리그닌을제거함으로써친환경적인표백과정을수행할수있다
[5].
인간의리소좀내 α
-galactosidase A
의결핍으로인하여glycosphingolipid
가체내기관에축적되어치사에이르게하 는 선천성 대사질환인 패브리병의 효소 치료요법에 α- galactosidase
가사용되며[3], B
혈액형의적혈구세포에서 α-1,3
결합의galactose
잔기를제거하여O
형으로전환시키 는α-galactosidase
의활성도보고되었다[24].
한편Geobacillus stearothermophilus [19], Bifidobacterium breve [30]
와Lactobacillus reuteri [27]
유래α-galactosidases
의당전이 활성을이용하여신규올리고당이합성되었다.
α
-Galactosidase
의상업적생산균으로는Aspergillus niger
가주로사용되며,
동물,
식물과미생물의다양한생물체유 래의α-galactosidase
에대한연구가활발히진행되고있다.
특히Aspergillus [6, 11], Rhizomucor [13], Neosartorya [26]
속의중온성또는고온성곰팡이
, Saccharomyces
와Hansenula [8]
및Debaryomyces [25]
속의 효모, Bifidobacterium [30], Lactobacillus [1, 22, 27, 29], Bacillus [2, 17, 21, 28], Geobacillus [9, 10, 19], Paenibacillus [20], Streptomyces [4]
와Sphingomonas [31]
속의세균을포함한여러종류미생물 의α-galactosidase
에대해효소와유전자의특성및효소의 활용과생산조건확립에관한연구결과가다수보고되었다.
본연구에서는된장발효균을탄소원과질소원으로대두분 을함유한배지에서증균배양한후α-galactosidase
생산성 이우수한균주를분리하고효소생산성과효소반응특성을 조사하였다.
재료 및 방법
α-Galactosidase 생산균의 탐색 및 동정
β
-Galactosidase
를분비생산하는Bacillus licheniformis
YB-1414
를분리할때와동일하게Spizizen
최소배지[23]
의 탄소원인포도당과sodium citrate
및질소원인ammonium sulfate
대신에대두분(1%)
이첨가된변형배지에서된장과발효균을증균하여여러종류의
Bacillus
속균주를분리하였다
[12].
분리균을LB
액체배지에서24
시간동안진탕배 양한후배양상등액을회수하여1 mM para-nitrophenyl-
α- D-galactopyranoside (pNP-
αGal; Sigma, USA)
를 포함한20 mM sodium phosphate
완충액(pH 6.0)
에 첨가하고45
oC
에서3
시간동안방치한후반응액의색깔을관찰함으로써α
-galactosidase
활성을갖는균을탐색하였다.
분리균 의동정을위해서는API 20E
와API 50CHB (Biomereux
사, France) kits
를사용하여생화학적인특성을조사하고, 16S rRNA
유전자의보존적지역의염기서열을갖는oligonucleotides
를primers
로사용하여증폭된중합효소연쇄반응(PCR)
산물을정제하여
16S rRNA
염기서열을분석하였다.
α-Galactosidase 조효소액 제조
분리균
B. licheniformis YB-1413
과YB-1414
를효소 생 산에적합한배지에서약36
시간배양한후원심분리하여얻 은배양상등액을ammonium sulfate (25
−75%)
로처리하고 침전된단백질을10 mM sodium phosphate
완충액(pH 6.0)
에현탁하여동일완충액으로투석한후조효소액으로사용 하였다.
α-Galactosidase 반응특성 분석
α
-Galactosidase
활성을결정하기위해서는1 mM pNP-
αGal
과50 mM sodium phosphate
완충액(pH 6.0)
을포함 한반응액에효소를첨가하여50
oC
에서10
분간반응시킨후 반응액의2
배부피의1 M Na
2CO
3 용액을첨가하여반응을 종결시키고405 nm
에서흡광도를측정하였다. para-Nitrophenol
(pNP)
을표준물질로하여얻은검량곡선을사용하여효소반응에의해생성된
pNP
의양을결정하였으며효소의활성 도1 unit
는1
분동안1
μmol
의pNP
를유리시키는효소량 으로정의하였다.
효소활성에미치는반응온도와pH
의영 향을조사하기위하여30
−55
oC
와pH 5.0
−8.0
의범위에서각 각α-galactosidase
활성을측정하였다.
열안정성을조사하 기위하여조효소액을서로다른온도에서30
분과60
분간 방치한후그잔존활성을측정하였다.
α-Galactosidase
에의 한최종가수분해산물을조사하기위해기질(1%)
과과량의 조효소액을포함한반응액을40
oC
에서5
시간동안반응시킨 후반응액을열처리하여그상등액을취해chloroform, acetic
acid
와증류수(4.3
:5
:0.7, (v/v))
혼합용액을전개용액으로 하여silica gel-precoated thin layer plate (Merck, Gemany)
에서박층크로마토그래피를수행하였다.
전개된물질을발 색시키기위해서는9 ml ethanol, 0.5 ml p-anisaldehyde,
0.5 ml sulfuric acid
와glacial acetic acid
몇방울을혼합한 발색제용액을뿌린후, 120
oC
에서10
분간방치하였다.
첨 가당이효소활성에미치는영향을분석하기위하여기질로pNP-
αGal (1 mM)
을포함한반응액에당의종류와첨가농 도를달리한상태에서α-galactosidase
활성을측정하였다.
임의증폭 DNA 다형성(RAPD-PCR)
Bacterial genomic prep kit (Solgent, Korea)
를사용하여 분리균YB-1413
과YB-1414
로부터총유전체DNA
를분리 하여주형DNA
로사용하였다. Primers
는10 nucleotides
로 구성된oligonucleotides
를 사용하였으며,
분리균 유전체DNA (50 ng)
와한종류의primer (50 pmol)
를포함한반응 액의 부피를50
μl
로 조절하여Taq DNA polymerase
로PCR
반응을실시하였다. PCR
반응조건은95
oC
에서5
분간 변성한후, 95
oC
에서15
초, 30
oC
에서1
분, 72
oC
에서30
초반 응의과정을35
회반복하였고,
최종적으로72
oC
에서8
분간 반응을수행하였다.
반응산물은1.2% agarose gel
에서전기 영동을수행하고이를ethidium bromide
로염색하여관찰 하였다.
결과 및 고찰
α-Galactosidase 생산균의 분리와 특성
가정에서수집된된장을탄소원과질소원으로대두분을첨 가한최소배지에접종하여증균배양한후분리된된장발 효균중에서β
-galactosidase
를균체외로분비생산하는B.
licheniformis YB-1414
가분리된바있다[12].
동일한조건 에서 분리 배양된 된장 분리균의배양상등액을 사용하여pNP-
αGal
을분해하는α-galactosidase
활성을조사한결과β
-galactosidase
생산균보다는적게발견되었지만일부균 주가α-galactosidase
를생산하는것으로확인되었다.
이들 중YB-1413
과YB-1414
는α-galactosidase
의생산성이우수 하였는데, YB-1413
은YB-1414
와같이β-galactosidase
도동 시에균체외로분비생산하였다.
분리균
YB-1414
는이미B. licheniformis
로확인되었으므 로API 50CHB
와20E kit
를사용하여새롭게분리된YB-
1413
의당이용성과생화학적특성을조사하고이를YB-
1414
와비교한결과lactose
이용성을제외한모든특성이 서로일치하였다.
또한YB-1413
의16S rRNA
의염기서열도(Genbank accession No. KM660626) YB-1414
와동일하였 으며YB-1413
은YB-1414
와같이B. licheniformis
와가장 유사성이높은것으로확인되었다.
그리고두균주는고분자 물질의분해능도동일하여단백질,
전분과섬유소분해활성을보였고
xylan
의분해능은없었다.
이와같이두균주는lactose
의이용성을제외하고는그특성이완전히동일하였으므로이들균주가서로다른균주인지를 확인하기위해
RAPD-PCR
을수행하여그유전체의유사성을비교하였다.
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.
크기가
10 nucleotides
로구성되고염기서열이다른6
종 류의oligonucleotides (Table 1)
를primers
로각각사용하여RAPD-PCR
을수행한후PCR
산물을agarose gel
전기영동 으로 분석한결과0.3
−2.5 kb
범위에속하는 여러종류의DNA
단편이관찰되었다(Fig. 1). Primers RAPD-7, 10, 12, 13
과14
에의한증폭산물은두균주간에서로일치하였으며primer RAPD-9
에의해서도동일한크기의DNA
단편들이 증폭되었으나, YB-1413
에서는증폭되지않은0.7 kb DNA
단편이
YB-1414
에서특이적으로관찰되었다.
따라서이들균주는그유사성이매우높지만동일한균은아니라는사 실이확인되었다
.
한편된장을증균하지않고직접분리한 균주중에서α-galactosidase
를생산하는것으로보고된B.
licheniformis YB-42
의16S rRNA (AJ582722)
와YB-1413
과는8
개염기서열에차이가있었다[14].
B. licheniformis YB-1413과 YB-1414의 α-galactosidase 생산성
분리균
B. licheniformis YB-1413
과YB-1414
의 성장과 효소생산성과의관계를조사하기위해LB
액체배지에서진 탕배양하면서일정시간마다배양액을채취하여600 nm
에 서흡광도와배양상등액에존재하는α-galactosidase
의활성 을측정하였다. YB-1413
과YB-1414
는최대성장도에이르 는배양시간이유사하였으나, YB-1414
와는달리YB-1413
은최대성장도에이른후빠르게사멸기로접어들었다(Fig.
2).
α-Galactosidase
의생산은두균주가모두최대성장에 이르렀을때부터시작하여사멸기에도달한후에도지속적 으로증가하였으며, YB-1413
은38
시간이되었을때1.2 U/
ml
로최대에이른후배양상등액에존재하는효소활성이미약하게감소한반면에
YB-1414
는배양시간이42
시간이되었을때효소생산성이
0.99 U/ml
로최대에이르렀다.
일반적으로효소의생산성은배지의탄소원과질소원에의 해영향을받으므로분리균의α-galactosidase
생산에적합 한배지성분을조사하기위해potassium phosphate (0.01%)
와magnesium sulfate (0.1%)
를기본성분으로하고탄소원 과질소원을달리하여분리균의효소생산성을비교하였다.
질소원으로peptone (0.5%)
을함유하는배지에서로다른탄소원을
0.5%
가되도록각각첨가한상태에서분리균을접종Fig. 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
oC 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
하여
37
oC
에서36
시간동안진탕배양한후배양상등액의 효소활성을측정한결과Table 2
에보인바와같이wheat bran
을비롯하여rice bran, locust bean gum (LBG)
또는galactose
를첨가한배지에서효소생산성이증가되었으며sucrose, raffinose, melibiose, arabinose
를첨가한배지에서 는탄소원을첨가하지않은배지보다두균주가모두효소 생산성이크게감소하였다.
또한glucose
가첨가된배지에서는
YB-1414
의경우 효소생산성에 변화가없었으나, YB-
1413
은효소생산성이크게감소하였다.
한편배지에raffinose
를 첨가하였을 때L. reuteri [1], L. plantarum [22], B.
halodurans [2]
의 α-galactosidase
생산성은 증가하며, L.
curvatus [29]
의α-galactosidase
는raffinose
뿐아니라melibiose
와
galactose
에의해서도생산이유도되는것으로보고되었다
.
또한Bacillus sp. JF2
의 균체내 α-galactosidase
도melibiose
에의해서는생산성이증가되었으나, sucrose
에의 해서는감소하였으며[17]
이러한현상은L. curvatus
에서도 확인되었는데두분리균도sucrose
첨가배지에서는효소가 생산되지않았다. Debaryomyces hansenii [25]
도galactose
에의해효소생산성이증가된다고보고되었다.
따라서다수 의 미생물에서 α-galactosidase
의 생산성이raffinose, melibiose
또는galactose
에의해증가되었다는결과와비교 해보면분리균의경우galactose
에의해서효소생산성이증 가하는현상은일치하지만raffinose
와melibiose
에의해서 는급격하게감소되는특이한현상을보였다.
탄소원으로
LBG
나wheat bran
을첨가한배지에서두균 주는모두효소생산성이가장크게증가하였는데LBG
보다값싼
wheat bran
을배지성분으로이용하는것이경제성측면에서유리하다고판단되어
wheat bran
의농도를달리한 배지에서효소 생산성을조사하였다.
그결과YB-1413
은wheat bran
의첨가량이1.5%
이하일때는효소생산성이증 가하였으나, 2.0%
이상첨가한상태에서는효소생산성이급 격하게저하되어배양상등액에서효소활성이매우미약한 수준으로 관찰되었다. YB-1414
는wheat bran
첨가량이0.7%
가될때효소생산성이최대로증가하였으며1%
이상의
wheat bran
이첨가되었을때는효소생산성이약간감소하는경향을보였으나
YB-1413
과는달리2.0%
이상에서도 일정한수준을유지하였다.
한편YB-1413
은wheat bran
의 첨가량이0.3%
와1.5%
일때α-galactosidase
생산성이최대 이고, YB-1414
는0.3%
와0.7%
일때최대로나타났는데, YB- 1413
의 β-galactosidase
생산성은wheat bran
첨가량이0.3%
일때 보다1.5%
일때약1.8
배높으며(
결과 미제시) YB-1414
의β-galactosidase
생산성도0.3%
일때0.7%
일때 약1.66
배더높았다[12].
α
-Galactosidase
뿐 아니라 β-galactosidase
의 생산에도 적합하도록wheat bran
첨가량을1.5% (YB-1413)
와0.7%
(YB-1414)
로각각고정하고유기질소원(0.5%)
의종류를달 리한배지에서각균주의효소생산성을조사하였을때yeast
extract
가첨가된배지에서효소생산성이가장우수하였으며
, tryptone, pepton
이나casein hydrolyzate
가첨가된배지에서도 두 균주의 효소 생산성이 높았다
.
그러나corn
steep powder
가함유된배지에서는효소가거의생산되지않았으며
, soytone
첨가배지에서는YB-1414
와는달리YB- 1413
의효소생산성이저조하였다(Table 3). Yeast extract
를첨가하였을때가장효소생산성이높았으므로이를3%
이하로달리배지에첨가하여배양한결과
yeast extract
의 첨가량이많아질수록α-galactosidase
생산성이증가하였으 며YB-1413
은2.5%
에서1.87 U/ml, YB-1414
는3.0%
에서1.69 U/ml
의최대생산성을보였는데YB-1414
의경우yeast
extract
의첨가량이3%
를초과하도록하였을때는효소생산성이좀더증가할것으로예측된다
.
L. reuteri
도질소원으로yeast extract
를사용하였을때효 소생산성이10.55 U/ml
로증가하였으며[1], L. curvatus
는raffinose
를유일탄소원으로사용하였을때40 U/ml [29], B.
stearothermophilus
는대두분을탄소원으로사용하였을때2.0 U/ml [10], B. megaterium
은최적배양조건에서1.9 U/
ml [21]
의생산성을보이는것으로각각보고되었으며된장에서분리된
B. licheniformis YB-42
는LB
배지에서0.7 U/
ml
로확인된바있다[15].
또한A. fumigatus
의효소유전자Table 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
를
A. sojae
에도입하거나[11], Neosartorya fischeri [26]
의 효소유전자를Pichia pastoris
에도입한재조합숙주균을이 용하여α-galactosidase
를생산하였다.
α-Galactosidase의 반응특성
배양상등액을
ammonium sulfate (25
−75%)
로처리하여제조 된조효소액을사용하여반응조건에따른α-galactosidase
활 성을측정한결과YB-1413
과YB-1414
의효소는모두pH 6.0
과45
oC
에서최대활성을나타냈으며, pH 5.5
−6.5
범위에 서는최대활성의90%
이상수준으로활성을유지하였다(Fig.
3).
최적반응온도는동일하지만50
oC
에서는YB-1414
에비 해YB-1413
의효소활성이 높았다. B. stearothermophilus NCIM 5146
의효소는pH 6.5
−7.0
과65
oC [9], B. megaterium
의효소는pH 7.5
와55
oC [21], Rhizomucor miehei
의효소는
pH 4.5
와60
oC [13], B. licheniformis YB-42
의 효소는pH 6.5
와45
oC [14], Paenibacillus sp. LX-20
의효소는pH 6.0-6.5
와45
oC [20], Sphingomonas sp. JB13
의효소는pH 5.0
과60
oC [31], N. fischeri
의 효소는pH 4.5
와60
−70
oC [26], Streptomyces sp. S27 ACCC 41168
의효소는pH 7.4
와35
oC [4],
심해에서분리된B. megaterium
의효소는pH 8.9-9.0
와35
oC [28]
에서각각최대활성을보이는것으로보 고된 바 있으며 이들 중Paenibacillus sp. LX-20
와B.
licheniformis YB-42
의효소가분리균YB-1413
과YB-1414
의효소와최적반응조건이가장유사하였다.
30
−50
oC
범위의온도에서조효소액을30
분과60
분동안 각각열처리한후잔존활성을조사한결과YB-1414
의효소 는40
oC
이하에서는60
분간방치하여도안정하였으나YB-
1413
의효소는미약하게실활이일어나는것으로나타났다Fig. 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
oC 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.
(Fig. 4).
또한두균주의효소는모두45
oC
에서30
분간방치 하였을때잔존활성이약60%
수준으로확인되었으며, 50
oC
에서30
분간 방치한 후에는 대부분 실활되었다.
한편Sphingomonas sp. JB13
의효소는60
oC
에서60
분이상[31], B. megaterium VHM1
의 효소는55
oC
에서120
분[21], B.
stearothermophilus NCIM 5146
의효소는70
oC
에서30
분[9]
의반감기를각각보였고, R. miehei
의효소는55
oC
에서30
분간열처리후에도80%
의잔존활성을[13]
갖는것으로보 아분리균YB-1413
과YB-1414
의α-galactosidase
는열안정 성이매우낮았다.
α
-Galactosidase
에의한가수분해산물을조사하기위해melibiose, raffinose, stachyose
를반응기질로하여효소반 응을실시하고TLC
로분석한결과두균주의효소는모두galactose
와glucose
간의α-1.6
결합뿐만아니라galactose
간의 α
-1.6
결합도완전히가수분해하여melibiose
로부터는galactose
와glucose
를, raffinose
와stachyose
로부터는sucrose
와galactose
를최종분해산물로각각생성하였다(Fig. 5).
α-Galactosidase의 가수분해 활성에 미치는 당의 영향 α
-Galactosidase,
β-galactosidase,
β-glucosidase
와 β- xylosidase
등을포함하는여러종류의glycosidases
는반응 산물이나이와유사한구조를갖는당에의해효소활성이 저해를받는것으로알려져있다.
따라서당의종류와양이 α-galactosidases
활성에미치는영향을조사하기위해glucose, galactose, xylose, mannose
와ribose
의첨가농도를달리하 면서pNP-
αGal
의가수분해활성을측정하였다.
그결과Fig.
6
에보인바와같이두균주의효소간에는당에의해활성의저해를받는정도가큰차이를보이지는않았지만
, galactose
는
YB-1414
의효소활성을약간더저해한반면에나머지당
(glucose, xylose, mannose, ribose)
은YB-1413
의효소활 성을더저해하는경향을보였다.
특이하게도α-galactosidase
에의한가수분해산물인galactose
보다오탄당인ribose
를 첨가하였을때pNP-
αGal
의활성이더크게저해되어ribose
의첨가농도가10 mM
일때잔존활성이약50%
인데비해galactose
는25 mM
을첨가하였을때도잔존활성이55%
이 상인 것으로 확인되었으며, ribose, galactose, mannose, xylose, glucose
의순서로효소활성을저해하였다.
한편
D. hansenii
의 균체내 효소는2 mM
의galactose, melibiose
와glucose
에의해서도활성이저해되었으며[25], B. licheniformis YB-42
의효소는 분리균YB-1413
과YB- 1414
의효소와유사하게galactose, mannose, glucose
순서 로저해를받는것으로보고되었다[14].
그러나특이하게R.
miehei
의효소는100 mM
의galactose
가존재하여도활성에저해를받지않는것으로알려졌다
[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
oC 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.
요 약
전통발효된장으로부터α
-galactosidase
를분비생산하는 두 종류Bacillus licheniformis
균주로YB-1413
과YB-
1414
를분리하여당이용능을비롯한생화학적특성및16S
rRNA
염기서열과중합효소연쇄반응에의한임의증폭DNA
다형성의유전학적특성을비교한결과두균주는매우유 사하였지만동일균주는아닌것으로확인되었다
.
탄소원으로
wheat bran
을 사용하였을 때는 두 균주의 α-
galactosidase
생산성이증가하였으나, melibiose, raffinose
또는sucrose
는효소생산성이급격하게감소하였다.
질소원 으로yeast extract
가첨가된배지에서효소생산성이높았 으며, YB-1413
은1.87 U/ml, YB-1414
는1.69 U/ml
의효소 생산성을보였다.
이들균주가생산하는α-galactosidases
는pH 6.0
과45
oC
에서모두최대활성을보였으며,
낮은농도의ribose
와galalctose
에의해서도효소활성이급격하게저해 되었다.
한편이들효소는대두와콩과식품에존재하는항영 양인자인raffinose
와starchyose
를완전히가수분해하였는 데,
이로보아분리균YB-1413
과YB-1414
는콩발효식품과 대두사료의영양가를개선하는데활용할가치가있다고여 겨진다.
References