Cloning and Characterization of D-xylulose Kinase from Kocuria gwangalliensis Strain SJ2

Tae Hyug Jeong(정태혁),Tae Kyung Hwang(황태경),Yong Bae Seo(서용배),Young Tae Kim(김영태) 한국생명과학회 2015 생명과학회지 Vol.25 No.5

D-Xylulose는 nonoxidative pentose phosphate 경로를 통해 glycolysis 과정으로 들어가기 전에 D-xylulose kinase에 의해서 D-xylulose-5-phosphate로 인산화 된다. K. gwangalliensis strain SJ2로부터 D-xylulose kinase(XK)를 암호화하는 유전자는 E. coli를 이용하여 서열분석 및 발현 하였으며, XK 유전자의 염기서열 1,419 bp로 구성되어 있으며 463개의 아미노산 잔기를 암호화하고 있다. 분석결과를 통해 XK 유전자가 진화과정 동안 잘 보존되었음을 보여 주었다. XK 유전자의 발현을 위해 pCold-II 발현 벡터에 클로닝 하였으며 클로닝 된 플라스미드는 E. coli strain BL21 (DE3)에 형질전환 하여 IPTG를 이용해 발현을 유도하였다. 재조합 된 XK 단백질의 크기는 약 48 kDa이었다. 이 발현된 단백질은 affinity chromatography를 이용하여 정제하였으며 D-xylulose kinase에 따른 enzymatic activity를 분석하였다. D-xylulose와 ATP로 실행한 XK enzyme kinetic 연구는 각각 250±20 μM과 1,300±50 μM의 Km value를 보였다. 본 연구를 통해 얻어진 결과는 분자적 수준에서 D-xylulose kinase의 특성 연구의 보다 넓은 지식적 기초를 제공할 것으로 사료된다. D-Xylulose is phosphorylated to D-xylulose-5-phosphate by D-xylulose kinase before it enters glycolysis via the nonoxidative pentose phosphate pathway. A gene encoding a novel D-xylulose kinase (XK) from K. gwangalliensis strain SJ2 was sequenced and expressed in E. coli. The sequence of the isolated XK gene was 1,419 bp, encoding 472 amino acids. The XK protein was more closely related to the Arthrobacter phenanthrenivorans XK than to the Bifidobacterium catenulatum one, as reflected in the sequence identity (54.9% vs. 38.7%). The XK gene was subcloned into the pCold-II expression vector. The resulting plasmid was transformed into E. coli strain BL21 (DE3) cells and the expression of the recombinant XK protein was induced by the addition of IPTG. The resulting protein was expressed as a fusion protein of approximately 48 kDa containing a N-terminal six-histidine extension that was derived from the expression vector. The expressed protein was homogenized by affinity chromatography and showed enzymatic activity corresponding to D-xylulose kinase. XK enzyme kinetic studies with D-xylulose and ATP showed a Km of 250±20 μM and 1,300±50 μM, respectively. The results obtained from this study will provide a wider knowledge base for the characterization of D-xylulose kinase at the molecular level.

Cloning and Characterization of Phosphoinositide 3-Kinase γ cDNA from Flounder (Paralichthys olivaceus)

Tae Hyug Jeong(정태혁),Joo Yeon Youn(윤주연),Keunho Ji(지근호),Yong Bae Seo(서용배),Young Tae Kim(김영태) 한국생명과학회 2014 생명과학회지 Vol.24 No.4

Phosphoinositide 3-kinase (PI3K)는 항산화 제어반응, 심근세포 성장, 및 세포 내 특수반응 뿐만 아니라 세포분화, 생장, 운동, 식균 및 내항작용, 세포 골격유지에 관여하는 등 세포 신호체계에서 핵심 역할을 하는 효소이다. PI3K는 세 그룹으로 나누어지며 type I PI3K는 leukocyte에서 우선적으로 발현되고 G-proteins의 βγ subunits에 의해서 활성화 된다. 본 연구에서는 넙치(Paralichthys olivaceus)의 PI3Kγ를 암호화하는 cDNA를 클로닝하였다. 넙치의 PI3Kγ는 1,341 bp 염기로 구성되는 한 개의 ORF를 가지며 이 단백질은 447 아미노산으로 구성되어있다. PI3Kγ는 zebrafish의 PI3Kγ와 89.6%, mouse와는 84.7%, Norway rat와는 84%, human의 PI3Kγ와는 74.9%가 아미노산 상동성을 나타내었다. PI3Kγ유전자의 대장균에서 발현을 위하여 pET-44a(+)-PI3K 재조합 DNA를 구축하여 대장균에서 발현시킨 결과 49 kDa의 재조합 단백질이 과발현 됨을 확인 할 수 있었다. His-tag affinity chromatography를 이용하여 PI3Kγ단백질을 순순 분리하였으며 wortmannin을 이용하여 PI3Kγ의 활성을 분석하였다. Phosphoinositide 3-kinase (PI3K) plays a central role in cell signaling and leads to cell proliferation, survival, motility, exocytosis, and cytoskeletal rearrangements, as well as specialized cell responses, superoxide production, and cardiac myocyte growth. PI3K is divided into three classes; type I PI3K is preferentially expressed in leukocytes and activated by βγ subunits of heterotrimeric G-proteins. In this study, the cDNAs encoding the PI3Kγ gene were isolated from a brain cDNA library constructed using the flounder (Paralichthys olivaceus). The sequence of the isolated PI3Kγ was 1341 bp, encoding 447 amino acids. The nucleotide sequence of the PI3Kγ gene was analyzed with that of other species, including Oreochromis niloticus and Danio rerio, and it turned out to be well conserved during evolution. The PI3Kγ gene was subcloned into the expression vector pET-44a(+), and expressed in the E. coli BL21 (DE3) codon plus cell. The resulting protein was expressed as a fusion protein of approximately 49 kDa containing a C-terminal six-histidine extension that was derived from the expression vector. The expressed protein was purified to homogeneity by His-tag affinity chromatography and showed enzymatic activity corresponding to PI3Kγ. The binding of wortmannin to PI3Kγ, as detected by anti-wortmannin antisera, closely followed the inhibition of the kinase activities. The results obtained from this study will provide a wider base of knowledge on the primary structure and characterization of the PI3Kγ at the molecular level.

물리․화학적 돌연변이 유도를 통한 Paracoccus haeundaensis의 astaxanthin 생산량 증대

서용배(Yong Bae Seo),정태혁(Tae Hyug Jeong),최성석(Seong Seok Choi),임한규(Han Kyu Lim),김군도(Gun-Do Kim) 한국생명과학회 2017 생명과학회지 Vol.27 No.3

Carotenoid는 천연 지용성 색소이며, 세균, 조류, 식물 등이 생산한다. 세계 시장의 대부분을 차지하는 합성 염 료의 대안으로서 현재는 조류나 세균, 갑각류 등의 원료로부터 아스타잔틴의 생산, 정제, 이용이 주목 받고 있다. 이 연구는 UV와 EMS를 이용하여 P. haeundaensis의 돌연변이를 유도하고, 결과적으로 astaxanthin을 과잉 생산하는 돌연변이주를 선별하고 특성을 확인하기 위해 다양한 배양 및 영양 조건을 이용하여 astaxanthin 생산량을 확인하였다. 실험 결과 UV 조사 시간이 증가하거나, EMS 농도가 증가할수록 균주의 생존율이 감소하였다. Astaxanthin 과잉 생산 돌연변이 균주의 경우 400 mM EMS와 UV 20분을 순차적으로 처리한 방법에서 선별된 변이주가 가장 높은 astaxanthin 생산량을 보이는 것을 확인하였으며, 이 균주의 이름을 PUE로 명명하였다. PUE의 최적 배양 조건은 25℃, pH 7-8, 3% NaCl이며, 1% raffinose, 3% potassium nitrate 첨가 시 astaxanthin 생산량이 증가하는 것으로 밝혀졌다. PUE에서는 wild type 균주에 비해 astaxanthin 생산량이 1.58배 증가함을 확인할 수 있었다. 본 연구의 실험 결과, 돌연변이 유도에 의해 선별된 변이주는 astaxanthin의 산업적 생산에 활용 가능한 후보가 될 수 있을 것으로 사료된다. Carotenoids are natural lipid-soluble pigments, which are produced primarily by bacteria, algae, and plants. Many studies have focused on the identification, production, and utilization of natural sources of astaxanthin from algae, yeast, and crustacean byproducts as an alternative to the synthetic pigment, which is mostly used today. The aim of the present study was to identify a mutant of Paracoccus haeundaensis by exposure to UV and ethyl methanesulfonate (EMS). The mutant was then exposed to nutrient stress conditions to isolate an astaxanthin-hyperproducing strain, followed by characterization of the mutant. The survival rate decreased in accordance with an increase in the UV exposure time and an increase in the EMS concentration. A mutant of the original P. haeundaensis strain was identified that showed hyperproduction of astaxanthin following exposure to UV irradiation (20 min) and EMS treatment (0.4 M concentration). The optimal culture conditions for the PUE mutant were 25℃, pH 7-8, and 3% NaCl. The effects of various carbon and nitrogen sources on the growth and astaxanthin production of PUE were examined. The addition of 1% raffinose and 3% potassium nitrate influenced cell growth and astaxanthin production. The selected mutant exhibited an increase of 1.58 folds in astaxanthin content compared to initial wild type strain. A genetically stable mutant strain obtained using mutagen (UV irradiation and EMS treatment) may be a suitable candidate for further industrial scale production of astaxanthin.

Anti-MRSA Properties of Prodigiosin from Serratia sp. PDGS 120915

Keunho Ji(지근호),Tae Hyug Jeong(정태혁),Young Tae Kim(김영태) 한국생명과학회 2015 생명과학회지 Vol.25 No.1

천연의 붉은 색소인 prodigiosin은 Serratia marcescens에 의해서 생산되며 이는 pyrrolylpyrromethane 골격으로 구성되어 있다. 이 색소는 그 분자가 가진 특성 때문에 넓은 범위에서 활용되고 있다. 또한 항암제, 면역억제제, 항진균제, 살조제 등 다양한 분야의 효과가 보고되소 있다. Methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA)는 세계적으로 가장 주요한 원내 감염균으로써, 미국에서 해마다 HIV로 사망하는 수보다 더 많은 사망률을 보이고 있다. 그러므로 MRSA에 대한 새로운 치료제의 개발이 매우 중요하며 급박한 문제이다. 본 연구에서는 중증오염도를 가진 하천수로부터 Serratia sp. PDGS 120915를 분리하였으며 항 MRSA 활성을 가진 prodigiosin에 대하여 연구하였다. 본 연구를 위하여 HPLC를 이용하여 물질을 정제하였으며, 분리된 물질의 항 MRSA 활성을 확인하였다. Prodigiosin의 MRSA에 대한 최소억제농도(Minimal inhibitory concentration; MIC)는 32 μg/ml 이었으며, 분할저해농도(Fractional inhibitory concentration; FIC)는 ampicillin과 penicillin에서 상승작용이 있는 것으로 나타났다. Prodigiosin, a member of natural red pigment family, is produced by Serratia marcescens, and characterized by a common pyrrolylpyrromethane skeleton. This pigment has been reported with the effects of anticancer, immunosuppressant, antifungal, and algicidal activities. Methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) is a major cause of hospital infections. In this study, anti-MRSA properties of prodigiosin isolated from Serratia sp. PDGS 120915 were investigated. We identified and purified prodigiosin using high performance liquid chromatography (HPLC) and evaluated anti-MRSA activity. Purified prodigiosin inhibited the growth of MRSA. The minimum inhibitory concentrations (MICs) of prodigiosin were determined to 32 μg/ml against the MRSA strains. Fractional inhibitory concentration (FIC) indices of ampicillin and penicillin were indicated synergistic effects of prodigiosin on MRSA.

대장균에서 고세균 샤페론을 이용한 아스타잔틴 생산능 향상을 위한 연구

서용배(Yong Bae Seo),이종규(Jong Kyu Lee),정태혁(Tae Hyug Jeong),남수완(Soo-Wan Nam),김군도(Gun-Do Kim) 한국생명과학회 2015 생명과학회지 Vol.25 No.12

본 연구는 카로티노이드 생합성 유전자군이 형질전환된 Escherichia coli에서 archaea chaperonin을 공발현 시킴으로 카로티노이드의 생산량을 증대시키는 것이 목표이다. 카로티노이드는 식물, 박테이라, 조류 등이 생합성하는 노란색, 오렌지색, 붉은색 계통의 색소로 이들은 식품 또는 양식 사료로 주로 이용되는 물질이다. 본 연구자들은 선행연구를 통하여 Paracoccus haeundaensis로부터 카로티노이드 유전자군을 cloning하였고 이들 유전자군의 생화학 및 효소학적 기능성을 분석하는 연구 결과와 카로티노이드 생합성 유전자군(crtE, crtB, crtI, crtY, crtZ, crtW, crtX)을 대장균에 형질전환하여 400 μg/g dry cell weight (DCW)의 아스타잔틴을 생산하는 연구 결과를 보고 하였다. 본 연구에서는 이들 유전자군과 archaea chaperonin을 공발현시켜 대장균에서 astaxanthin을 890 μg/g dry cell weight (DCW)로 생산하였으며, 이는 선행 연구된 결과 보다 약 2배 이상의 astaxanthin 생산량을 향상 시키는 연구 결과이다. The aim of this study is to increase production of carotenoids in recombinant Escherichia coli by Archaea chaperonin. The carotenoids are a widely distributed class of structurally and functionally diverse yellow, orange, and red natural pigments. These pigments are synthesized in bacteria, algae, fungi, and plants, and have been widely used as a feed supplement from poultry rearing to aquaculture. Carotenoids also exhibit diverse biological properties, such as strong antioxidant and antitumor activities, and enhancement of immune responses. In the microbial world, carotenoids are present in both anoxygenic and oxygenic photosynthetic bacteria and algae and in many fungi. We have previously reported cloning and functional analysis of the carotenoid biosynthesis genes from Paracoccus haeundaensis. The carotenogenic gene cluster involved in astaxanthin production contained seven carotenogenic genes (crtE, crtB, crtI, crtY, crtZ, crtW and crtX genes) and recombinant Escherichia coli harboring seven carotenogenic genes from Paracoccus haeundaensis produced 400 μg/g dry cell weight (DCW) of astaxanthin. In order to increase production of astaxanthin, we have co-expressed chaperone genes (ApCpnA and ApCpnB) in recombinant Escherichia coli harboring the astaxanthin biosynthesis genes. This engineered Escherichia coli strain containing both chaperone gene and astaxanthin biosynthesis gene cluster produced 890 μg/g DCW of astaxanthin, resulting 2-fold increased production of astaxanthin.

Cytochrome c oxidase subunit 1과 RAPD 분석에 의한 한국 전복속의 계통 연구

서용배(Yong Bae Seo),강성철(Sung Chul Kang),최성석(Seong Seok Choi),이종규(Jong Kyu Lee),정태혁(Tae Hyug Jeong),임한규(Han Kyu Lim),김군도(Gun-Do Kim) 한국생명과학회 2016 생명과학회지 Vol.26 No.4

전복은 전복속(Haliotis)에 속하며 전 세계적으로 식품산업에서 중요한 복족류 연체동물이다. 우리나라에는 6개종; 북방전복(Haliotis discus hannai), 둥근전복(Haliotis discus discus), 왕전복(Haliotis madaka), 말전복(Haliotis gigantea), 오분자기(Haliotis diversicolor diversicolor), 마대오분자기(Haliotis diversicolor supertexta)가 보고되어 있다. 이 연구에서는 우리나라 해역에 서식하는 중 · 대형 전복과 4종인 북방전복, 둥근전복, 왕전복, 말전복의 유전학적 유연관계를 분석하기 위하여 미토콘드리아의 cytochrome c oxidase subunit I (COI) 유전자와 Random Amplified Polymorphic DNA (RAPD) 분석법을 실시 하였다. 본 연구의 결과 COI 유전자 분석과 RAPD 분석을 활용하면 4종의 전복 중 북방전복, 둥근전복, 왕전복을 한 그룹으로 나머지 한 그룹을 말전복으로 구분하는 종 분류는 명확히 구분할 수 있었다. 이러한 결과는 전복 교잡육종을 이용한 수출용 전복 신종자 개발에 있어 주요 대상종인 전복과 4종에 대한 유전적 근연 관계를 규정함으로써 향후 교잡육종 연구의 기초 자료를 제공할 수 있을 것으로 사료된다. Abalones are gastropod mollusks belonging to the genus Haliotis. Pacific abalones are regarded as a very important marine gastropod mollusk in Korea, Japan, China, and also in food industries around the world. In Korea, 6 species of abalone have been reported to occur along the coasts: Haliotis discus hannai, Haliotis discus discus, Haliotis madaka, Haliotis gigantea, Haliotis diversicolor supertexta, and Haliotis diversicolor diversicolor. This study was performed to discriminate the genetic variances by the partial sequences of the mitochondrial cytochrome c oxidase subunit I (COI) genes and random amplified polymorphic DNA (RAPD) analysis against four species of Pacific abalone (H. discus hannai, H. discus, H. madaka, H. gigantea). COI gene is reasonably well conserved and has been sequenced in various invertebrate taxa. The RAPD analysis technique is a relatively simple and low cost method that allows differentiation of taxa without the need to know their genomes. In this study, we investigated the genetic diversity, phylogenetic relationships within each species. The COI and RAPD analysis were able to distinguish between H. gigantea and the other three species. However, these analysis methods were inadequate to distinguish between H. discus and H. madaka. These results are believed to be able to provide a basis data for future hybrid breeding research by defining the genetically closely related four species of abalone, which is to develop new hybrid abalone for export using hybrid breeding.