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    Identification and Characterization of novel epimerases and its application in rare sugar bioconversion

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    국문 초록 (Abstract) kakao i 다국어 번역

    D-알룰로스는 저칼로리 희소당으로 식품 및 제약 산업에서 활용 가능성이 높은 기능성 감미료이다. 산업적 생산은 주로 ketose 3-epimerase에 의해 촉매되는 D-과당(D-fructose)의 효소적 전환에 의존한다. 본 연구에서는 총 221개의 세균 균주를 스크리닝하여 Microbacterium paraoxydans와 Microbacterium arabinogalactanolyticum을 선발하였다. 전장 유전체 분석을 통해 후보 ribulose 3-epimerase(R3E) 유전자를 확인한 후, 이를 Escherichia coli BL21에서 클로닝, 발현 및 정제하여 생화학적 특성을 분석하였다.
    두 효소는 모두 Mn²⁺ 존재 하의 약알칼리성 조건에서 가장 높은 활성을 나타냈다. 또한 다양한 케토스 기질에 대해 넓은 기질 특이성을 보였으며, D-알룰로스 생산에서 약 28%의 유사한 평형 전환율을 달성하였다. 효소 반응속도론 분석 결과, P-R3E는 A-R3E(Kcat = 2437 min⁻¹)보다 높은 촉매 회전수(Kcat = 3577.7 min⁻¹)를 나타냈다. 열안정성 분석에서도 P-R3E는 A-R3E보다 우수한 열안정성과 잔존 활성을 보였다.
    종합적으로, 본 연구에서는 Microbacterium 유래의 새로운 ribulose 3-epimerase 두 종을 발굴하고 특성화하였다. 이 중 P-R3E는 우수한 촉매 활성과 열안정성을 나타내어 산업적 D-알룰로스 생산을 위한 유망한 생촉매로서의 활용 가능성을 확인하였다.
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    D-알룰로스는 저칼로리 희소당으로 식품 및 제약 산업에서 활용 가능성이 높은 기능성 감미료이다. 산업적 생산은 주로 ketose 3-epimerase에 의해 촉매되는 D-과당(D-fructose)의 효소적 전환에 ...

    D-알룰로스는 저칼로리 희소당으로 식품 및 제약 산업에서 활용 가능성이 높은 기능성 감미료이다. 산업적 생산은 주로 ketose 3-epimerase에 의해 촉매되는 D-과당(D-fructose)의 효소적 전환에 의존한다. 본 연구에서는 총 221개의 세균 균주를 스크리닝하여 Microbacterium paraoxydans와 Microbacterium arabinogalactanolyticum을 선발하였다. 전장 유전체 분석을 통해 후보 ribulose 3-epimerase(R3E) 유전자를 확인한 후, 이를 Escherichia coli BL21에서 클로닝, 발현 및 정제하여 생화학적 특성을 분석하였다.
    두 효소는 모두 Mn²⁺ 존재 하의 약알칼리성 조건에서 가장 높은 활성을 나타냈다. 또한 다양한 케토스 기질에 대해 넓은 기질 특이성을 보였으며, D-알룰로스 생산에서 약 28%의 유사한 평형 전환율을 달성하였다. 효소 반응속도론 분석 결과, P-R3E는 A-R3E(Kcat = 2437 min⁻¹)보다 높은 촉매 회전수(Kcat = 3577.7 min⁻¹)를 나타냈다. 열안정성 분석에서도 P-R3E는 A-R3E보다 우수한 열안정성과 잔존 활성을 보였다.
    종합적으로, 본 연구에서는 Microbacterium 유래의 새로운 ribulose 3-epimerase 두 종을 발굴하고 특성화하였다. 이 중 P-R3E는 우수한 촉매 활성과 열안정성을 나타내어 산업적 D-알룰로스 생산을 위한 유망한 생촉매로서의 활용 가능성을 확인하였다.

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    목차 (Table of Contents)

    • I. INTRODUCTION 1
    • 1. D-allulose as a low-calorie rare sugar 1
    • 2. Bioconversion of D-fructose to D-allulose 3
    • 3. Ketose 3-epimerases for the synthesis of D-allulose 5
    • 4. Limitation of current epimerases 10
    • I. INTRODUCTION 1
    • 1. D-allulose as a low-calorie rare sugar 1
    • 2. Bioconversion of D-fructose to D-allulose 3
    • 3. Ketose 3-epimerases for the synthesis of D-allulose 5
    • 4. Limitation of current epimerases 10
    • 5. Potential of Novel Epimerases from Microbacterium 11
    • II. MATERIALS AND METHODS 13
    • 1. Materials and bacteria culture 13
    • 2. Methods 13
    • 2.1. Screening bacterial strains producing fructose from allulose 13
    • 2.2. Fructose Colorimetric Assay 14
    • 2.4. Genome sequencing and identification of epimerase genes 16
    • 2.5. Gene Cloning, Protein Expression and Purification 17
    • 2.6. SDS-PAGE Analysis 21
    • 2.7. Size Exclusion Chromatography 21
    • 2.8. Assay for effect of metal cofactor 22
    • 2.9. Assay for temperature dependency 23
    • 2.10. Assay for pH dependency 23
    • 2.11. Substrate Specificity 23
    • 2.12. Determination of Kinetic Parameter of P-R3E and A-R3E 24
    • 2.13. Enzyme Activity Assay 24
    • 2.14. Differential Scanning Fluorimetry 24
    • 2.15. R3E Enzyme Residual Activity 25
    • 2.16. Structural Modeling and Structural Alignment Analysis 26
    • 2.17. Statistical analyses and presentation of data 26
    • Ⅲ. Results 27
    • 1. Biological Characterization of Allulose producing strain 27
    • 2. Identification of Allulose-utilizing Microbacterium sp. epimerases 31
    • 2.1 Amino acid sequence analysis 35
    • 3. Preparation of epimerases and characterization 39
    • 3.1. Gene Cloning, Protein Expression and Protein Purification 39
    • 3.2. Optimum Metal Cofactor profile of P-R3E and A-R3E 42
    • 3.3. Optimum pH profile of P-R3E and A-R3E 45
    • 3.4. Optimum Temperature profile of P-R3E and A-R3E 47
    • 3.5. Substrate Preference of P-R3E and A-R3E 49
    • 4. Determination of kinetic parameters 52
    • 5. Thermal Stability of P-R3E and A-R3E 61
    • 6. Model Structure Analysis 70
    • IV. Discussion 74
    • V. Conclusion 91
    • VI. References 93
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