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KR101222056B1 - Novel Method for Detecting and Quantitating Target Enzyme Activity Using Artificial Genetic Circuitry - Google Patents

Novel Method for Detecting and Quantitating Target Enzyme Activity Using Artificial Genetic Circuitry Download PDF

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KR101222056B1
KR101222056B1 KR1020100054100A KR20100054100A KR101222056B1 KR 101222056 B1 KR101222056 B1 KR 101222056B1 KR 1020100054100 A KR1020100054100 A KR 1020100054100A KR 20100054100 A KR20100054100 A KR 20100054100A KR 101222056 B1 KR101222056 B1 KR 101222056B1
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Abstract

본 발명은 재설계 유전자회로를 이용한 목적효소 활성의 신규 탐색 및 정량 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 페놀계 화합물 감지용 재설계 유전자회로 GESS(genetic enzyme screening system)를 이용한 목적 효소 활성의 신규 탐색 및 정량 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 효소 활성의 탐색 방법을 이용하면, 환경이나 메타게놈 라이브러리를 비롯한 다양한 유전자 집단에서 유용 유전자를 감지할 수 있고, 페놀 유도체에 대한 민감도와 발현조절을 이용하여 다양한 효소 활성을 고감도로 빠르게 감지 및 정량할 수 있어, 효소개량을 위한 단백질 공학기술에도 유용하게 사용할 수 있으며, 특히, 효소 활성을 정량적으로 탐색할 수 있어 분자진화기술에 적용할 수 있다
The present invention relates to a novel search and quantification method of the target enzyme activity using a redesigned gene circuit, and more particularly, to a novel enzyme activity using a redesigned gene circuit GESS (genetic enzyme screening system) for detecting phenolic compounds. A search and quantification method.
By using the enzyme activity detection method according to the present invention, it is possible to detect useful genes in various gene populations, including the environment or metagenomic library, and to quickly and sensitively detect various enzyme activities using sensitivity and expression control for phenol derivatives. As it can be detected and quantified, it can be usefully used for protein engineering technology for enzyme improvement. Especially, it can be applied to molecular evolution technology because it can quantitatively search enzyme activity.

Description

재설계 유전자회로를 이용한 목적 효소 활성의 신규 탐색 및 정량 방법{Novel Method for Detecting and Quantitating Target Enzyme Activity Using Artificial Genetic Circuitry}Novel Method for Detecting and Quantitating Target Enzyme Activity Using Artificial Genetic Circuitry

본 발명은 재설계 유전자회로를 이용한 목적 효소 활성의 신규 탐색 및 정량 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 페놀계 화합물 감지용 재설계 유전자회로를 이용한 목적 효소 활성의 신규 탐색 및 정량 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a novel search and quantification method of the target enzyme activity using a redesigned genetic circuit, and more particularly, to a new search and quantification method of the target enzyme activity using a redesigned genetic circuit for detecting phenolic compounds. .

바이오촉매는 에너지, 산업원료의 청정 생산기술 등 "지속가능 경제개발" 의 핵심 소재로 인식되고 있으며, 새로운 화학반응, 특이성, 안정성을 갖는 효소의 탐색을 위한 노력이 다양하게 전개되고 있다. 그동안 항생제저항성 유전자, 생장 필수효소, 아밀라아제, 리파제, 프로티아제를 비롯한 몇몇 산업용 효소 등을 고체배지에서 고속으로 탐색하는 방법이 알려져 있으나, 바이오촉매로서 유용한 대부분의 효소 기능 탐색은 시간과 많은 비용을 요하는 개별적 활성분석기술에 의존하고 있는 형편이다. Biocatalyst is recognized as a key material of "sustainable economic development" such as energy and clean production technology of industrial raw materials, and various efforts are being made to search for enzymes with new chemical reaction, specificity and stability. While there have been known methods for the rapid detection of antibiotic resistance genes, growth essential enzymes, amylases, lipases, proteases and other industrial enzymes in solid media, most of the enzyme functions useful as biocatalysts require time and cost. It depends on the individual activity analysis technology required.

최근 미생물 유전체 혹은 메타게놈 (metagenome)으로부터 새로운 유전자원을 확보하거나, 기존 유전자의 활성을 개량하여 유용성이 높은 바이오촉매로 발전시키기 위하여 방향성 분자진화기술 (directed evolution)을 적용하는 연구가 바이오산업기술의 중요한 전략으로 부각되고 있으며, 이에 따라 극미량의 효소활성을 감지하는 새로운 고속화기술의 등장을 요구하고 있다. Recently, researches applying directed evolution to secure new gene sources from microbial genomes or metagenomes, or to improve the activity of existing genes and develop them into highly useful biocatalysts have been conducted. It is emerging as an important strategy, and thus requires the emergence of new high-speed technologies for detecting trace amounts of enzyme activity.

미생물유전체, 메타게놈 등 대량유전자 라이브러리에서 새로운 효소유전자를 감지하는 방법으로는 먼저, DNA 염기서열을 파악하여 PCR 반응을 수행하고, 증폭된 유전자를 획득하는 시퀀스기반 감지기술 (sequence-based screening)이 있다  (Richardson et al., (2002) J. Biol . Chem . 277: 26501-26507; Piel et al., (2002) PNAS 99: 14002-14007). 이 방법은 유전체정보가 급증함에 따라서 활용성이 나날이 높아지고 있고, 원하는 유전자만 특이적으로 선별해 낼 수 있는 장점이 있지만, 목적 유전자의 염기서열에 대한 정확한 정보를 알고 있는 경우에만 사용이 가능하므로, 적용할 수 있는 대상이 유전자원의 일부로 국한되는 단점이 있다. To detect new enzyme genes in large gene libraries such as microbial genomes and metagenomes, first, sequence-based screening technology is used to identify DNA sequences, perform PCR reactions, and obtain amplified genes. (Richardson et al., (2002) J. Biol . Chem . 277: 26501-26507; Piel et al., (2002) PNA S 99: 14002-14007). As the genomic information is rapidly increasing, its utility is increasing day by day, and there is an advantage that it can select only the desired gene specifically, but it can be used only when the exact information about the nucleotide sequence of the target gene is known. There is a drawback that the applicable subject is limited to a part of the genetic source.

이에 반하여 유전자 기능, 즉 효소활성에 기초하여 유전자를 선별하는 활성기반 감지기술 (function-based screening)도 널리 이용된다 (Courtois et al., (2003) Appl . Environ . Microbiol . 69: 49-55; Voget et al., (2003) Appl . Environ. Microbiol . 69: 6235-6242; Gabor et al., Environ . Microbiol . (2004) 6: 879-886). 이 방법에 의한 효소활성의 탐색에는 토양, 하천, 공장폐수, 해수, 산림 등지의 환경시료에서 직접 미생물을 분리하는 방법이 주로 이용되나, 실제 실험실에서 배양 가능한 미생물종은 자연계에 존재하는 미생물의 1% 미만으로 매우 적은 양에 불과하다. 최근에는 미생물을 배양하지 않고 환경시료에서 직접 DNA를 분리하여 (Pettit, Robin K., (2004) Cancer Chemother . Pharmacol . 54: 1-6; Zhou et al ., (1996) Appl . Environ . Microbiol .  62: 316-322) 메타게놈 라이브러리의 형태로 유전자원을 구축하는 전략이 활발히 연구되고 있다. 따라서 메타게놈 라이브러리에서 산업적으로 유용한 유전자를 감지하는 감지기술에 대한 관심이 매우 높다 (Voget, S. et al . (2003) Appl . Environ . Microbiol . 69(10): 6235-6242). On the other hand, activity-based screening, which selects genes based on gene function, ie enzyme activity, is also widely used (Courtois).meat get., (2003)Appl . Environ . Microbiol . 69: 49-55; Vogetmeat get., (2003)Appl . Environ. Microbiol . 69: 6235-6242; Gabormeat get.,Environ . Microbiol .(2004) 6: 879-886). The enzymatic activity of this method is mainly used to isolate microorganisms directly from environmental samples such as soil, rivers, plant wastewater, seawater and forests. Only a very small amount, less than%. Recently, DNA was isolated directly from environmental samples without culturing microorganisms (Pettit, Robin K., (2004)Cancer Chemother . Pharmacol . 54: 1-6; Zhoumeat get ., (1996)Appl . Environ . Microbiol .62: 316-322) Strategies for constructing genetic resources in the form of metagenomic libraries have been actively studied. Therefore, there is a great interest in detection techniques for detecting industrially useful genes in the metagenome library (Voget, S.meat get . (2003)Appl . Environ . Microbiol . 69 (10): 6235-6242).

한편 효소활성의 고속분석기술에는 1) 웰플레이트 (wellplate)를 이용하는 자동화 다중분석기술, 2) 고체배지에서 발색 또는 투명환 (halo)을 관찰하는 방법, 3) 영양결핍 미생물을 이용하는 선택분리법이 주로 이용된다. 이들 방법은 효소의 특이적 활성에 근거하기 때문에 목적기능의 유전자를 명확하게 선별해 낼 수 있다는 장점이 있으나, 개별 효소활성에 부합하는 하나하나의 감지기술이 필요하므로 기술의 범용성 등에서 제약이 따르게 된다. 더구나 숙주세포에서 외래 유전자의 전사나 해독, 발현이 낮거나 단백질 접힘, 분비 등의 문제가 있는 경우에는 효과가 더욱 감소하게 된다. 실제로 신규 미생물유전체, 메타게놈 등 유전적 다양성이 높고, 유전자특성이 알려지지 않은 유전자원으로부터 유래하는 효소의 경우, 재조합 미생물에서의 발현수준이 매우 낮으므로 위 고속분석법을 적용하기가 어려워진다. 이에 따라 극미량 발현되는 효소의 활성조차도 고감도로 감지할 수 있는 새로운 고속탐색원리의 도출이 지속적으로 요구되어 왔다. On the other hand, high-speed analysis techniques of enzyme activity include 1) automated multiple analysis using a well plate, 2) observing color development or halo in solid media, and 3) selective separation using nutrient-deficient microorganisms. Is used. These methods have the advantage of being able to select the genes of the desired function clearly because they are based on the specific activity of the enzyme, but there is a restriction in the general purpose of the technology because one detection technology is required to match the individual enzyme activity. . In addition, the effect is further reduced when there is a problem such as low transcription, translation, or expression of foreign genes in the host cell or protein folding, secretion. Indeed, it is difficult to apply the above-mentioned high-speed analysis method because enzymes derived from genetic sources having high genetic diversity such as novel microorganisms and metagenomes and whose genetic characteristics are not known are very low. Accordingly, there has been a continuous demand for the derivation of a new high-speed search principle capable of detecting even very small amounts of enzyme activity with high sensitivity.

이러한 맥락에서 이스트 2-하이브리드의 전사활성화 원리를 적용하여, 세포내 프로티아제 등 효소활성을 유전공학적 기술로 감지하는 재설계 유전자 회로 (genetic circuitry)에 대한 연구가 발표되어 주목을 받았다 (Baker, K. et al . (2002) PNAS 99(26): 16537-16542). 또한 Pseudomonas putida 대사경로를 재설계하여, 외래 benzylformate decarboxylase의 작용에 의하여 세포내에 생성되는 benzaldehyde를 영양원으로 활용하여 외래 효소활성을 탐지하는 방법도 보고된 바 있다 (Henning, H. et al . (2006) Appl . Environ . Microbiol . 72(12): 7510-7517). 최근에는 재조합 대장균에 다른 미생물 유래의 전사조절인자를 도입하여 외래유전자의 효소활성을 재조합 대장균에서 감지하는 새로운 기술도 활발하게 연구되고 있다. 예를 들어  P. putida 유래의 변이된 조절단백질(nahR)을 이용하여 외래 xylC (benzaldehyde dehydrogenase)의 효소작용에 의하여 benzaldehyde로부터 benzoate가 만들어지면, 대장균 내에서 lacZα(α-fragment of β-galactosidase) 또는 tetracycline 저항성 (tetr) 유전자의 발현을 활성화하게 하는 유전자회로가 개발된 바 있다 (Witholt et al., (2006) PNAS 103: 1693-1698). 또한,  P. putida 유래의 변이된 전사조절단백질 (xylR)을 이용하여 dehydrochlorinase가 γ-hexachlorohaxane (γ-HCH 또는 lindane)에 작용하여 trichlorobenzene (TCB)를 만들게 되면, 대장균 내에서 lacZ의 발현을 활성화하는 새로운 효소활성의 탐색기술도 보고되었다 (Mohn, W.W. et al . (2006) Environ . Microbiol . 8(3): 546-555).  이에 더하여, 조절단백질의 기질특이성을 조절하기 위한 단백질공학기술의 개발노력도 활발하다. 예를 들어 2-hydroxybiphenyl (2-HBP)에 결합하는 조절단백질 HbpR의 돌연변이 라이브러리를 구축하고, 2-chlorobiphenyl (2-CBP)에 결합하여 형광단백질 발현을 활성화하는 대장균을 FACS 소팅하여 분자진화적인 방법으로 기질특이성을 개량하는 연구도 있었다 (Beggah, S. et al . (2008) Microb . Biotechnol . 1(1): 68-78). In this context, applying the principle of yeast 2-hybrid transcriptional activation, research on redesigned genetic circuitry that detects enzymatic activities such as intracellular proteases by genetic engineering techniques has received attention and published (Baker, K. et al . (2002) PNAS 99 (26): 16537-16542). Pseudomonas A redesign of the putida metabolic pathway has been reported to detect foreign enzyme activity using benzaldehyde produced intracellularly by the action of foreign benzylformate decarboxylase as a nutrient source (Henning, H. et. al . (2006) Appl . Environ . Microbiol . 72 (12): 7510-7517). Recently, new techniques for detecting enzymatic activity of foreign genes in recombinant E. coli by introducing transcriptional regulators derived from other microorganisms into recombinant E. coli have been actively studied. For example, if benzoate is made from benzaldehyde by the enzymatic action of exogenous xylC (benzaldehyde dehydrogenase) using a mutated regulatory protein (nahR) derived from P. putida , lacZα (α-fragment of β-galactosidase) or Genetic circuits have been developed to activate the expression of tetracycline resistance (tet r ) genes (Witholt et al., (2006) PNAS 103: 1693-1698). In addition, when dehydrochlorinase acts on γ-hexachlorohaxane (γ-HCH or lindane) to produce trichlorobenzene (TCB) using a mutated transcriptional regulatory protein (xylR) derived from P. putida , it activates the expression of lacZ in E. coli. New screening techniques for enzyme activity have also been reported (Mohn, WW et al . (2006) Environ . Microbiol . 8 (3): 546-555). In addition, efforts are being made to develop protein engineering techniques to control substrate specificity of regulatory proteins. For example, a molecular evolution by constructing a mutant library of regulatory protein HbpR that binds 2-hydroxybiphenyl (2-HBP) and FACS sorting of E. coli that binds 2-chlorobiphenyl (2-CBP) to activate fluorescent protein expression There has also been research to improve substrate specificity (Beggah, S. et. al . (2008) Microb . Biotechnol . 1 (1): 68-78).

이와 같이 조절단백질을 기반으로 반응산물을 감지하는 유전자회로를 구성하여 새로운 효소를 탐색하는 연구는 효소활성탐색의 새로운 혁신기술로 등장하여 큰 주목을 받고 있으나 (Konarzycka-Bessler, M. and Jaeger, K.-E. (2006) Trends Biotechnol. 24(6): 248-250), 이러한 기술들은 기질-산물 및 조절단백질의 특이성이 명시된 소수의 특이적 효소활성에 대한 탐색기술에 그치고 있으며 다양한 효소활성에 적용할 수 있는 보편적 시스템이 될 수 없는 제약이 따른다. 즉 특정한 효소 활성이 필요한 경우, 그 반응의 산물에 맞는 조절단백질이 확보되어야 하는 제한점이 있다.  As such, researches to discover new enzymes by constructing genetic circuits that detect reaction products based on regulatory proteins have emerged as new innovations in enzyme activity detection (Konarzycka-Bessler, M. and Jaeger, K). .-E. (2006) Trends Biotechnol. 24 (6): 248-250), these techniques are only a search for a small number of specific enzymatic activities with specificity of substrate-products and regulatory proteins. There are limitations that cannot be applied to a universal system. In other words, if a specific enzyme activity is required, there is a restriction that a regulatory protein suitable for the product of the reaction must be secured.

또 다른 신규 효소의 탐색기술로는 2005년에 Watanabe 연구 그룹이 보고한 SIGEX (substrate-induced gene expression screening)를 들 수 있다 (Watanabe et al., (2005) Nature Biotech. 23: 88-93). 이 기술은 첨가된 기질에 의하여 전사활성이 유도되는 프로모터를 검색하는 원리이므로 직접적인 효소활성 검색이 아닌 간접적 유전자 감지기술이라는 특징이 있다. 즉 전사활성화와 관련되지 않은 효소기능은 이 방법에 의하여서는 감지되지 않는다. 이 기술에는 FACS를 분석에 이용할 수 있기 때문에 대량의 시료를 단시간에 처리할 수 있는 장점이 있지만, 20~30kb의 큰 유전자를 포함하는 메타게놈 라이브러리에서는 적용하기 어렵고, 라이브러리의 유전자 방향에 따라 GFP활성반응이 나타나지 않을 수도 있다 (Ryu & Yun. (2005) Microb. Cell Factories, 4: 8-12). Another novel enzyme detection technique is SIGEX (substrate-induced gene expression screening) reported by Watanabe's research group in 2005 (Watanabe et al. , (2005) Nature Biotech . 23: 88-93). This technique is a principle of searching for promoters whose transcriptional activity is induced by the added substrate, so it is characterized by indirect gene detection technology, rather than direct enzymatic activity search. That is, enzyme functions not related to transcriptional activation are not detected by this method. This technique has the advantage of being able to process large samples in a short time because FACS can be used for analysis, but it is difficult to apply to metagenomic libraries containing large genes of 20 to 30 kb, and GFP activity depends on the gene direction of the library. Reaction may not occur (Ryu & Yun. (2005) Microb. Cell Factories , 4: 8-12).

한편, 페놀계 화합물을 검출하는 기술에 관한 연구는 진행되고 있으나 (대한민국등록특허 10-0464068호), 이를 이용하여 다양한 효소 활성의 탐색에 적용하는 연구는 이제까지 없었다.  On the other hand, research on a technique for detecting a phenolic compound is in progress (Korean Patent No. 10-0464068), but there has been no research applied to the search for various enzyme activities using the same.

본 발명자들은 다양한 여러 효소의 활성을 탐색할 수 있는 방법에 대해 연구한 결과, 많은 효소 반응에서 페놀을 유리할 수 있는 다양한 페놀 방출 화합물이 기질로 사용되고 있는 점에 착안하여, 페놀류를 감지하는 재설계 유전자회로를 제작하고, 이를 이용하여 발현이 유도된 형광, 항생제 저항성 등 리포터의 정량적 활성을 측정할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하였다. The present inventors have studied a method for exploring the activity of various different enzymes. As a result, various phenol-releasing compounds that can liberate phenol in many enzymatic reactions are used as substrates. After fabricating the circuit, it was confirmed that the quantitative activity of the reporter, such as expression-induced fluorescence and antibiotic resistance, could be measured, thereby completing the present invention.

본 발명의 일 목적은, (a) (i) 페놀계 화합물을 인지하여 하류의 리포터 단백질의 발현을 유도하는 조절 단백질을 코딩하는 유전자; (ii) 형광 단백질을 코딩하는 유전자 및 항생제 저항성 유전자로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 리포터 유전자; 및 (iii) 상기 조절 단백질의 발현을 조절하는 프로모터, 상기 조절 단백질이 결합하여 하류의 리포터 유전자의 발현을 유도하는 부위 및 상기 리포터 유전자의 발현을 조절하는 프로모터로 구성된 유전자 발현 조절부위를 포함하는 페놀계 화합물 감지용 재설계 유전자회로를 제공하는 단계; (b) 탐색하고자 하는 효소를 코딩하는 유전자를 포함하는 클론 또는 유전자라이브러리를 제공하는 단계; (c) 상기 클론 또는 유전자라이브러리와 상기 페놀계 화합물 감지용 재설계 유전자회로를 숙주 미생물에 각각 도입하여 재조합 미생물을 제조하는 단계; (d) 상기 재조합 미생물들을 효소반응에 의해 페놀계 화합물을 유리할 수 있는 페놀 방출 화합물로 처리하는 단계; 및 (e) 효소반응에 의해 유리된 페놀계 화합물을 감지하여 발현이 유도된 리포터 단백질의 활성을 감지하는 단계를 포함하는 재설계 유전자회로를 이용한 목적효소 활성의 탐색 방법을 제공하는데 있다. One object of the present invention is to (a) a gene encoding a regulatory protein that recognizes a phenolic compound and induces expression of a reporter protein downstream; (ii) one or more reporter genes selected from the group consisting of genes encoding fluorescent proteins and antibiotic resistance genes; And (iii) a promoter for regulating the expression of the regulatory protein, a phenol comprising a gene expression regulating site consisting of a promoter binding the regulatory protein to induce expression of a downstream reporter gene and a promoter regulating the expression of the reporter gene. Providing a redesigned genetic circuit for detecting a system compound; (b) providing a clone or gene library comprising a gene encoding an enzyme to be searched; (c) preparing a recombinant microorganism by introducing the clone or gene library and the redesigned gene circuit for detecting the phenolic compound into a host microorganism, respectively; (d) treating the recombinant microorganisms with a phenol-releasing compound which may liberate the phenolic compound by enzymatic reaction; And (e) detecting a phenolic compound liberated by an enzymatic reaction to detect activity of an expression-induced reporter protein.

본 발명의 다른 목적은, (a) (i) 페놀계 화합물을 인지하여 하류의 리포터 단백질의 발현을 유도하는 조절 단백질을 코딩하는 유전자; (ii) 형광 단백질을 코딩하는 유전자 및 항생제 저항성 유전자로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 리포터 유전자; 및 (iii) 상기 조절 단백질의 발현을 조절하는 프로모터, 상기 조절 단백질이 결합하여 하류의 리포터 유전자의 발현을 유도하는 부위 및 상기 리포터 유전자의 발현을 조절하는 프로모터로 구성된 유전자 발현 조절부위를 포함하는 페놀계 화합물 감지용 재설계 유전자회로를 염색체 DNA 또는 세포질에 함유하는 미생물을 제공하는 단계; (b) 탐색하고자 하는 효소를 코딩하는 유전자를 포함하는 클론 또는 유전자라이브러리를 제공하는 단계; (c) 상기 클론 또는 유전자라이브러리를 상기 페놀계 화합물 감지용 재설계 유전자회로를 함유하는 미생물에 도입하여 재조합 미생물을 제조하는 단계; (d) 상기 재조합 미생물들을 효소반응에 의해 페놀계 화합물을 유리할 수 있는 페놀 방출 화합물로 처리하는 단계; 및 (e) 효소반응에 의해 유리된 페놀계 화합물을 감지하여 발현이 유도된 리포터 단백질의 활성을 감지하는 단계를 포함하는 재설계 유전자회로를 이용한 목적효소 활성의 탐색 방법을 제공하는데 있다. Another object of the present invention is (a) (i) a gene encoding a regulatory protein that recognizes a phenolic compound and induces expression of a downstream reporter protein; (ii) one or more reporter genes selected from the group consisting of genes encoding fluorescent proteins and antibiotic resistance genes; And (iii) a promoter for regulating the expression of the regulatory protein, a phenol comprising a gene expression regulating site consisting of a promoter binding the regulatory protein to induce expression of a downstream reporter gene and a promoter regulating the expression of the reporter gene. Providing a microorganism containing the redesigned genetic circuit for detecting a system compound in chromosomal DNA or cytoplasm; (b) providing a clone or gene library comprising a gene encoding an enzyme to be searched; (c) introducing the clone or gene library into a microorganism containing the redesigned genetic circuit for detecting the phenolic compound to produce a recombinant microorganism; (d) treating the recombinant microorganisms with a phenol-releasing compound which may liberate the phenolic compound by enzymatic reaction; And (e) detecting a phenolic compound liberated by an enzymatic reaction to detect activity of an expression-induced reporter protein.

본 발명의 다른 목적은, (i) 페놀계 화합물을 인지하여 하류의 리포터 단백질의 발현을 유도하는 조절 단백질을 코딩하는 유전자; (ii) 형광 단백질을 코딩하는 유전자 및 항생제 저항성 유전자로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 리포터 유전자; 및 (iii) 상기 조절 단백질의 발현을 조절하는 프로모터, 상기 조절 단백질이 결합하여 하류의 리포터 유전자의 발현을 유도하는 부위 및 상기 리포터 유전자의 발현을 조절하는 프로모터로 구성된 유전자 발현 조절부위를 포함하는 페놀계 화합물 감지용 재설계 유전자회로를 제공하는 단계; (b) 탐색하고자 하는 효소를 코딩하는 유전자를 포함하는 클론 또는 유전자라이브러리를 제공하는 단계; (c) 상기 클론 또는 유전자라이브러리와 상기 페놀계 화합물 감지용 재설계 유전자회로를 숙주 미생물에 각각 도입하여 재조합 미생물을 제조하는 단계; (d) 상기 재조합 미생물들을 효소반응에 의해 페놀계 화합물을 유리할 수 있는 페놀 방출 화합물로 처리하는 단계; 및 (e) 효소반응에 의해 유리된 페놀계 화합물을 감지하여 발현이 유도된 리포터 단백질의 활성을 정량하는 단계를 포함하는 재설계 유전자회로를 이용한 목적효소 활성의 정량 방법을 제공하는데 있다. Another object of the present invention is (i) a gene encoding a regulatory protein that recognizes a phenolic compound and induces expression of a downstream reporter protein; (ii) one or more reporter genes selected from the group consisting of genes encoding fluorescent proteins and antibiotic resistance genes; And (iii) a promoter for regulating the expression of the regulatory protein, a phenol comprising a gene expression regulating site consisting of a promoter binding the regulatory protein to induce expression of a downstream reporter gene and a promoter regulating the expression of the reporter gene. Providing a redesigned genetic circuit for detecting a system compound; (b) providing a clone or gene library comprising a gene encoding an enzyme to be searched; (c) preparing a recombinant microorganism by introducing the clone or gene library and the redesigned gene circuit for detecting the phenolic compound into a host microorganism, respectively; (d) treating the recombinant microorganisms with a phenol-releasing compound which may liberate the phenolic compound by enzymatic reaction; And (e) provides a method for quantifying the target enzyme activity using a redesigned gene circuit comprising the step of quantifying the activity of the expression-induced reporter protein by detecting a phenolic compound released by the enzymatic reaction.

본 발명의 다른 목적은 (a) (i) 페놀계 화합물을 인지하여 하류의 리포터 단백질의 발현을 유도하는 조절 단백질을 코딩하는 유전자; (ii) 형광 단백질을 코딩하는 유전자 및 항생제 저항성 유전자로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 리포터 유전자; 및 (iii) 상기 조절 단백질의 발현을 조절하는 프로모터, 상기 조절 단백질이 결합하여 하류의 리포터 유전자의 발현을 유도하는 부위 및 상기 리포터 유전자의 발현을 조절하는 프로모터로 구성된 유전자 발현 조절부위를 포함하는 페놀계 화합물 감지용 재설계 유전자회로를 염색체 DNA 또는 세포질에 함유하는 미생물을 제공하는 단계; (b) 탐색하고자 하는 효소를 코딩하는 유전자를 포함하는 클론 또는 유전자라이브러리를 제공하는 단계; (c) 상기 클론 또는 유전자라이브러리를 상기 페놀계 화합물 감지용 재설계 유전자회로를 함유하는 미생물에 도입하여 재조합 미생물을 제조하는 단계; (d) 상기 재조합 미생물들을 효소반응에 의해 페놀계 화합물을 유리할 수 있는 페놀 방출 화합물로 처리하는 단계; 및 (e) 효소반응에 의해 유리된 페놀계 화합물을 감지하여 발현이 유도된 리포터 단백질의 활성을 정량하는 단계를 포함하는 재설계 유전자회로를 이용한 목적효소 활성의 정량 방법을 제공하는데 있다. Another object of the invention is (a) (i) a gene encoding a regulatory protein that recognizes a phenolic compound and induces expression of a downstream reporter protein; (ii) one or more reporter genes selected from the group consisting of genes encoding fluorescent proteins and antibiotic resistance genes; And (iii) a promoter for regulating the expression of the regulatory protein, a phenol comprising a gene expression regulating site consisting of a promoter binding the regulatory protein to induce expression of a downstream reporter gene and a promoter regulating the expression of the reporter gene. Providing a microorganism containing the redesigned genetic circuit for detecting a system compound in chromosomal DNA or cytoplasm; (b) providing a clone or gene library comprising a gene encoding an enzyme to be searched; (c) introducing the clone or gene library into a microorganism containing the redesigned genetic circuit for detecting the phenolic compound to produce a recombinant microorganism; (d) treating the recombinant microorganisms with a phenol-releasing compound which may liberate the phenolic compound by enzymatic reaction; And (e) provides a method for quantifying the target enzyme activity using a redesigned gene circuit comprising the step of quantifying the activity of the expression-induced reporter protein by detecting a phenolic compound released by the enzymatic reaction.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, (a) (i) 페놀계 화합물을 인지하여 하류의 리포터 단백질의 발현을 유도하는 조절 단백질을 코딩하는 유전자; (ii) 형광 단백질을 코딩하는 유전자 및 항생제 저항성 유전자로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 리포터 유전자; 및 (iii) 상기 조절 단백질의 발현을 조절하는 프로모터, 상기 조절 단백질이 결합하여 하류의 리포터 유전자의 발현을 유도하는 부위 및 상기 리포터 유전자의 발현을 조절하는 프로모터로 구성된 유전자 발현 조절부위를 포함하는 페놀계 화합물 감지용 재설계 유전자회로를 제공하는 단계; (b) 탐색하고자 하는 효소를 코딩하는 유전자를 포함하는 클론 또는 유전자라이브러리를 제공하는 단계; (c) 상기 클론 또는 유전자 라이브러리와 상기 페놀계 화합물 감지용 재설계 유전자회로를 숙주 미생물에 각각 도입하여 재조합 미생물을 제조하는 단계; (d) 상기 재조합 미생물들을 효소반응에 의해 페놀계 화합물을 유리할 수 있는 페놀 방출 화합물로 처리하는 단계; 및 (e) 효소반응에 의해 유리된 페놀계 화합물을 감지하여 발현이 유도된 리포터 단백질의 활성을 감지하는 단계를 포함하는 재설계 유전자회로를 이용한 목적효소 활성의 탐색 방법을 제공한다. In order to achieve the above object, the present invention, (a) (i) a gene encoding a regulatory protein that recognizes a phenolic compound and induces the expression of a reporter protein downstream; (ii) one or more reporter genes selected from the group consisting of genes encoding fluorescent proteins and antibiotic resistance genes; And (iii) a promoter for regulating the expression of the regulatory protein, a phenol comprising a gene expression regulating site consisting of a promoter binding the regulatory protein to induce expression of a downstream reporter gene and a promoter regulating the expression of the reporter gene. Providing a redesigned genetic circuit for detecting a system compound; (b) providing a clone or gene library comprising a gene encoding an enzyme to be searched; (c) preparing a recombinant microorganism by introducing the clone or gene library and the redesigned gene circuit for detecting the phenolic compound into a host microorganism, respectively; (d) treating the recombinant microorganisms with a phenol-releasing compound which may liberate the phenolic compound by enzymatic reaction; And (e) detecting a phenolic compound liberated by an enzymatic reaction to detect activity of an expression-induced reporter protein.

본 발명은 또한, (a) (i) 페놀계 화합물을 인지하여 하류의 리포터 단백질의 발현을 유도하는 조절 단백질을 코딩하는 유전자; (ii) 형광 단백질을 코딩하는 유전자 및 항생제 저항성 유전자로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 리포터 유전자; 및 (iii) 상기 조절 단백질의 발현을 조절하는 프로모터, 상기 조절 단백질이 결합하여 하류의 리포터 유전자의 발현을 유도하는 부위 및 상기 리포터 유전자의 발현을 조절하는 프로모터로 구성된 유전자 발현 조절부위를 포함하는 페놀계 화합물 감지용 재설계 유전자회로를 염색체 DNA 또는 세포질에 함유하는 미생물을 제공하는 단계; (b) 탐색하고자 하는 효소를 코딩하는 유전자를 포함하는 클론 또는 유전자라이브러리를 제공하는 단계; (c) 상기 클론 또는 유전자라이브러리를 상기 페놀계 화합물 감지용 재설계 유전자회로를 함유하는 미생물에 도입하여 재조합 미생물을 제조하는 단계; (d) 상기 재조합 미생물들을 효소반응에 의해 페놀계 화합물을 유리할 수 있는 페놀 방출 화합물로 처리하는 단계; 및 (e) 효소반응에 의해 유리된 페놀계 화합물을 감지하여 발현이 유도된 리포터 단백질의 활성을 감지하는 단계를 포함하는 재설계 유전자회로를 이용한 목적효소 활성의 탐색 방법을 제공한다. The present invention also relates to (a) (i) a gene encoding a regulatory protein that recognizes a phenolic compound and induces expression of a downstream reporter protein; (ii) one or more reporter genes selected from the group consisting of genes encoding fluorescent proteins and antibiotic resistance genes; And (iii) a promoter for regulating the expression of the regulatory protein, a phenol comprising a gene expression regulating site consisting of a promoter binding the regulatory protein to induce expression of a downstream reporter gene and a promoter regulating the expression of the reporter gene. Providing a microorganism containing the redesigned genetic circuit for detecting a system compound in chromosomal DNA or cytoplasm; (b) providing a clone or gene library comprising a gene encoding an enzyme to be searched; (c) introducing the clone or gene library into a microorganism containing the redesigned genetic circuit for detecting the phenolic compound to produce a recombinant microorganism; (d) treating the recombinant microorganisms with a phenol-releasing compound which may liberate the phenolic compound by enzymatic reaction; And (e) detecting a phenolic compound liberated by an enzymatic reaction to detect activity of an expression-induced reporter protein.

본 발명은 또한, (i) 페놀계 화합물을 인지하여 하류의 리포터 단백질의 발현을 유도하는 조절 단백질을 코딩하는 유전자; (ii) 형광 단백질을 코딩하는 유전자 및 항생제 저항성 유전자로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 리포터 유전자; 및 (iii) 상기 조절 단백질의 발현을 조절하는 프로모터, 상기 조절 단백질이 결합하여 하류의 리포터 유전자의 발현을 유도하는 부위 및 상기 리포터 유전자의 발현을 조절하는 프로모터로 구성된 유전자 발현 조절부위를 포함하는 페놀계 화합물 감지용 재설계 유전자회로를 제공하는 단계; (b) 탐색하고자 하는 효소를 코딩하는 유전자를 포함하는 클론 또는 유전자라이브러리를 제공하는 단계; (c) 상기 클론 또는 유전자라이브러리와 상기 페놀계 화합물 감지용 재설계 유전자회로를 숙주 미생물에 각각 도입하여 재조합 미생물을 제조하는 단계; (d) 상기 재조합 미생물들을 효소반응에 의해 페놀계 화합물을 유리할 수 있는 페놀 방출 화합물로 처리하는 단계; 및 (e) 효소반응에 의해 유리된 페놀계 화합물을 감지하여 발현이 유도된 리포터 단백질의 활성을 정량하는 단계를 포함하는 재설계 유전자회로를 이용한 목적효소 활성의 정량 방법을 제공한다. The present invention also relates to (i) a gene encoding a regulatory protein that recognizes a phenolic compound and induces expression of a downstream reporter protein; (ii) one or more reporter genes selected from the group consisting of genes encoding fluorescent proteins and antibiotic resistance genes; And (iii) a promoter for regulating the expression of the regulatory protein, a phenol comprising a gene expression regulating site consisting of a promoter binding the regulatory protein to induce expression of a downstream reporter gene and a promoter regulating the expression of the reporter gene. Providing a redesigned genetic circuit for detecting a system compound; (b) providing a clone or gene library comprising a gene encoding an enzyme to be searched; (c) preparing a recombinant microorganism by introducing the clone or gene library and the redesigned gene circuit for detecting the phenolic compound into a host microorganism, respectively; (d) treating the recombinant microorganisms with a phenol-releasing compound which may liberate the phenolic compound by enzymatic reaction; And (e) provides a method for quantifying the target enzyme activity using the redesigned gene circuit comprising the step of quantifying the activity of the expression-induced reporter protein by detecting a phenolic compound released by the enzymatic reaction.

본 발명은 또한, (a) (i) 페놀계 화합물을 인지하여 하류의 리포터 단백질의 발현을 유도하는 조절 단백질을 코딩하는 유전자; (ii) 형광 단백질을 코딩하는 유전자 및 항생제 저항성 유전자로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 리포터 유전자; 및 (iii) 상기 조절 단백질의 발현을 조절하는 프로모터, 상기 조절 단백질이 결합하여 하류의 리포터 유전자의 발현을 유도하는 부위 및 상기 리포터 유전자의 발현을 조절하는 프로모터로 구성된 유전자 발현 조절부위를 포함하는 페놀계 화합물 감지용 재설계 유전자회로를 염색체 DNA 또는 세포질에 함유하는 미생물을 제공하는 단계; (b) 탐색하고자 하는 효소를 코딩하는 유전자를 포함하는 클론 또는 유전자라이브러리를 제공하는 단계; (c) 상기 클론 또는 유전자라이브러리를 상기 페놀계 화합물 감지용 재설계 유전자회로를 함유하는 미생물에 도입하여 재조합 미생물을 제조하는 단계; (d) 상기 재조합 미생물들을 효소반응에 의해 페놀계 화합물을 유리할 수 있는 페놀 방출 화합물로 처리하는 단계; 및 (e) 효소반응에 의해 유리된 페놀계 화합물을 감지하여 발현이 유도된 리포터 단백질의 활성을 정량하는 단계를 포함하는 재설계 유전자회로를 이용한 목적효소 활성의 정량 방법을 제공한다. The present invention also relates to (a) (i) a gene encoding a regulatory protein that recognizes a phenolic compound and induces expression of a downstream reporter protein; (ii) one or more reporter genes selected from the group consisting of genes encoding fluorescent proteins and antibiotic resistance genes; And (iii) a promoter for regulating the expression of the regulatory protein, a phenol comprising a gene expression regulating site consisting of a promoter binding the regulatory protein to induce expression of a downstream reporter gene and a promoter regulating the expression of the reporter gene. Providing a microorganism containing the redesigned genetic circuit for detecting a system compound in chromosomal DNA or cytoplasm; (b) providing a clone or gene library comprising a gene encoding an enzyme to be searched; (c) introducing the clone or gene library into a microorganism containing the redesigned genetic circuit for detecting the phenolic compound to produce a recombinant microorganism; (d) treating the recombinant microorganisms with a phenol-releasing compound which may liberate the phenolic compound by enzymatic reaction; And (e) provides a method for quantifying the target enzyme activity using the redesigned gene circuit comprising the step of quantifying the activity of the expression-induced reporter protein by detecting a phenolic compound released by the enzymatic reaction.

본 발명에 따른 효소 활성의 탐색 방법을 이용하면, 환경이나 메타게놈 라이브러리를 비롯한 다양한 유전자 집단에서 유용 유전자를 감지할 수 있고, 페놀 유도체에 대한 민감도와 발현조절을 이용하여 다양한 효소 활성을 고감도로 빠르게 감지 및 정량할 수 있어, 효소개량을 위한 단백질 공학기술에도 유용하게 사용할 수 있으며, 특히, 효소 활성을 정량적으로 탐색할 수 있어 분자 진화 기술에 적용할 수 있다. By using the enzyme activity detection method according to the present invention, it is possible to detect useful genes in various gene populations, including the environment or metagenomic library, and to quickly and sensitively detect various enzyme activities using sensitivity and expression control for phenol derivatives. As it can be detected and quantified, it can be usefully used for protein engineering technology for enzyme improvement, and in particular, it can be applied to molecular evolution technology because it can quantitatively search for enzyme activity.

도 1은 (가)는 본 발명에 따른 재설계 유전자회로를 이용하여 효소활성을 감지하는 원리 (GESS: genetic enzyme screening system)를 나타낸 것이고, (나)는 본 발명에 따른 재설계 유전자회로에 따른 GESS vector를 개략적으로 나타낸 것이고, 그 중 유전자 발현 조절 부위를 확대하여 그 구조를 나타낸 그림이다 (TRF: 전사조절인자(transcriptional regulation factor)로써, 본 발명에 따른 페놀계 화합물 분해효소 조절 단백질을 의미하는 것; OpR: 상기 TRF인 페놀계 화합물 분해효소 조절 단백질 결합하여 하류의 리포터 유전자 발현을 유도하는 부위, Px: 상기 페놀계 화합물 분해효소 조절 단백질의 발현을 조절하는 프로모터; PR은 리포터의 발현을 조절하는 프로모터).
도 2는 본 발명에 따른 재설계 유전자회로의 구축과정을 나타낸 것으로, 형광단백질 GFP를 리포터로 함유하고 있는 pGESS-T1의 구축과정을 나타낸 것이다.
도 3은 pGESS-T1의 발현 감도를 증가시키고 조절 단백질 및 리포터 단백질의 안정적 발현을 유도하기 위하여 RBSε와 전사종결인자를 유전자회로에 첨부한 pGESS-T2의 구축과정을 나타낸 것이다. 
도 4는 pGESS-T1과 pGESS-T2의 페놀에 대한 발현 여부를 콜로니의 형광이미징으로 관찰한 결과를 나타낸다.
도 5는 GESS의 리포터 단백질의 발현양이 재설계 유전자회로의 발현에 미치는 영향을 조사한 그림으로, RBSε를 함유한 pGESS-T1-3의 구축하는 과정을 나타낸 것이다.
도 6은 (가)은 각 클론들의 활성을 액체 배지에서 형광 플레이트 리더로 측정한 값이고, (나)는 고체 배지에서 콜로니의 형광이미지를 관찰한 그림이다.
도 7은 pGESS의 조절단백질로 사용되고 있는 dmpR의 발현양을 조절하였을 때 pGESS의 페놀에 대한 감지능의 영향을 알아보기 위해, (가): pGESS-T3의 구축 과정, (나): SDS-PAGE 분석에서 dmpR의 발현양의 증가를 확인한 결과, (다): 활성변화를 관찰한 결과이다.
도 8은 (가): GFPUV를 리포터로 한 pGESS-T4의 구축 과정, (나): 페놀 존재하에서 자외선 조사시 형광 변화량의 차이를 나타낸 그림, 및 (다): 온도별 형광 감도의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 9는 (가): 항생제 저항성 유전자를 리포터로 한 pGESS-T5의 구축 과정, 및 (나): 페놀 존재 하에서 pGESS-T5의 활성을 나타낸 그림이다.
도 10은 (가): 형광단백질 이중리포터 pGESS-T6-RFP의 구축 과정, 및 (나): 활성을 GFP와 RFP의 형광 콜로니 이미징으로 관찰한 그림이다.
도 11은 (가): 형광단백질 이중리포터 pGESS-T6-Tet의 구축 과정, (나): 페놀 농도별 테트라사이클린의 내성 변화와 GFP 형광 감도 변화를 콜로니의 증식과 형광 이미징으로 관찰한 그림이다.
도 12는 pGESS-T2의 야생형dmpR의 135번 아미노산 글루탐산을 리신으로 치환시킨 돌연변이 dmpR을 삽입한 pGESS-T7의 구축과정을 나타내고 있다.
도 13은 효소활성 감지반응의 최적화를 통하여 유전자회로의 감지능 증가를 검증한 결과로서, (가)는 pGESS-T2 및 pGESS-T7의 페놀에 대한 감지능 향상을 확인한 그림이고, (나)는 pGESS-T7의 페놀외에 o-니트로페놀, p-니트로페놀에 대한 감지능 향상을 확인한 결과이다.
도 14는 (가): GESS의 최적의 숙주 대장균을 구축하기 위하여 pGESS를 함유하고 있는 대장균 균주들을 유도물질 페놀이 있는 고체 배지에 스트리킹하여 형광감도의 차이를 콜로니 이미징으로 관찰한 결과, (나): 페놀을 첨가한 액체 배지에서 배양한 각 pGESS 함유 대장균 균주들의 형광양을 형광분광계로 관찰한 것, 및 (다): 배양 시간별 유도 물질 첨가시기를 달리하여 최고의 형광량이 검출되는 시기를 조사한 그림이다.
도 15는 (가): pGESS의 성능 및 페놀에 대한 정량성을 검증하기 위하여 고체배지에서 콜로니 이미징한 결과, (나): 액체배지에서 배양한 시료를 형광분광계로 측정하여 얻은 형광 스펙트럼, 및 (다): 형광유세포분석기 (FACS)로 페놀에 대한 성능과 페놀 의존성을 측정한 그림이다.
도 16은 pGESS의 성능 및 페놀 의존성을 pGESS-T5을 이용하여 확인한 것으로, 페놀이 0~1mM이 첨가되었을 때, 항생제 내성을 관찰한 그림이다(●: 항생제 농도 0 ㎍/㎖, ○: 항생제 농도 10 ㎍/㎖, ▲: 항생제 농도 20 ㎍/㎖, △: 항생제 농도 30 ㎍/㎖).
도 17은 (가): 다양한 페놀류에 대한 pGESS의 감지능을 형광 감도, 및 (나): 항생제 내성으로 측정한 그림이다.
도 18은 pGESS의 다양한 페놀류에 대한 정량적 감지능을 실험한 결과로써, (가): 오르쏘-와 메타- 위치에 추가 잔기가 있는 페놀류에 대한 정량성, (나) pGESS의 페놀류에 대한 정량성 검증을 항생제 내성으로 측정한 결과이다.
도 19는 pGESS의 성능을 페놀류 화합물이 다량 함유된 페놀폐수 (가의 (A))를 이용하여 정량적 감지능, 페놀 대조군에서의 정량적 감지능 (가의 (B))을 측정한 결과이고, (나)는 GC/MASS의 분석 결과이다.
도 20은 pGESS를 이용하여 다양한 효소의 활성을 측정한 결과로써, (가) 대장균 유래의 β-galactosidase(베타-갈락토시다제), (나) C. freundii 유래 tyrosine-phenol lyase(TPL), (다) 메타게놈 유래 putative phosphatase(포스파타제), (라) Pseudomonas sp. 유래 methyl parathion hydrolase(MPH)의 활성을 pGESS의 형광량을 분석한 결과이다.
도 21은 (가): pGESS를 이용하여 tyrosine-phenol lyase의 활성을 페놀 함유한 고체 배지에서 콜로니의 형광이미지로 측정한 결과, (나): 페놀 함유한 액체배지에서 형광유세포분석기 (FACS)로 분석한 그림, (다): pGESS를 이용하여 tyrosine-phenol lyase(TPL)의 활성을 테트라사이클린 항생제 내성으로 분석한 그림이다.
도 22는 pGESS-T2를 이용하여 효소의 활성차이를 정량적으로 측정한 결과로서, (가)는 Citrobacter freundii의 유래의 TPL(tyrosine-phenol lyase)과 Symbiobacterium toebii 유래의 TPL의 효소활성을 pGESS-T2를 이용하여 측정한 그래프이고, (나)는 동일 균주를 효소반응 진행 후 HPLC를 이용하여 생성된 페놀의 양을 측정한 그래프이다. 
Figure 1 (a) shows the principle of detecting the enzyme activity (GESS: genetic enzyme screening system) using the redesigned genetic circuit according to the present invention, (b) according to the redesigned genetic circuit according to the present invention It is a schematic representation of the GESS vector, and shows the structure of the gene expression control region enlarged (TRF: transcriptional regulation factor, means a phenolic compound degrading enzyme regulatory protein according to the present invention) one; OpR: the TRF of the phenolic compound-decomposing enzyme regulatory proteins binding to sites leading to a downstream reporter gene expression, Px: a promoter which regulates expression of the phenolic compound-decomposing enzyme regulatory proteins; the P R is the expression of the reporter Regulating promoter).
Figure 2 shows the construction of the redesigned genetic circuit according to the present invention, showing the construction of pGESS-T1 containing the fluorescent protein GFP as a reporter.
Figure 3 shows the construction of pGESS-T2 with RBSε and transcription terminator attached to the gene circuit in order to increase the expression sensitivity of pGESS-T1 and induce stable expression of regulatory and reporter proteins.
4 shows the results of fluorescence imaging of colonies to determine whether pGESS-T1 and pGESS-T2 are expressed in phenol.
5 is a diagram illustrating the effect of the expression amount of the reporter protein of GESS on the expression of the redesigned gene circuit, showing the construction of pGESS-T1-3 containing RBSε.
Figure 6 (a) is the value of the activity of each clone was measured by the fluorescent plate reader in the liquid medium, (b) is a picture of fluorescence image of the colonies in the solid medium.
Figure 7 is to examine the effect of the detection ability of pGESS to phenol when the expression level of dmpR used as a regulatory protein of pGESS, (A): construction process of pGESS-T3, (B): SDS-PAGE As a result of confirming the increase of the expression level of dmpR in the analysis, (C): It is the result of observing the change in activity.
8 is (a): Construction process of pGESS-T4 using GFP UV as a reporter, (b): Figure showing difference in fluorescence change upon ultraviolet irradiation in the presence of phenol, and (c): Change in fluorescence sensitivity for each temperature The graph shown.
9 is a diagram showing the construction of pGESS-T5 using (A): an antibiotic resistance gene as a reporter, and (B): activity of pGESS-T5 in the presence of phenol.
10 is (a): construction of the fluorescent protein dual reporter pGESS-T6-RFP, and (b): activity is observed by fluorescence colony imaging of GFP and RFP.
Figure 11 (a): Construction of the fluorescent protein dual reporter pGESS-T6-Tet, (b): The change in the resistance of tetracycline and the change in GFP fluorescence sensitivity by phenol concentration was observed by the growth of colonies and fluorescence imaging.
Figure 12 shows the construction of pGESS-T7 in which the mutant dmpR in which amino acid glutamic acid 135 of wild type dmpR of pGESS-T2 was substituted with lysine was inserted.
13 is a result of verifying the increase in the detectability of the genetic circuit through the optimization of the enzyme activity detection reaction, (A) is a figure confirming the improvement of the detection ability for the phenol of pGESS-T2 and pGESS-T7, (B) In addition to the phenol of pGESS-T7, it was confirmed that o-nitrophenol and p-nitrophenol were improved in detection performance.
Figure 14 (A): E. coli strains containing pGESS to streaked in a solid medium containing the inducer phenol in order to build the optimal host E. coli of GESS to observe the difference in fluorescence sensitivity by colony imaging, (B) : Observed the fluorescence spectrophotometer of each pGESS-containing Escherichia coli strains cultured in phenol-added liquid medium, and (C): Figure showing the time when the highest fluorescence amount was detected by changing the induction time of incubation material by culture time. .
15 is (A): colony imaging in a solid medium to verify the performance and quantitative phenol of pGESS, (B): fluorescence spectrum obtained by measuring a sample incubated in a liquid medium, and ( C) Fluorescence flow cytometry (FACS) shows the performance and phenol dependence of phenol.
Fig. 16 confirms the performance and phenol dependence of pGESS using pGESS-T5, and is an illustration of antibiotic resistance when 0-1 mM of phenol was added (●: antibiotic concentration 0 ㎍ / ml, ○: antibiotic concentration 10 μg / ml, ▲: antibiotic concentration 20 μg / ml, Δ: antibiotic concentration 30 μg / ml).
Figure 17 is a (a): pGESS detectability of a variety of phenols was measured by fluorescence sensitivity, and (b): antibiotic resistance.
FIG. 18 shows the results of quantitative detection of various phenols of pGESS. (A): Quantitative phenols having additional residues at ortho- and meta-positions, (B) Quantitative quantities of phenols of pGESS The test is a measure of antibiotic resistance.
19 is a result of measuring the performance of pGESS quantitative detection ability (provisional (B)) using a phenol wastewater containing a large amount of phenolic compounds (provisional (A)), phenolic control (provisional (B)), (B) Is the result of GC / MASS analysis.
Figure 20 shows the results of measuring the activity of various enzymes using pGESS, (A) β-galactosidase (beta-galactosidase) derived from E. coli, (B) tyrosine-phenol lyase (TPL) derived from C. freundii , (C) metagenome-derived putative phosphatase, (d) Pseudomonas sp. The activity of the derived methyl parathion hydrolase (MPH) was analyzed by the fluorescence of pGESS.
FIG. 21 shows (a): tyrosine-phenol lyase activity was measured by fluorescence image of colonies in phenol-containing solid medium using pGESS. (B): fluorescence flow cytometer (FACS) in phenol-containing liquid medium. Figure analyzed (C): Analysis of tyrosine-phenol lyase (TPL) activity using tetracycline antibiotic resistance using pGESS.
Figure 22 is a result of quantitatively measuring the difference in the activity of enzyme using pGESS-T2, (A) pGESS-T2 enzyme activity of TPL (tyrosine-phenol lyase) derived from Citrobacter freundii and TPL derived from Symbiobacterium toebii It is a graph measured using, (b) is a graph measuring the amount of phenol produced by using the HPLC after the same strain the enzyme reaction.

달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법 및 이하에 기술하는 실험 방법은 본 기술분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.Unless defined otherwise, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. In general, the nomenclature used herein and the experimental methods described below are well known and commonly used in the art.

본 발명은 재설계 유전자회로를 이용하여 다양한 효소 활성을 고감도로 간편하게 감지하는 기술(GESS: genetic enzyme screening system)에 관한 것이다. The present invention relates to a technique for easily and easily detecting various enzyme activities using a redesigned genetic circuit (GESS: genetic enzyme screening system).

페놀은 석유, 석탄, 리그닌 등 다양한 탄화수소 자원에 다양하게 포함되어 있을 뿐만 아니라, 인공적으로 합성된 화합물에도 광범위하게 포함되어 있다. 따라서 반응기질 혹은 산물로서 페놀잔기를 포함하는 효소반응도 매우 다양한데, 예를 들어 광범위한 종류의 효소관련 정보를 제공하는 브렌다 데이터베이스 (www.brenda-enzymes.info)에 등록된 40,000종의 효소반응에서 페놀화합물을 유리하는 효소 종은 검색결과 2,000종 (전체 리스트의 약 5%)에 달하였다. 본 발명은, 페놀기를 결합시킨 다양한 화합물을 합성기질로 이용하여 효소반응을 수행하고, 유리된 페놀을 유전공학적으로 감지하는 기술에 대한 것이므로, 매우 다양한 효소반응에 일반적으로 적용할 수 있는 범용적인 효소탐색기술이라는 점에서 특징이 있다. 특히, 니트로페놀화합 (o/p-nitrophenol)은 다른 유기물과 결합한 상태에서는 무색이지만, 기질로부터 유리된 니트로페놀은 노랑으로 발색하게 되므로, 다양한 가수분해효소의 활성을 신속하게 측정하기 위한 다양한 합성기질이 개발되어 있다. 예를 들면 Sigma-Aldrich에서만 해도 약 500종의 니트로페닐화합물이 시판되고 있다. 그러나 이 물질은 자체흡광도가 낮고 세포벽을 통하여 쉽게 확산되므로, 여러 세포의 반응물이 서로 섞이게 되어 세포별 혹은 콜로니별 활성특징을 감지하는 방법으로는 적당하지 않다. Phenolic is not only widely included in various hydrocarbon resources such as petroleum, coal and lignin, but also widely included in artificially synthesized compounds. Therefore, the enzymatic reactions containing phenol residues as a reactive substance or a product are also very diverse. For example, phenolic compounds in 40,000 enzyme reactions registered in the Brenda database ( www.brenda-enzymes.info ) which provide a wide range of enzyme-related information. Enzyme species that favored reached 2,000 results (about 5% of the total list). The present invention relates to a technique for performing enzymatic reactions using various compounds bonded with phenol groups as synthetic substrates and for detecting genetically engineered free phenols. Therefore, the present invention is a general-purpose enzyme applicable to a wide variety of enzyme reactions. It is unique in that it is a search technique. In particular, nitrophenol compound (o / p-nitrophenol) is colorless when combined with other organic substances, but nitrophenol released from the substrate is colored yellow, so that various synthetic substrates can be used to quickly measure the activity of various hydrolases. Is developed. For example, about 500 kinds of nitrophenyl compounds are commercially available only in Sigma-Aldrich. However, since the substance has low self-absorbance and easily diffuses through the cell wall, the reactants of various cells are mixed with each other, which is not suitable as a method for detecting activity characteristics by cell or colony.

페놀물질은 또한, 대장균 세포내에서 쉽게 분해되지 않으므로, 효소반응에 의하여 생성된 미량의 반응산물일지라도 고감도감지가 가능하다. 이러한 성질은 분해되지 않는 물질인 IPTG (isopropylthiogalactoside)를 락토오스 프로모터의 발현유도물질로 사용하는 경우에, 소량의 IPTG로도 강한 유도효과를 나타내게 되는 것과도 일맥상통한다. 최근에는 리포터 단백질의 세포 내 안정성을 조절하여 프로모터의 민감도 및 정량범위를 조절하는 연구결과도 보고된 바 있다 (Neuenschwander, M., et al . (2007) Nature Biotech . 25(10): 1145-1147). 페놀은 유도체에 따라서는 세포독성을 나타내기도 하지만, 많은 경우 약 100 ppm까지도 대장균 성장에 큰 영향을 미치지 않았다.The phenolic substance is also not easily degraded in E. coli cells, so that even a small amount of the reaction product produced by the enzymatic reaction can be highly sensitive. This property is in line with the fact that IPTG (isopropylthiogalactoside), which is not degraded, is used as an expression inducer of the lactose promoter, and shows a strong induction effect even with a small amount of IPTG. Recently, the results of controlling the sensitivity and quantitative range of the promoter by controlling the intracellular stability of the reporter protein have been reported (Neuenschwander, M., et. al . (2007) Nature Biotech . 25 (10): 1145-1147). Phenol is cytotoxic, depending on the derivative, but in many cases up to about 100 ppm did not significantly affect E. coli growth.

이렇듯, 페놀의 경우는, 대장균 세포내에서 쉽게 분해되지 않으므로 효소반응에 의해 생성된 미량의 반응산물이라도 고감도 감지가 가능하며, 효소반응에서 페놀을 유리할 수 있는 다양한 페놀 방출 화합물을 기질로 사용할 수 있다는 점을 본 발명자들은 착안하여, 페놀류를 감지하는 재설계 유전자회로를 디자인하고 이를 도입한 재조합 미생물에 목적에 맞는 페놀기 함유기질을 첨가하여 효소 유전자의 기능에 따라 생성되는 페놀을 감지하여 발현이 유도된 형광, 항생제 저항성 등 리포터의 정량적 활성을 측정함으로써 효소활성을 탐색 및 정량하는 방법을 완성한 것이다.As such, since phenol is not easily decomposed in E. coli cells, even a small amount of the reaction product generated by the enzymatic reaction can be sensed with high sensitivity, and various phenol-releasing compounds that can release phenol in the enzymatic reaction can be used as a substrate. In view of the above, the present inventors have designed a redesigned genetic circuit that detects phenols, and added a phenol group-containing substrate suitable for the purpose to the recombinant microorganism which introduced the same to detect phenols produced according to the function of the enzyme gene, thereby inducing expression. By quantifying the reporter's quantitative activity, such as fluorescence and antibiotic resistance, a method of detecting and quantifying enzyme activity was completed.

본 발명은, 일 관점에서, (a) (i) 페놀계 화합물을 인지하여 하류의 리포터 단백질의 발현을 유도하는 조절 단백질을 코딩하는 유전자; (ii) 형광 단백질을 코딩하는 유전자 및 항생제 저항성 유전자로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 리포터 유전자; 및 (iii) 상기 조절 단백질의 발현을 조절하는 프로모터, 상기 조절 단백질이 결합하여 하류의 리포터 유전자의 발현을 유도하는 부위, 및 상기 리포터 유전자의 발현을 조절하는 프로모터로 구성된 유전자 발현 조절부위를 포함하는 페놀계 화합물 감지용 재설계 유전자회로를 제공하는 단계; (b) 탐색하고자 하는 효소를 코딩하는 유전자를 포함하는 클론 또는 유전자라이브러리를 제공하는 단계; (c) 상기 클론 또는 유전자라이브러리와 상기 페놀계 화합물 감지용 재설계 유전자회로를 숙주 미생물에 각각 도입하여 재조합 미생물을 제조하는 단계; (d) 상기 재조합 미생물들을 효소반응에 의해 페놀계 화합물을 유리할 수 있는 페놀 방출 화합물로 처리하는 단계; 및 (e) 효소반응에 의해 유리된 페놀계 화합물을 감지하여 발현이 유도된 리포터 단백질의 활성을 감지하는 단계를 포함하는 재설계 유전자회로를 이용한 목적효소 활성의 탐색 방법에 관한 것이다.The present invention, in one aspect, (a) (i) a gene encoding a regulatory protein that recognizes a phenolic compound and induces expression of downstream reporter proteins; (ii) one or more reporter genes selected from the group consisting of genes encoding fluorescent proteins and antibiotic resistance genes; And (iii) a promoter for regulating expression of the regulatory protein, a region for binding the regulatory protein to induce expression of a reporter gene downstream, and a promoter for regulating expression of the reporter gene. Providing a redesigned genetic circuit for detecting phenolic compounds; (b) providing a clone or gene library comprising a gene encoding an enzyme to be searched; (c) preparing a recombinant microorganism by introducing the clone or gene library and the redesigned gene circuit for detecting the phenolic compound into a host microorganism, respectively; (d) treating the recombinant microorganisms with a phenol-releasing compound which may liberate the phenolic compound by enzymatic reaction; And (e) detecting a phenolic compound liberated by an enzymatic reaction to detect activity of an expression-induced reporter protein.

여기서, 상기 클론 또는 유전자라이브러리와 상기 페놀계 화합물 감지용 재설계 유전자회로가 도입된 재조합 미생물을 제조하는 단계는, 상기 페놀계 화합물 감지용 재설계 유전자회로를 함유하고 있는 미생물을 제공하여, 상기 클론 또는 유전자라이브러리를 도입함으로써 제조할 수 있다. Here, the step of preparing a recombinant microorganism in which the clone or gene library and the redesigned gene circuit for detecting the phenolic compound is introduced, provides the microorganism containing the redesigned gene circuit for the detection of the phenolic compound, the clone Or by introducing a gene library.

따라서, 본 발명은 다른 관점에서, (a) (i) 페놀계 화합물을 인지하여 하류의 리포터 단백질의 발현을 유도하는 조절 단백질을 코딩하는 유전자; (ii) 형광 단백질을 코딩하는 유전자 및 항생제 저항성 유전자로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 리포터 유전자; 및 (iii) 상기 조절 단백질의 발현을 조절하는 프로모터, 상기 조절 단백질이 결합하여 하류의 리포터 유전자의 발현을 유도하는 부위, 및 상기 리포터 유전자의 발현을 조절하는 프로모터로 구성된 유전자 발현 조절부위를 포함하는 페놀계 화합물 감지용 재설계 유전자회로를 염색체 DNA 또는 세포질에 함유하는 미생물을 제공하는 단계; (b) 탐색하고자 하는 효소를 코딩하는 유전자를 포함하는 클론 또는 유전자라이브러리를 제공하는 단계; (c) 상기 클론 또는 유전자라이브러리를 상기 페놀계 화합물 감지용 재설계 유전자회로를 함유하는 미생물에 도입하여 재조합 미생물을 제조하는 단계; (d) 상기 재조합 미생물들을 효소반응에 의해 페놀계 화합물을 유리할 수 있는 페놀 방출 화합물로 처리하는 단계; 및 (e) 효소반응에 의해 유리된 페놀계 화합물을 감지하여 발현이 유도된 리포터 단백질의 활성을 감지하는 단계를 포함하는 재설계 유전자회로를 이용한 목적효소 활성의 탐색 방법에 관한 것이다.Thus, in another aspect, the present invention provides a kit comprising: (a) a gene encoding a regulatory protein that recognizes a phenolic compound and induces expression of a downstream reporter protein; (ii) one or more reporter genes selected from the group consisting of genes encoding fluorescent proteins and antibiotic resistance genes; And (iii) a promoter for regulating expression of the regulatory protein, a region for binding the regulatory protein to induce expression of a reporter gene downstream, and a promoter for regulating expression of the reporter gene. Providing a microorganism containing a redesigned genetic circuit for detecting a phenolic compound in chromosomal DNA or cytoplasm; (b) providing a clone or gene library comprising a gene encoding an enzyme to be searched; (c) introducing the clone or gene library into a microorganism containing the redesigned genetic circuit for detecting the phenolic compound to produce a recombinant microorganism; (d) treating the recombinant microorganisms with a phenol-releasing compound which may liberate the phenolic compound by enzymatic reaction; And (e) detecting a phenolic compound liberated by an enzymatic reaction to detect activity of an expression-induced reporter protein.

상기 (a)단계에서, 페놀계 화합물 감지용 재설계 유전자회로는 미생물에 플라스미드를 이용하여 세포질에 함유되거나, 염색체 DNA에 삽입되어 있을 수 있다. In the step (a), the redesigned genetic circuit for phenolic compound detection may be contained in the cytoplasm using a plasmid in the microorganism, or inserted into the chromosomal DNA.

본 발명은, 다른 관점에서, (a) (i) 페놀계 화합물을 인지하여 하류의 리포터 단백질의 발현을 유도하는 조절 단백질을 코딩하는 유전자; (ii) 형광 단백질을 코딩하는 유전자 및 항생제 저항성 유전자로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 리포터 유전자; 및 (iii) 상기 조절 단백질의 발현을 조절하는 프로모터, 상기 조절 단백질이 결합하여 하류의 리포터 유전자의 발현을 유도하는 부위, 및 상기 리포터 유전자의 발현을 조절하는 프로모터로 구성된 유전자 발현 조절부위를 포함하는 페놀계 화합물 감지용 재설계 유전자회로를 제공하는 단계; (b) 탐색하고자 하는 효소를 코딩하는 유전자를 포함하는 클론 또는 유전자라이브러리를 제공하는 단계; (c) 상기 클론 또는 유전자라이브러리와 상기 페놀계 화합물 감지용 재설계 유전자회로를 숙주 미생물에 각각 도입하여 재조합 미생물을 제조하는 단계; (d) 상기 재조합 미생물들을 효소반응에 의해 페놀계 화합물을 유리할 수 있는 페놀 방출 화합물로 처리하는 단계; 및 (e) 효소반응에 의해 유리된 페놀계 화합물을 감지하여 발현이 유도된 리포터 단백질의 활성을 정량하는 단계를 포함하는 재설계 유전자회로를 이용한 목적효소 활성의 정량 방법에 관한 것이다.The present invention, in another aspect, (a) (i) a gene encoding a regulatory protein that recognizes a phenolic compound and induces expression of downstream reporter proteins; (ii) one or more reporter genes selected from the group consisting of genes encoding fluorescent proteins and antibiotic resistance genes; And (iii) a promoter for regulating expression of the regulatory protein, a region for binding the regulatory protein to induce expression of a reporter gene downstream, and a promoter for regulating expression of the reporter gene. Providing a redesigned genetic circuit for detecting phenolic compounds; (b) providing a clone or gene library comprising a gene encoding an enzyme to be searched; (c) preparing a recombinant microorganism by introducing the clone or gene library and the redesigned gene circuit for detecting the phenolic compound into a host microorganism, respectively; (d) treating the recombinant microorganisms with a phenol-releasing compound which may liberate the phenolic compound by enzymatic reaction; And (e) detecting the phenolic compound released by the enzymatic reaction to quantify the activity of the reporter protein in which the expression is induced.

본 발명은, 또 다른 관점에서, (a) (i) 페놀계 화합물을 인지하여 하류의 리포터 단백질의 발현을 유도하는 조절 단백질을 코딩하는 유전자; (ii) 형광 단백질을 코딩하는 유전자 및 항생제 저항성 유전자로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 리포터 유전자; 및 (iii) 상기 조절 단백질의 발현을 조절하는 프로모터, 상기 조절 단백질이 결합하여 하류의 리포터 유전자의 발현을 유도하는 부위, 및 상기 리포터 유전자의 발현을 조절하는 프로모터로 구성된 유전자 발현 조절부위를 포함하는 페놀계 화합물 감지용 재설계 유전자회로를 염색체 DNA 또는 세포질에 함유하는 미생물을 제공하는 단계; (b) 탐색하고자 하는 효소를 코딩하는 유전자를 포함하는 클론 또는 유전자라이브러리를 제공하는 단계; (c) 상기 클론 또는 유전자라이브러리를 상기 페놀계 화합물 감지용 재설계 유전자회로를 함유하는 미생물에 도입하여 재조합 미생물을 제조하는 단계; (d) 상기 재조합 미생물들을 효소반응에 의해 페놀계 화합물을 유리할 수 있는 페놀 방출 화합물로 처리하는 단계; 및 (e) 효소반응에 의해 유리된 페놀계 화합물을 감지하여 발현이 유도된 리포터 단백질의 활성을 정량하는 단계를 포함하는 재설계 유전자회로를 이용한 목적효소 활성의 정량 방법에 관한 것이다. In still another aspect, the present invention provides a method for producing a protein comprising: (a) a gene encoding a regulatory protein that recognizes a phenolic compound and induces expression of a downstream reporter protein; (ii) one or more reporter genes selected from the group consisting of genes encoding fluorescent proteins and antibiotic resistance genes; And (iii) a promoter for regulating expression of the regulatory protein, a region for binding the regulatory protein to induce expression of a reporter gene downstream, and a promoter for regulating expression of the reporter gene. Providing a microorganism containing a redesigned genetic circuit for detecting a phenolic compound in chromosomal DNA or cytoplasm; (b) providing a clone or gene library comprising a gene encoding an enzyme to be searched; (c) introducing the clone or gene library into a microorganism containing the redesigned genetic circuit for detecting the phenolic compound to produce a recombinant microorganism; (d) treating the recombinant microorganisms with a phenol-releasing compound which may liberate the phenolic compound by enzymatic reaction; And (e) detecting the phenolic compound released by the enzymatic reaction to quantify the activity of the reporter protein in which the expression is induced.

본 발명에 있어서, 상기 리포터 유전자와 상기 리포터 유전자의 발현을 조절하는 프로모터는 상호작동가능하게 연결되어 있는 것을 특징으로 할 수 있다. In the present invention, the reporter gene and the promoter for regulating the expression of the reporter gene may be characterized in that they are operably linked.

본 발명에 있어서, 상기 페놀계 화합물 분해효소 조절 단백질이 결합하여 하류의 리포터 유전자의 발현을 유도하는 부위는 상기 페놀계 화합물 분해효소 조절 단백질이 결합하여 하류의 리포터 유전자가 발현될 수 있도록 리포터유전자의 프로모터를 활성화하는 것을 특징으로 할 수 있다.In the present invention, the site where the phenolic compound degrading enzyme regulatory protein binds to induce the expression of a downstream reporter gene is linked to the phenolic compound degrading enzyme regulatory protein so that the downstream reporter gene can be expressed. It may be characterized by activating a promoter.

본 발명에 있어서, 상기 페놀계 화합물을 인지하여 하류의 리포터 단백질의 발현을 유도하는 조절 단백질을 코딩하는 유전자와 상기 조절 단백질의 발현을 조절하는 프로모터는 상호작동가능하게 연결되어 있는 것을 특징으로 할 수 있다. In the present invention, a gene encoding a regulatory protein that recognizes the phenolic compound and induces expression of a downstream reporter protein and a promoter that regulates the expression of the regulatory protein may be operably linked. have.

도 1 (가)는 본 발명에 따른 재설계 유전자회로(GESS: genetic enzyme screening system)를 이용하여 효소활성을 감지하는 원리를 나타낸 것이고, (나)는 본 발명에 따른 재설계 유전자회로의 GESS 벡터를 간략하게 나타낸 것이고, 그 중에서 유전자 발현 조절 부위를 확대하여 그 구조를 나타낸 그림으로, 여기서, TRF는 전사조절인자(transcriptional regulation factor)로써, 본 발명에서 페놀계 화합물 분해효소 조절 단백질을 코딩하는 부위(예컨대, dmpR: gene encoding the positive regulator of the phenol catabolic pathway)를 의미하는 것이고, 상기 유전자 발현 조절 부위는 크게 3가지 부분으로 나눌 수 있다- Px: 상기 페놀계 화합물 분해효소 조절단백질의 발현을 조절하는 프로모터, OpR(Operator for reporter)로 상기 페놀계 화합물 분해효소 조절 단백질이 결합하여 하류의 리포터 유전자의 발현을 유도하는 부위, 및 PR: 리포터의 발현을 조절하는 프로모터. 그 외에도, 추가적으로, 본 발명에 따른 재설계 유전자회로는, RBS(ribosome binding site), forward 전사종결인자(transcriptional terminator)(t▶), reverse 전사종결인자(transcritional terminator)(t◀) 등을 포함할 수 있다. Figure 1 (a) shows the principle of detecting the enzyme activity using the genetic enzyme screening system (GESS) according to the present invention, (b) GESS vector of the redesigned genetic circuit according to the present invention Figure 1 shows a simplified representation of the structure of the gene expression control region enlarged, wherein, TRF is a transcriptional regulation factor (transcriptional regulation factor), the site encoding the phenolic compound degrading enzyme regulatory protein in the present invention (E.g., dmpR: gene encoding the positive regulator of the phenol catabolic pathway) Gene expression control site can be divided into three parts-P x : promoter for controlling the expression of the phenolic compound degrading enzyme regulatory protein, OpR (Operator for reporter) by combining the phenolic compound degrading enzyme regulatory protein A site that induces expression of a downstream reporter gene, and P R : a promoter that regulates expression of the reporter. In addition, additionally, the redesigned genetic circuit according to the present invention includes a ribosome binding site (RBS), a forward transcriptional terminator (t), a reverse transcriptional terminator (t), and the like. can do.

상기 도 1의 (가) 및 (나)에 일 예시로써 나타난 바와 같이, 본 발명에서 "재설계 유전자회로(Artificial genetic circuit)"는 (i) 페놀계 화합물을 인지하여 하류의 리포터 단백질의 발현을 유도하는 조절 단백질을 코딩하는 유전자; (ii) 형광 단백질을 코딩하는 유전자 및 항생제 저항성 유전자로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 리포터 유전자; 및 (iii) 상기 조절 단백질의 발현을 조절하는 프로모터, 상기 조절 단백질이 결합하여 하류의 리포터 유전자의 발현을 유도하는 부위, 및 상기 리포터 유전자의 발현을 조절하는 프로모터로 구성된 유전자 발현 조절부위를 포함하는 유전자 구조물을 의미한다. As shown in (a) and (b) of FIG. 1 as an example, "Artificial genetic circuit" in the present invention (i) recognizes a phenolic compound to detect the expression of a downstream reporter protein. Genes encoding inducing regulatory proteins; (ii) one or more reporter genes selected from the group consisting of genes encoding fluorescent proteins and antibiotic resistance genes; And (iii) a promoter for regulating expression of the regulatory protein, a region for binding the regulatory protein to induce expression of a reporter gene downstream, and a promoter for regulating expression of the reporter gene. Means genetic constructs.

본 발명에서, 상기 "탐색하고자 하는 효소"는 효소반응에 의해 페놀계 화합물을 유리할 수 있는 효소일 것이다. 또한, 상기 효소는 예컨대, 알파-글루코시다제, 베타-글루코시다제, 셀룰라제, 글리코실세라미다제, 프소파타제, 피타제, 에스터라제, 리파제, 유레타나제, 아미다제, 펩티다제, 프로테이나제, 옥시도리덕타제, 페놀-리아제, 디할로게나제, 이소머라제, 모노옥시지나제 또는 디옥시지나제 등이다. In the present invention, the "enzyme to be searched" will be an enzyme that can release a phenolic compound by an enzymatic reaction. In addition, the enzyme is, for example, alpha-glucosidase, beta-glucosidase, cellulase, glycosyl ceramidase, psopatase, phytase, esterase, lipase, uretanase, amidase, peptidase , Proteinases, oxidoreductases, phenol-lyases, dihalogenases, isomerases, monooxygenases or deoxygenases.

본 발명에서, “페놀계 화합물 분해효소 조절 단백질”은 페놀계 화합물 분해효소의 발현을 조절하는 단백질로, 페놀을 감지함으로써 페놀계 화합물 분해효소의 발현을 조절하는 프로모터를 작동시키고, 이러한 프로모터와 연결되어 있는 리포터의 발현을 유도하는 단백질이다. In the present invention, the "phenolic compound degrading enzyme regulatory protein" is a protein that regulates the expression of the phenolic compound degrading enzyme, and activates a promoter that regulates the expression of the phenolic compound degrading enzyme by detecting phenol, and is connected with such a promoter. It is a protein that induces the expression of a reporter.

상기 "페놀계 화합물 분해효소 조절 단백질"에 관하여, 페놀, 자일렌, 톨루엔, 벤젠 등 방향족 유기 화합물의 분해활성을 나타내는 유전자는 Pseudomonas 속과 Acinetobacter 속에서 주로 발견되고 있으며, 이들 유전자는 다유전자가 함께 발현되는 다기능오페론으로 구성되어 있으며 σ54 의존성 전사조절에 의하여 발현된다. 대표적인 전사 활성화인자로는 XylR, DmpR, MopR, PhhR, PhlR, TbuT 등이 알려져 있고, 이 중 Pseudomonas putida에서 톨루엔과 자일렌 분해 대사에 관여하는 XylR (Ramos & Marques, (1997) Annu . Rev . Microbiol . 51: 341-372)와 페놀 분해대사에 관여하는 DmpR이 가장 잘 알려져 있다 (Shingler et al ., (1993) J. Bacteriol. 175: 1596-1604). 특히 자연환경에 오염된 톨루엔이나 자일렌, 혹은 페놀을 검출하기 위하여 XylR이나 DmpR을 이용하는 연구는 미생물 바이오센서라는 개념으로 많이 연구되고 왔다 (Ramirez et al ., (2004) USP Pat. No.(US 6,803,224 B2); Wise et al ., (2004) USP Pat. No.(US 6,773,918 B2)). 이러한 NtrC family 발현조절인자는 페놀, 자일렌 같은 활성화인자를 인식하는 도메인(A 도메인)과 ATPase 활성을 가지고 있는 도메인(C도메인), 그리고 DNA에 결합하는 기능을 하는 도메인(D 도메인)들의 조합으로 구성된다. 따라서 페놀 분자가 없을 때에는 A 도메인이 전사를 저해하지만, 페놀분자가 결합하여 A 도메인을 억제하면 C와 D 도메인에 의한 전사활성화 기능이 나타나게 된다. 최근에는 A 도메인의 특이성을 이용하여 새로운 물질의 감지에 이용하는 연구 및 유전공학적 방법을 통하여 특이성을 개량연구도 알려지고 있다 (Pavel, H. et al. (1994) J. Bacteriol . 176(4): 7550-7557). Regarding the "phenolic compound degrading enzyme regulating protein", genes showing degradative activity of aromatic organic compounds such as phenol, xylene, toluene, and benzene are mainly found in Pseudomonas genus and Acinetobacter , and these genes include polygenes . It is composed of multifunctional operon to be expressed and is expressed by σ 54 dependent transcriptional regulation. Representative transcriptional activators include XylR, DmpR, MopR, PhhR, PhlR, TbuT, etc. Among these, Pseudomonas XylR involved in toluene and xylene catabolism in putida (Ramos & Marques, (1997 ) Annu Rev Microbiol 51:... 341-372) and is involved in the DmpR phenol catabolism best known (Shingler et al . , (1993) J. Bacteriol. 175: 1596-1604. In particular, the use of XylR or DmpR to detect toluene, xylene or phenol contaminated with the natural environment has been studied in the concept of microbial biosensor (Ramirez et al. al . , (2004) USP Pat. No. (US 6,803,224 B2); Wise et al . , (2004) USP Pat. No. (US 6,773,918 B2)). This NtrC family expression regulator is a combination of a domain that recognizes activators such as phenol and xylene (A domain), a domain that has ATPase activity (C domain), and a domain that binds to DNA (D domain). It is composed. Therefore, in the absence of a phenol molecule, the A domain inhibits transcription. However, when the phenol molecule binds to inhibit the A domain, transcriptional activation functions by the C and D domains appear. Recently, studies on improving specificity through the use of specificity of the A domain for the detection of new substances and genetic engineering methods have been known (Pavel, H. et. al . (1994) J. Bacteriol . 176 (4): 7550-7557).

따라서, 본 발명에서 바람직하게 사용되는 페놀계 화합물 분해효소 조절 단백질은 P. putida 유래 페놀분해 오페론의 조절 단백질인 dmpR, 또는 이의 변이체일 수 있다. dmpR은 페놀, 자일렌, 톨루엔, 벤젠 등 방향족 유기 화합물의 분해활성을 나타내는 dmp 오페론 유전자의 σ54 의존성 전사활성조절부분이다. P. putida 유래 dmp 오페론은 15개의 유전자로 구성되어 있으며, 이 중에서 dmpKLMNOP는 phenol hydroxylation에 필요한 효소들을 코드하고, dmpQBCDEFGHI는 catechol 중간물질을 분해하는 meta 분해경로의 효소들을 코드한다. dmpKLMNOP 오페론의 발현은 σ5 4의존성 전사조절인자인 dmpR이 dmpK 상위의 dmp 오퍼레이터에 결합하여 활성화되며, dmpR 자체에 대한 전사조절인자는 σ70의존성으로 알려져 있다(Lee et al ., (1996) J. Biol . Chem . 271(29): 17281-17286). 또한, 상기 dmpR의 변이체는, 예컨대, dmpR 아미노산 서열의 135번째 E가 K로 변이된 E135K, 이 외에도, E172K, D135N, D135N/E172K, F65L, L184I, F42Y, R109C, L113V, D116N, F122L, K6E/F42S, Q10R/K117M, Q10R, D116G/K117R, D116V 변이체 등이 페놀류에 대한 친화도가 크므로, 이들 위치 또는 주변부에서의 단일, 또는 다중 변이를 포함한 다양한 변이체들, 이 외에도 다양한 dmpR의 변이체들도 본 발명의 범위에 포함될 것이다Therefore, the phenolic compound degrading enzyme regulatory protein preferably used in the present invention may be dmpR, or a variant thereof, which is a regulatory protein of P. putida- derived phenolic operon. dmpR is the σ 54 -dependent transcriptional activity regulatory portion of the dmp operon gene which shows the degradation activity of aromatic organic compounds such as phenol, xylene, toluene and benzene. P. putida The derived dmp operon consists of 15 genes, among which dmpKLMNOP codes for the enzymes required for phenol hydroxylation, and dmpQBCDEFGHI codes for the metabolic pathway that degrades catechol intermediates. The expression of dmpKLMNOP operon was determined by dmpR, which is a σ 5 4 dependent transcriptional regulator. Activated in conjunction with the operator, dmpR The transcriptional regulator of itself is known to be σ 70 dependent (Lee et al . , (1996) J. Biol . Chem . 271 (29): 17281-17286. In addition, the variant of dmpR is, for example, E135K, where the 135th E of the dmpR amino acid sequence is K-mutated, in addition to E172K, D135N, D135N / E172K, F65L, L184I, F42Y, R109C, L113V, D116N, F122L, K6E / F42S, Q10R / K117M, Q10R, D116G / K117R, and D116V variants have high affinity for phenols, so that various variants including single or multiple mutations at these positions or periphery, as well as variants of various dmpRs Will also be included within the scope of this invention.

본 발명에서, "유전자 발현 조절 부위"란, 도 1의 (나)에 나타난 바와 같이, 재설계 유전자 회로 전체를 조절하는 파트로써, (i) 상기 전사 조절 인자인 페놀계 화합물 분해효소 조절 단백질의 발현을 조절하는 프로모터, (ii) 상기 페놀계 화합물 분해효소 조절 단백질이 결합하여 하류의 리포터 유전자의 발현을 유도하는 부위, 및 (iii) 리포터 유전자의 발현을 조절하는 프로모터로 구성된다. 상기 페놀계 화합물 분해효소 조절 단백질은 페놀 분자가 없을 때에는 A 도메인이 전사를 저해하지만, 페놀분자가 결합하여 A 도메인을 억제하면, C와 D 도메인에 의한 전사활성화 기능이 나타나게 되어, 도 1 (나)에서 OpR(Operator for Reporter) 부위에 결합하며, 이것은 σ54 의존성으로 그 활성이 조절된다.In the present invention, as shown in (b) of FIG. 1, the "gene expression control site" is a part for regulating the entire redesigned gene circuit, and (i) the phenolic compound degrading enzyme regulatory protein as the transcriptional regulator Promoter for regulating expression, (ii) the site where the phenolic compound degrading enzyme regulatory protein binds to induce the expression of the downstream reporter gene, and (iii) the promoter for regulating the expression of the reporter gene. In the absence of a phenolic molecule, the phenolic compound degrading enzyme regulatory protein inhibits transcription, but when phenol molecules bind to inhibit the A domain, transcriptional activation function by the C and D domains is shown. ) Binds to the OpR (Operator for Reporter) site, whose activity is regulated with σ 54 dependency.

본 발명에서, “프로모터”는 페놀계 화합물 분해효소 조절 단백질의 발현을 조절하는 프로모터 또는, 리포터 단백질의 발현을 조절하는 프로모터를 의미하며, 예를 들어 Pseudomonas의 dmpR 또는 dmp 오페론의 프로모터나 일반 단백질 발현용 프로모터가 사용될 수 있으며, 외래 단백질의 고발현용으로 trc, T7, lac, ara 프로모터를 비롯한 고발현 프로모터가 사용될 수 있고, 특히, inducer가 필요없는 항시 고발현벡터인 Phce가 사용될 수 있다. In the present invention, "promoter" refers to a promoter that regulates the expression of a phenolicase degrading enzyme regulatory protein or a promoter that controls the expression of a reporter protein, for example, a promoter of dmpR or dmp operon of Pseudomonas or general protein expression. Promoter may be used, and high expression promoters including trc, T7, lac, ara promoters may be used for high expression of foreign proteins, and in particular, P hce, which is a high expression vector that does not need an inducer, may be used.

구체적으로 도 1의 (나)에 나타난 바와 같이, 상기 리포터 단백질의 발현을 조절하는 프로모터로는 E. coli의 σ54-의존성 프로모터(PECO)가 사용될 수 있다. 이것 외에도, pGESS의 숙주에 따라 Pseudomonas putida(PPPU), yeast(PYST) 등에도 적용하는 것은 당업자에 자명할 것이다. Specifically, as shown in (b) of FIG. 1, as a promoter for controlling the expression of the reporter protein, σ- 54 -dependent promoter (P ECO ) of E. coli may be used. In addition to this, Pseudomonas depends on the host of pGESS Applicability to putida (P PPU ), yeast (P YST ) and the like will be apparent to those skilled in the art.

본 발명에 있어서, 상기 재설계 유전자회로는, 상기 프로모터 뿐만 아니라, 바람직하게는, 리포터 단백질의 발현을 용이하게 해주는 RBS(Ribosome Binding Site) 및/또는 전사종결인자를 포함할 수 있다. 즉, 상기 조절 단백질의 발현을 조절하는 부위로써, 상기 프로모터 이외에도 RBS 및/또는 전사종결인자를 포함할 수 있는 것이다. In the present invention, the redesigned gene circuit may include not only the promoter, but preferably RBS (Ribosome Binding Site) and / or transcription terminator that facilitates expression of the reporter protein. That is, as a site for regulating the expression of the regulatory protein, in addition to the promoter, it may include RBS and / or transcription terminator.

일반적으로 단백질의 발현은 mRNA에서 개시코돈인 AUG(메티오닌) 혹은 GUG(발린)에서 시작하는데, 리보좀이 단백질 내부의 잔기에 위치한 AUG 혹은 GUG와 단백질 개시코돈으로서의 AUG와 GUG의 구분은 DNA의 퓨린 염기가 풍부한 RBS (또는 샤인-달가노 연속부분; Shine-Dalgarno (SD) sequence)에 의하여 결정되며 이 RBS는 종마다 서열이 차이가 나는 것으로 알려져 있다 (Stryer, L., (1995) Biochemistry, (4 th ed .) W. H. Freeman, Chapter 34, Protein Synthesis). 본 발명에서 구축한 재설계 유전자회로는 Pseudomonas의 전사조절인자를 사용하고 있는데 유전자회로의 숙주인 대장균과는 생존 형태가 많이 다를 뿐만 아니라 σ54의존성 유전자 발현의 경우에는 σ54 결합부위나 σ54 인자 자체가 대장균과 많이 다르기 때문에 Pseudomonas의 RBS (RBSPPU) 또는 숙주인 대장균에서 리포터 단백질의 발현을 용이하게 하기 위하여 대장균용 RBS(RBSε), 또는 모든 균주에 통합적으로 사용가능한 RBS(RBSx)를 사용할 수 있으며, 본 발명의 일 실시예로써 T7 RBS 또한 사용가능할 것이다. In general, protein expression starts with AUG (methionine) or GUG (valine), which is an initiation codon in mRNA. Is determined by a rich RBS (or Shine-Dalgarno (SD) sequence), which is known to differ in sequence from species to species (Stryer, L., (1995) Biochemistry, (4) th ed .) WH Freeman, Chapter 34, Protein Synthesis). Redesigned gene circuit built in the present invention and were using transcription factors in Pseudomonas as host E. coli of the gene circuit as well as the survival shape very different from the case of σ 54-dependent gene expression, the σ 54 binding site or the σ 54 factor Since it is very different from E. coli, it is possible to use E. coli RBS (RBSε) or RBS (RBSx) which can be integrated into all strains to facilitate the expression of reporter protein in Pseudomonas RBS (RBS PPU ) or host E. coli. T7 RBS may also be used as an embodiment of the present invention.

본 발명에 있어서, 상기 전사종결인자는, 바람직하게는, rrnBT1T2 또는 tL3일 수 있고, 이것 이외에도, 당업계에서 통상적으로 사용되는 여하한 전사종결인자를 사용하여 본 발명을 구성할 수 있다. In the present invention, the transcription terminator may preferably be rrnBT1T2 or tL3, and besides this, any transcription terminator commonly used in the art may be used to constitute the present invention.

본 발명에서 리포터는 형광단백질 및 항생제 저항성 유전자로부터 선택된 하나 이상일 수 있다. 형광단백질로는 바람직하게 GFP, GFPUV, 또는 RFP를 사용할 수 있고, 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 한 본 발명에 사용할 수 있는 형광단백질은 이러한 예에 한정되지 않는다. 또한, 상기 항생제 저항성 유전자는 카나마이신, 클로람페니콜, 테트라사이클린 등 항생제에 저항성인 유전자 등 통상의 항생제 저항성 유전자를 사용할 수 있다. In the present invention, the reporter may be one or more selected from fluorescent proteins and antibiotic resistance genes. As the fluorescent protein, preferably, GFP, GFP UV , or RFP can be used, and as long as the object of the present invention can be achieved, the fluorescent protein that can be used in the present invention is not limited to these examples. The antibiotic resistance gene may be a conventional antibiotic resistance gene such as genes resistant to antibiotics such as kanamycin, chloramphenicol and tetracycline.

본 발명의 일 구체예로써, 리포터는 형광단백질과 항생제 저항성 유전자 둘 모두로 구성된 이중리포터(dual reporter), 둘 이상의 리포터로 구성된 다중 리포터일 수 있다. 본 발명에 따르면 메타게놈 라이브러리와 페놀 감지 재설계 유전자회로를 적합한 미생물 숙주내로 순차적 형질전환(stepwise transformation)시키는 데, 공지된 여하한 방법을 이용할 수 있다. 형질전환의 효율을 높이기 위해서, 바람직하게 전기천공법(electroporation)을 사용할 수 있다. In one embodiment of the present invention, the reporter may be a dual reporter consisting of both a fluorescent protein and an antibiotic resistance gene, a multiple reporter consisting of two or more reporters. In accordance with the present invention, any known method can be used to stepwise transform the metagenome library and phenol sensing redesign gene circuit into a suitable microbial host. In order to increase the efficiency of transformation, electroporation may be preferably used.

본 발명에 있어서, 상기 탐색하고자 하는 효소를 코딩하는 유전자는 클론 또는 유전자 라이브러리의 형태로, 분자생물학 연구분야에서 적용가능한 단일 유전자, 게놈라이브러리, 메타게놈 또는 메타게놈 라이브러리 형태로 제공될 수 있다.또한, 상기 단일 유전자는 벡터 또는 미생물에 포함된 형태로 제공될 수 있다. In the present invention, the gene encoding the enzyme to be searched may be provided in the form of a clone or gene library, in the form of a single gene, genomic library, metagenomic or metagenomic library applicable in the field of molecular biology research. The single gene may be provided in a form contained in a vector or a microorganism.

본 발명에 있어서, 상기 재설계 유전자회로는 벡터 또는 미생물의 형태로 제공될 수 있다. 본 발명에 있어서, 상기 미생물은 바람직하게 대장균, 효모, 또는 식물세포, 동물세포 등 일 수 있다. In the present invention, the redesigned genetic circuit may be provided in the form of a vector or a microorganism. In the present invention, the microorganism is preferably E. coli, yeast, or plant cells, animal cells and the like.

본 발명에 따르면, 상기 유전자회로로 형질전환된 미생물을 효소반응에 의해 페놀류를 유리할 수 있는 페놀 방출 화합물로부터 선택된 하나 이상의 기질로 처리한다. 바람직하게는, 효소반응을 최적화하기 위하여 세포생장-재설계 유전자회로의 활성화 단계가 분리되도록 기질 첨가시기를 조절할 수 있다. 예를 들어, 기질 처리 단계는 영양배지에서 성장된 건강한 미생물을 회수하는 단계 및 회수된 미생물을 최소배지에서 기질로 처리하는 단계로 이루어질 수 있다. According to the present invention, the microorganism transformed by the gene circuit is treated with one or more substrates selected from phenol-releasing compounds which may liberate phenols by enzymatic reaction. Preferably, the substrate addition timing may be adjusted to separate the activation stage of the cell growth-redesigned gene circuit in order to optimize the enzymatic reaction. For example, the substrate treatment step may comprise recovering healthy microorganisms grown in nutrient media and treating the recovered microorganisms with the substrate in minimal media.

상기 영양 배지 또는 최소배지는 기술분야에 일반적으로 사용될 수 있는 다양한 배지가 적용가능할 것이다.The nutritional medium or minimal medium will be applicable to a variety of media that can be used generally in the art.

바람직하게는, 형질전환된 미생물의 세포 성장(OD600)이 약 1.5 ~ 4 사이일 때 기질을 처리하여 효소 활성화반응을 최적화할 수 있고, 더욱 바람직하게는 활성화반응을 14 ~ 16시간 진행시켜 효소반응을 최적화할 수 있다. Preferably, when the cell growth (OD 600 ) of the transformed microorganism is about 1.5 to 4, the substrate may be treated to optimize the enzyme activation reaction, and more preferably, the enzyme reaction may be performed for 14 to 16 hours. The reaction can be optimized.

페놀류 인지 전사조절 단백질은 σ54의존성으로서 영양성분이 제한된 환경에서 잘 작동하는 특징을 지닌다(Sze et al ., (1996) J. Bacteriol . 178: 37273735). 액체배양의 경우 LB배지에서는 생장이 좋으나 유전자회로의 반응성이 낮고 반대로 M9배지는 반응성은 높으나 성장속도가 느려 고속탐색에는 부적당한 면이 있었다. 또한, 기질을 배양초기에 첨가시키면 성장함에 따라 효소반응이 진행되어 세포간의 성장차이로 인한 효소활성 비교에서의 오차를 지니게 된다. 본 발명의 실시예에서는 이를 극복하고자 영양성분이 풍부한 LB배지를 사용하여 37℃에서 진탕배양을 시킨 후 세포농도(OD600)가 약 1.5 ~ 4 사이가 될 때 세포를 회수하는 단계(제 1단계: 생장단계), 회수된 세포를 기질이 첨가된 M9배지를 사용하여 30℃에서 14 ~ 16시간 효소반응을 진행시키는 단계(제 2단계: 재설계 유전자회로 활성화 단계)로 분리해서 기질 첨가를 조절하여 효소반응을 최적화시킨다. Phenolic cognitive transcriptional regulators are dependent on σ 54 and work well in environments with limited nutrients (Sze et. al . , (1996) J. Bacteriol . 178: 37273735). In the case of liquid culture, growth was good in LB medium, but the reactivity of gene circuit was low. On the contrary, M9 medium had high reactivity, but it was inadequate for high-speed search due to slow growth rate. In addition, when the substrate is added at the beginning of the culture, the enzymatic reaction proceeds as it grows, and thus there is an error in comparing the enzyme activity due to the growth difference between cells. In an embodiment of the present invention to recover the cells when the cell concentration (OD 600 ) is between about 1.5 to 4 after shaking culture at 37 ℃ using a nutrient-rich LB medium to overcome this (first step) : Growth step), the recovered cells are separated by the step of proceeding the enzyme reaction at 30 ℃ 14 ~ 16 hours using a substrate M9 medium (step 2: redesigned gene circuit activation step) to control the substrate addition To optimize the enzyme reaction.

본 발명에 따르면, "페놀 방출 화합물"은 세포내 효소활성 감지에 사용될 수 있는 기질로써, 효소반응에 의해 페놀을 방출할 수 있는 화합물이며, 효소 반응에 의해서 페놀, 2-클로로페놀, 2-요오드페놀, 2-플로로페놀, o-크레졸, 2-에틸페놀, m-크레졸, 2-니트로페놀, 카테콜, 2-메톡시페놀, 2-아미노페놀, 2,3-디클로로페놀, 3-클로로페놀, 2,3-디메틸페놀, 3-니트로페놀, 4-클로로페놀, p-크레졸, 2,5-디클로로페놀, 2,5-디메틸페놀 등과 같은 페놀계 화합물을 방출할 수 있는 화합물이다. 이를, "페놀-태그 기질(phenol-tag substrate)"이라고도 한다. According to the present invention, a "phenol-releasing compound" is a substrate that can be used to detect intracellular enzymatic activity, and is a compound capable of releasing phenol by enzymatic reaction, and phenol, 2-chlorophenol and 2-iodine by enzymatic reaction. Phenol, 2-fluorophenol, o -cresol, 2-ethylphenol, m -cresol, 2-nitrophenol, catechol, 2-methoxyphenol, 2-aminophenol, 2,3-dichlorophenol, 3-chloro And phenolic compounds such as phenol, 2,3-dimethylphenol, 3-nitrophenol, 4-chlorophenol, p -cresol, 2,5-dichlorophenol, 2,5-dimethylphenol and the like. This is also referred to as a "phenol-tag substrate."

효소 반응에 의해 페놀류를 유리할 수 있는 페놀 방출 화합물, 즉 페놀-태그 기질은 페놀 히드록실기(hydroxy, -OH)가 수식된 에스테르(ester, -OOC-), 에테르(ether, -OC-), 글리코사이드(glycoside, -O-Glc), 인산에스테르(phospho-ester, -O-PO3), 오르쏘-, 메타-, 파라- 위치에 알킬(-CH3), 히드록실(-OH), 카르복실(-COOH), 아미노(-NH2), 티올(-SH), 아마이드(amide, -NH-CO- 또는 -CO-NH-), 설파이드(sulfide, -S-SH), 할로겐기(-Cl, -Br, -F)가 도입된 페놀 유도체 또는 벤젠고리 화합물 등이다. Phenol-releasing compounds that can liberate phenols by enzymatic reactions, ie, phenol-tag substrates, include esters with modified phenol hydroxyl groups (hydroxy, -OH), ether (-OOC-), ether (ether, -OC-), Glycoside (-O-Glc), phospho-ester (-O-PO 3 ), ortho-, meta-, para-position alkyl (-CH 3 ), hydroxyl (-OH), Carboxyl (-COOH), amino (-NH 2 ), thiol (-SH), amide (amide, -NH-CO- or -CO-NH-), sulfide (-S-SH), halogen group ( Phenol derivatives or benzene ring compounds in which -Cl, -Br, -F) are introduced;

구체적으로, 본 발명에 따른 페놀-태그 기질로는 페놀기와 공유결합으로 연결된 다양한 페놀유도체가 사용될 수 있다. 예를 들어 페놀의 히드록실기(hydroxy, -OH)를 수식하여 제조한 에스테르 결합물(ester, -OOC-), 에테르 결합물(ether, -OC-), 글리코사이드 결합물(glycoside, -O-Glc), 인산에스테르 결합물(phospho-ester, -O-PO3)을 기질로 이용하는 경우, 에스터라아제(esterase), 리파아제(lipase), 글리코시다아제(glycosidase), 포스파타아제(phosphatase), 피타아제(phytase) 활성을 감지하는 목적으로 이용할 수 있다 (표 1). Specifically, various phenol derivatives covalently linked to the phenol group may be used as the phenol-tag substrate according to the present invention. For example, ester compound (ester, -OOC-), ether compound (ether, -OC-), glycoside compound (glycoside, -O) prepared by modifying hydroxyl group (hydroxy, -OH) of phenol -Glc), phosphate esters (phospho-ester, -O-PO 3 ) as a substrate, esterase, lipase, glycosidase, phosphatase It can be used for the purpose of detecting phytase activity (Table 1).

또한, 페놀-태그 기질은 오르쏘-, 메타-, 파라-의 한 위치에 새로운 메틸기(-CH3), 히드록실기(-OH), 카르복시길(-COOH), 아미노기(-NH2), 황화수소(-SH)를 도입하여 제조된 물질일 수 있다. 이 위치에 아마이드결합(amide, -NH-CO- 또는 -CO-NH-), 설파이드결합(sulfide, -S-SH)을 갖는 물질을 기질로 사용하면 아마이드기를 통하여 연결된 페놀화합물은 아마이다아제(amidase), 펩티다아제(peptidase) 활성을 감지할 목적에 이용할 수 있으며, 설파이드기를 통하여 연결된 페놀화합물을 이용하면 세포내 산화환원수준을 감지할 목적으로 이용할 수 있다. 또한, 페놀-태그 기질로 새로운 탄소결합이 연결된 페놀화합물 즉, Ph-C-(R)이 이용되는 경우, 탄소결합을 분해하여 페놀을 유리하는 페놀 리아제(phenol-lyase) 활성을 감지할 수도 있다. 페놀-태그 기질로는 벤젠고리 물질이 이용될 수도 있으며, 이 경우 방향족화합물의 산화에 관여하는 모노옥시겐나아제(monooxygenase), 디옥시겐나아제(dioxygenase) 등의 산화효소 활성을 감지할 수 있다. 염소(Cl), 브롬(Br), 플루오르(F) 등 할로겐에 결합한 페놀화합물도 기질로 이용될 수 있다. 이 경우 위 할로겐화 페놀화합물에 작용하여 탈할로겐화(dehalogenation)하거나 할로겐의 위치를 바꾸는 이성질화(isomerization)하는 효소 활성이 본 발명에 따라 감지될 수 있다. In addition, the phenol-tag substrate is a new methyl group (-CH 3 ), hydroxyl group (-OH), carboxyl (-COOH), amino group (-NH 2 ), in one position of ortho-, meta-, para-, It may be a material prepared by introducing hydrogen sulfide (-SH). When a substance having an amide bond (amide, -NH-CO- or -CO-NH-) and a sulfide bond (sulfide, -S-SH) at this position is used as a substrate, the phenolic compound linked through the amide group is amidase ( amidase), peptidase (peptidase) activity can be used for the purpose of sensing, and phenolic compounds linked through a sulfide group can be used for the purpose of detecting the intracellular redox level. In addition, when a phenol compound having a new carbon bond, ie, Ph-C- (R), is used as the phenol-tag substrate, the phenol-lyase activity that liberates phenol may be detected by decomposing the carbon bond. . Benzene ring material may be used as the phenol-tag substrate. In this case, oxidase activity such as monooxygenase and dioxygenase, which are involved in the oxidation of aromatic compounds, may be detected. have. Phenolic compounds bound to halogen such as chlorine (Cl), bromine (Br), and fluorine (F) may also be used as substrates. In this case, enzymatic activity of dehalogenation or isomerization that changes the position of halogen by acting on the above halogenated phenolic compound can be detected according to the present invention.

앞서 언급한 다양한 페놀화합물에서 공유결합을 다른 유기분자로 옮기는 전이효소(transferase)나, 새로운 공유결합을 생성하는 합성효소(ligase)의 활성도 같은 원리에 의하여, 본 발명에 의하여 감지될 수 있다. In the above-mentioned various phenolic compounds, transferases for transferring covalent bonds to other organic molecules or ligase activity for generating new covalent bonds can be detected by the present invention.

따라서, 본 발명에서 제시한 다양한 페놀-태그 기질을 이용하면, 세포내에 존재하는 특정 가수분해효소(hydrolase), 산화환원효소(oxido-reductase), 이성화효소(isomerase), 분해효소(lyase), 전이효소(transferase) 등을 감지할 수 있다. 본 발명에서 세포내 효소활성 감지에 이용되는 기질은 페놀-태그 화합물로서, 페놀, o/p-nitrophenol, o/p-chlorophenol 등을 포함하는 다양한 합성기질을 말한다 (표 1). 이러한 페놀-태그 화합물에 적절한 효소가 작용하면 위 페놀물질이 원래의 페놀-태그 화합물로부터 유리되게 된다. 예를 들어 phenyl-β-glucoside에 대장균의 β-galactosidase (lacZ)가 작용하면 페놀성분이 효소활성에 따라 유리된다 (도 1). 표 1은 페놀-태그 기질의 특징과 관련 효소반응의 예를 제시하였다.Therefore, using the various phenol-tag substrates presented in the present invention, specific hydrolase, oxido-reductase, isomerase, lyase, transfer Enzymes can be detected. In the present invention, the substrate used for detecting intracellular enzymatic activity refers to various synthetic substrates including phenol, o / p-nitrophenol, o / p-chlorophenol, etc. (Table 1). Appropriate enzyme action on these phenol-tagged compounds frees the phenolic substance from the original phenol-tagged compound. For example, in phenyl-β-glucoside When β-galactosidase (lacZ) acts, the phenol component is released according to the enzyme activity (Fig. 1). Table 1 gives examples of phenol-tag substrate characteristics and related enzymatic reactions.

[표 1][Table 1]

Figure 112010036853819-pat00001

Figure 112010036853819-pat00001

즉, 페놀을 감지하는 재설계 유전자회로를 함유한 재조합 미생물에 임의의 효소 유전자를 도입하고, 페놀-태그 기질을 처리하면 세포내 효소유전자의 기능 및 활성도에 따라서 페놀화합물의 농도가 변화하게 된다. 따라서, 페놀화합물의 발현유도 기능에 의한 형광, 항생제저항성 등 리포터의 정량적 증가를 형광분석기, 항생제저항성 등 다양한 측정기술을 이용하여 탐색하면 세포내외의 효소활성을 고감도로 감지할 수 있는 새로운 측정방법을 제공하게 된다. 또한, 본 발명에서 리포터로 사용되는 형광단백질, 항생제저항성 단백질은 고도의 민감성 측정방법을 적용할 수 있을 뿐만 아니라, 세포막을 통과하지 않고 특정세포 내부에 한정되므로 그 세포 내에서 발현되는 외래 유전자의 특성을 개별적으로 발휘하게 된다. 따라서, 하나하나의 세포(single cell)가 독립적인 반응조 및 분석기의 역할을 수행하게 되므로 효소반응에 의해 유리된 페놀류를 감지하여 발현이 유도된 리포터의 활성을 측정하는 수단으로 수백-수천만 개의 대량시료를 형광유세포분석기 (FACS), 미세콜로니 형광이미지분석, 형광스펙트럼분석, 항생제 선택배지를 이용한 대량탐색 등을 이용하여 측정할 수 있다.
In other words, the introduction of an enzyme gene into a recombinant microorganism containing a redesigned gene circuit for detecting phenol and processing a phenol-tag substrate will change the concentration of the phenolic compound depending on the function and activity of the enzyme within the cell. Therefore, if a quantitative increase in reporter such as fluorescence and antibiotic resistance due to the expression-inducing function of phenolic compounds is explored using various measurement techniques such as fluorescence spectrometer and antibiotic resistance, a new measurement method can be detected with high sensitivity. Will be provided. In addition, the fluorescent protein and antibiotic resistance protein used as a reporter in the present invention can not only apply a highly sensitive measurement method, but also are characterized in that the foreign gene is expressed in the cell because it is limited to a specific cell without passing through the cell membrane. Will be used individually. Therefore, since each single cell plays the role of an independent reactor and analyzer, it is a means of measuring the activity of reporter induced expression by detecting phenols liberated by enzymatic reaction. It can be measured using a fluorescence flow cytometer (FACS), micro colony fluorescence image analysis, fluorescence spectrum analysis, mass search using antibiotic selection medium.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. It is to be understood by those skilled in the art that these examples are for illustrative purposes only and that the scope of the present invention is not construed as being limited by these examples.

본 발명에 따른 재설계 유전자회로 구축Genetic redesign according to the present invention

(1) 페놀 감지 발현 조절 인자 (1) Phenolic Sensing Expression Regulator dmpRdmpR 기반의 재설계 유전자회로 구축 Based redesigned genetic circuit

본 발명에 따른 효소활성 탐색방법에는 기질로부터 유리되는 페놀을 감지하기 위한 재설계 유전자회로의 구축이 필요하다. 페놀계 화합물을 인지하는 페놀계 화합물 분해효소의 조절 단백질로는 P. putida 유래 페놀분해 오페론 (dmp 오페론)의 조절단백질인 dmpR을 플라스미드 pUC19에 클로닝하여 이용하였고, 리포터 단백질로는 녹색형광단백질 (GFP, enhanced green fluorescence protein)을 이용하였다. 클로닝 과정은 다음과 같다. 먼저 pMGFP 플라스미드 (Ha et al. (2007) Appl . Environm. Microbiol . 73(22): 7408-7414)를 EcoR I과 HindIII 제한 효소를 처리하여 720bp의 GFP 조각을 확보한 다음 pUC19 벡터에 도입하여 pUGFP를 구성하였다 (도 2). Enzyme activity detection method according to the present invention requires the construction of a redesigned genetic circuit for detecting phenol released from the substrate. P. putida is a regulatory protein for phenolic compound degrading enzymes that recognizes phenolic compounds . DmpR, a regulatory protein of the derived phenol deferred operon (dmp operon), was cloned into plasmid pUC19, and a reporter protein was used as an enhanced green fluorescence protein (GFP). The cloning process is as follows. First, the pMGFP plasmid (Ha et al . (2007) Appl . Environm. Microbiol . 73 (22): 7408-7414) was treated with EcoR I and HindIII restriction enzymes to obtain 720 bp GFP fragments and then introduced into the pUC19 vector to construct pUGFP (FIG. 2).

P. putida 유래 dmp 오페론은 15개의 유전자로 구성되어 있으며, 이중에서 dmpKLMNOP는 phenol hydroxylation에 필요한 효소들을 코드하고, dmpQBCDEFGHI는 catechol 중간물질을 분해하는 meta 분해경로의 효소들을 코드한다. dmpKLMNOP 오페론의 발현은 σ54-의존성 전사조절인자인 dmpR이 dmpK 상위의 dmp operator에 결합하여 활성화되며, dmpR 자체에 대한 전사조절인자는 σ70-의존성으로 알려져 있다 (Lee, C. N. et al. (1996) J. Biol . Chem . 271(29): 17281-17286). 본 발명에서는 서열번호 1과 서열번호 2의 프라이머를 이용하여 P. putida 콜로니를 PCR 증폭하여, EcoRI 제한효소 링커를 포함한 dmpR유전자 (1,692 bp), dmp operator-promoter 영역, 그리고 dmpK 유전자 일부 (42bp)와 클로닝 과정 중 삽입된 제한효소 서열 12bp로 구성된 2,157bp의 DNA조각(서열번호 32)을 제조하였다. dmpK 유전자는 dmpR과 반대방향으로 405bp 떨어진 위치 (1,693~2,097)에 있고, 리포터 유전자는 dmpK의 N-말단 42 bp 뒤에 연결되도록 구성하였다. P. putida Origin dmp The operon consists of 15 genes, of which dmpKLMNOP codes for the enzymes required for phenol hydroxylation, and dmpQBCDEFGHI codes for the metabolic pathway that degrades catechol intermediates. dmpKLMNOP of operon expression σ 54 - dependent transcription factors of the dmpR dmpK top of dmp Activated in conjunction with operator , dmpR The transcriptional regulator of itself is known as σ 70 -dependent (Lee, CN et. al . (1996) J. Biol . Chem . 271 (29): 17281-17286. In the present invention, using the primers of SEQ ID NO: 1 and SEQ ID NO: 2 P. putida PCR amplification of colonies resulted in a DNA fragment of 2,157 bp consisting of a dmpR gene (1,692 bp) including an EcoRI restriction enzyme linker, a dmp operator-promoter region, and a portion of the dmpK gene (42 bp) and 12 bp restriction enzyme sequence inserted during the cloning process. SEQ ID NO: 32) was prepared. The dmpK gene is located 405 bp away from the dmpR ( 1,693-2,097 ), and the reporter gene is configured to be linked after the N- terminal 42 bp of dmpK .

서열번호 1: 5'-CCGGAATTCGAGCTGATCGAAAGTCGG-3'SEQ ID NO: 5'-CCGGAATTCGAGCTGATCGAAAGTCGG-3 '

서열번호 2: 5'-CCGGAATTCCTAGCCTTCGATGCCGAT-3'SEQ ID NO: 5'-CCGGAATTCCTAGCCTTCGATGCCGAT-3 '

dmpK의 N-말단조각을 남겨둔 것은 형광단백질, 다양한 항생제저항성 유전자 등이 리포터로 사용되어도 dmp operator-promoter 영역의 전사촉진 (transcription enhancer) 기능을 안정적으로 유지하기 위한 것이었다. 이 PCR 산물은 pUGFP의 EcoR I부위에 클로닝하여 pGESS-T1 (5,510 bp; 이하 pGESS클론의 상세한 설명은 표 2)를 구성하였다 (도 2). 연결한 삽입DNA는 양방향으로의 삽입이 가능하므로 얻어진 클론의 염기서열을 분석하여, 상기 PCR 산물이 정확하게 삽입된 EcoRI부위부터 dmpR-Px-페놀계 화합물 분해효소 조절단백질 결합부위-PR-GFP부위에 이르는 서열(서열번호 31)이 포함되어 구성된 것을 선별하였다. The N-terminal fragment of dmpK was left to stabilize the transcription enhancer function of the dmp operator-promoter region even when fluorescent proteins and various antibiotic resistance genes were used as reporters. This PCR product was cloned into the EcoR I site of pUGFP to construct pGESS-T1 (5,510 bp; Table 2 below details of pGESS clones) (FIG. 2). Since the inserted DNA can be inserted in both directions, the nucleotide sequence of the obtained clone is analyzed, and the dmpR-Px-phenolic compound degrading enzyme-binding site-P R -GFP site is inserted from the EcoRI site where the PCR product is correctly inserted. The sequence consisting of (SEQ ID NO: 31) was selected.

본 실시예에서 제조되어 사용되는 다양한 GESS 클론에 관한 설명은 하기 표 2와 같다.Description of the various GESS clones prepared and used in this example is shown in Table 2 below.

[표 2] 본 발명의 실시예에서 사용된 다양한 재설계 유전자회로에 관한 개략적인 설명TABLE 2 Schematic description of various redesigned genetic circuits used in the examples of the present invention

Figure 112010036853819-pat00002
Figure 112010036853819-pat00002

일반적으로 단백질의 발현은 mRNA에서 개시코돈인 AUG (메티오닌) 혹은 GUG (발린)에서 시작하는데, 리보좀이 단백질 내부의 잔기에 위치한 AUG 혹은 GUG와 단백질 개시코돈으로써의 AUG와 GUG의 구분은 DNA의 퓨린 염기가 풍부한 RBS (혹은 샤인-달가노 연속부분; Shine-Dalgarno (SD) sequence)에 의하여 결정되며 이 RBS는 종마다 서열이 차이가 나는 것으로 알려져 있다 (Stryer, L., 1995, Biochemistry, (4 th ed .) W. H. Freeman, Chapter 34). 본 발명에서 구축한 재설계 유전자회로는 Pseudomonas의 전사조절인자를 사용하고 있는데 유전자회로의 숙주인 대장균과는 생존 형태가 많이 다를 뿐만 아니라 σ54 의존성 유전자 발현의 경우에는 σ54 결합부위나 σ54 인자 자체가 대장균과 많이 다르기 때문에 (W, M. M. S. M. (1998) FEMS Microbiol . Rev . 22: 127-150), Pseudomonas의 RBS를 가지고 있는 pGESS-T1과, 추가적으로 숙주인 대장균에서 리포터 단백질의 발현을 용이하게 하기 위하여 대장균용 RBSε (T7 RBS) (Simons, A. et al. (1984) PNAS 81: 1624-1628)와 전사종결인자를 채택한 pGESS-T2를 함께 구축하였다 (도 3). pHCEIIB 벡터 (바이오리더스, 한국)로부터 425bp의 rrnBT1T2 전사종결인자를 서열번호 3과 4 프라이머로 PCR 반응하여 증폭하고, pGESS-T1으로부터 dmpR과 dmp operator-promoter 영역, 그리고 GFP 리포터 단백질 부분의 2,831bp의 PCR 산물을 서열번호 5와 6의 프라이머로 증폭한 후 GFP 리포터 단백질의 C-말단에 상동성 재조합 방법 (이승구 외, 대한민국특허출원 제10-2005-0116672호에 공개된 상동성 재조합 방법, 스튜어트 프란시스 외, PCT/EP2000/06533, 2000에 공개된 방법)으로 삽입하였다. 이렇게 구성된 pGESS-T1-1은 5,901bp로 구성되며 pGESS-T1의 리포터 단백질에 전사종결인자가 삽입된 형태의 클론이다. pGESS-T1-1을 EcoRI으로 절단한 후 pKD46 벡터로부터 서열번호 7과 8 프라이머로 PCR 증폭한 tL3 전사종결인자를 dmpR의 C-말단에 라이게이션시키고 전기천공법으로 대장균에 도입시켜 최종적으로 6,171bp의 pGESS-T2를 구성하였다 (도 3).In general, protein expression starts with AUG (methionine) or GUG (valine), which is the initiation codon in mRNA. It is determined by base-rich RBS (or Shine-Dalgarno (SD) sequence), which is known to differ in sequence from species to species (Stryer, L., 1995, Biochemistry, (4). th ed .) WH Freeman, Chapter 34). Redesigned gene circuit built in the present invention and were using transcription factors in Pseudomonas as host E. coli of the gene circuit as well as the survival shape very different from the case of σ 54-dependent gene expression, the σ 54 binding site or the σ 54 factor Because it is very different from E. coli (W, MMSM (1998) FEMS Microbiol . Rev. 22: 127-150), pGESS-T1 with RBS of Pseudomonas , and RBSε (T7 RBS) for Escherichia coli to facilitate expression of reporter proteins in host E. coli (Simons, A. et al. (1984)). PNAS 81: 1624-1628) and pGESS-T2 with transcription terminator were constructed together (FIG. 3). 425 bp rrnBT1T2 transcription terminator from the pHCEIIB vector (Bioreaders, Korea) was amplified by PCR reaction with SEQ ID Nos. 3 and 4 primers, and the dmpR and dmp operator-promoter regions from pGESS-T1 and 2,831 bp of GFP reporter protein portion. Amplification of PCR products with primers of SEQ ID NOs: 5 and 6, followed by homologous recombination at the C-terminus of the GFP reporter protein (Lee Seung-gu et al., Homologous recombination method disclosed in Korean Patent Application No. 10-2005-0116672, Stuart Francis Et al, PCT / EP2000 / 06533, 2000). PGESS-T1-1 is composed of 5,901bp is a clone of the transcription terminator inserted into the reporter protein of pGESS-T1. The tL3 transcription terminator, which was digested with pGESS-T1-1 by EcoRI and PCR amplified from pKD46 vector with SEQ ID NOs: 7 and 8 primers, was ligated to the C-terminus of dmpR and introduced into E. coli by electroporation. PGESS-T2 was constructed (FIG. 3).

서열번호 3: 5'-ATGGACAAGCTGTACAAGTAAGCTTCTGTTTTGGCGGATGAGAGAAGA -3'SEQ ID NO: 5'-ATGGACAAGCTGTACAAGTAAGCTTCTGTTTTGGCGGATGAGAGAAGA-3 '

서열번호 4: 5'-AGCGGATAACAATTTCACACAGAAACAGCTATGACCATGATTACGCCAAGAGTTTGTAGAAACGCAAAAAGG-3'SEQ ID NO: 5'-AGCGGATAACAATTTCACACAGAAACAGCTATGACCATGATTACGCCAAGAGTTTGTAGAAACGCAAAAAGG-3 '

서열번호 5: 5'-TCTCTCATCCGCCAAAACAGGAATTCCTAGCCTTCGATGCCGATTT-3'SEQ ID NO: 5'-TCTCTCATCCGCCAAAACAGGAATTCCTAGCCTTCGATGCCGATTT-3 '

서열번호 6: 5'-TCTTCTCTCATCCGCCAAAACAGAAGCTTACTTGTACAGCTTGTCCAT-3'SEQ ID NO: 5'-TCTTCTCTCATCCGCCAAAACAGAAGCTTACTTGTACAGCTTGTCCAT-3 '

서열번호 7: 5'-CCCGAATTCTTCTTCGTCTGTTTCTACTG-3'SEQ ID NO: 5'-CCCGAATTCTTCTTCGTCTGTTTCTACTG-3 '

서열번호 8: 5'-CCCGAATTCAATGGCGATGACGCATCCTCA-3'
SEQ ID NO: 5'-CCCGAATTCAATGGCGATGACGCATCCTCA-3 '

pGESS-T1 함유 재조합 대장균과 pGESS-T2를 함유한 대장균의 페놀 감지기능을 확인하기 위하여, 대장균 DH5α 단일 콜로니를 50㎍/㎖의 앰피실린을 첨가한 LB (1% (w/v) 트립톤, 0.5% (w/v) 효모추출물, 1% (w/v) 염화나트륨) 액체 배지에 접종하여 37℃에서 24시간 진탕 배양하였다. 상기 배양액을 106배 희석한 다음 희석액 100㎕씩을 50㎍/㎖의 앰피실린과 1mM 페놀이 첨가된 1/10 희석된 LB 고체 배지 (dLB 고체배지; 0.1% (w/v) 트립톤, 0.05% (w/v) 효모추출물, 0.1% (w/v) 염화나트륨, 1.5% (w/v) 한천)에 도말하여 30℃에서 배양하면서 형광현미경 (Nikon, 일본) 으로 형광 발현을 관찰하였다. 대조군으로 페놀을 첨가하지 않은 dLB 고체배지에 동일 시료를 도말하여 관찰하였다. To confirm the phenolic detection of pGESS-T1 containing E. coli and pGESS-T2 containing E. coli, E. coli DH5α single colony was added LB (1% (w / v) tryptone, added 50 μg / ml of ampicillin, 0.5% (w / v) yeast extract, 1% (w / v) sodium chloride) was inoculated into the liquid medium and incubated for 24 hours at 37 ℃ shake culture. The culture solution was diluted 10 6 times, and then 100 μl of the diluted solution was diluted in 1/10 diluted LB solid medium (dLB solid medium; 0.1% (w / v) tryptone, 0.05) with 50 μg / ml of ampicillin and 1 mM phenol. The fluorescence expression was observed by fluorescence microscopy (Nikon, Japan) while spreading in% (w / v) yeast extract, 0.1% (w / v) sodium chloride, 1.5% (w / v) agar) and incubated at 30 ℃. As a control, the same sample was plated and observed in dLB solid medium without phenol.

그 결과, 도 4에서 보는 바와 같이, pGESS-T1과 pGESS-T2 모두 페놀을 첨가하지 않은 시료에서는 GFP 형광이 감지되지 않지만, 1mM의 페놀이 첨가된 배지에서 자란 콜로니들에서 형광이 강하게 나오는 것으로 보아, 구축한 두 종류의 재설계 유전자회로들이 페놀에 의해 작동이 조절됨을 확인할 수 있었고, 전사촉진인자와 전사종결인자를 완전하게 갖춘 pGESS-T2가 그렇지 않은 pGESS-T1보다 형광이 강하게 관찰되는 것을 확인하였다 (도 4).
As a result, as shown in FIG. 4, the GFP fluorescence was not detected in the sample without adding phenol to both pGESS-T1 and pGESS-T2, but the fluorescence was strongly emitted from colonies grown in a medium containing 1 mM phenol. In addition, the two redesigned gene circuits were confirmed to be controlled by phenol, and pGESS-T2 with transcription promoter and transcription terminator was observed to be stronger than that of pGESS-T1. (FIG. 4).

(2) 효소활성감지 시스템 ((2) enzyme activity detection system ( GESSGESS ) 분석: 리포터 단백질의 번역활성조절 (Analysis: Regulation of Translational Activity of Reporter Protein RBSRBS 교환)이 재설계 유전자회로의 활성화에 미치는 영향Exchange) on the activation of redesigned genetic circuits

Pseudomonas의 RBS와 dmp 오페론의 유전자일부만을 가지고 있는 pGESS-T1과, 추가적으로 숙주인 대장균에서 리포터 단백질의 발현을 용이하게 하기 위하여, 대장균용 RBSε와 전사종결인자를 채택한 pGESS-T2의 페놀에 대한 감지능은, 도 4에서 보는 바와 같이, 콜로니의 형광 이미지 상에서도 형광강도가 대장균용 RBSε와 전사종결인자를 채택한 pGESS-T2가 훨씬 높은 것으로 보이며, 실제 형광 플레이트 리더로 형광량을 측정한 결과에서도 pGESS-T1 보다 10배 이상 높게 나옴을 확인하였다.PGESS-T1, which contains only part of the genes of RBS and dmp operon of Pseudomonas , and pGESS-T2, which employs E. coli RBSε and transcription terminator, to facilitate expression of reporter protein in host E. coli As shown in FIG. 4, the fluorescence intensity of the colony showed that the fluorescence intensity of pGESS-T2 using E. coli RBSε and transcription terminator was much higher, and pGESS-T1 was also measured by the fluorescent plate reader. It was confirmed that more than 10 times higher.

이에 리포터 단백질의 발현양을 조절하기 위하여, pGESS-T1의 리포터 유전자 N-말단의 서열에 RBSε 서열을 삽입한 클론으로 재설계 유전자회로의 감도 차이를 정량적으로 분석하였다. In order to control the expression level of the reporter protein, a clone of which the RBSε sequence was inserted into the N-terminal sequence of the reporter gene of pGESS-T1 was quantitatively analyzed for the sensitivity difference of the redesigned gene circuit.

구체적으로, 14bp의 RBSε를 상동 서열로 하는 서열번호 9와 10 프라이머로 GFP 유전자를 PCR 증폭한 다음, BsrGI 제한효소로 절단한 pGESS-T1의 DNA와 함께 pKD-Cm 벡터를 함유하고 있는 대장균 DH5α에 도입하여 상동성 재조합 방법 (이승구 외, 대한민국특허출원 제10-2005-0116672호에 공개된 상동성 재조합 방법, 스튜어트 프란시스 외, PCT/EP2000/06533, 2000에 공개된 방법)으로 클로닝 하였다 (도 5).Specifically, PCR amplification of the GFP gene with SEQ ID Nos. 9 and 10 primers having a homologous sequence of 14 bp RBSε, followed by Escherichia coli DH5α containing a pKD-Cm vector together with the DNA of pGESS-T1 digested with BsrGI restriction enzyme. It was introduced and cloned by the homologous recombination method (Lee Seung-gu et al., Homologous recombination method disclosed in Korean Patent Application No. 10-2005-0116672, Stuart Francis et al., PCT / EP2000 / 06533, 2000) (Fig. 5). ).

서열번호 9: 5'-GCACAGCTGTTGCACTTTGTCCTGCGCAATCCGCCAACCTGGAGAAGGAGATATACATATGGTGAGCAAGGGCGAGGAGC-3'SEQ ID NO: 5'-GCACAGCTGTTGCACTTTGTCCTGCGCAATCCGCCAACCTGGAGAAGGAGATATACATATGGTGAGCAAGGGCGAGGAGC-3 '

서열번호 10: 5'-GATTTAATCTGTATCAGGCTGAAAATCTTCTCTCATCCGCCAAAACAGAAGCTTACTTGTACAGCTTGTCC-3'SEQ ID NO: 10'-GATTTAATCTGTATCAGGCTGAAAATCTTCTCTCATCCGCCAAAACAGAAGCTTACTTGTACAGCTTGTCC-3 '

리포터 단백질의 발현양에 따른 효소활성감지 시스템의 활성을 액체배지에서 측정하기 위하여, 각 클론들을 함유하고 있는 대장균 DH5α 단일 콜로니를 50㎍/㎖의 앰피실린을 첨가한 LB 액체 배지에 접종하여 37℃에서 24시간 진탕 배양하였다. M9 최소배지 (1ℓ 속에 Na2HPO4 ·7H2O 6.78g, KH2PO4 3g, NaCl 0.5g, NH4Cl 1g, 2mM MgSO4, 0.1mM CaCl2, 0.4% (w/v) Glucose, 0.01% (w/v) thiamine이 첨가되게 만들었다)에 50㎍/㎖의 앰피실린과 1mM 페놀을 첨가하고 상기 전배양액을 1% (v/v) 되게 접종하여 30℃에서 24시간 진탕 배양한 후 형광 플레이트 리더 (Perkin Elmer, 싱가폴)로 GFP 형광값을 측정하였다. 대조군으로는 페놀을 첨가하지 않은 M9 최소배지에 동일한 방법으로 시료를 배양하여 사용하였다 (도 6의 (가)). In order to measure the activity of the enzyme activity detection system according to the expression level of the reporter protein in the liquid medium, E. coli DH5α single colony containing the individual clones was inoculated in LB liquid medium to which 50 µg / ml of ampicillin was added. Shake culture was performed for 24 hours at. M9 medium (1 L Na 2 HPO 4 · 7H 2 O 6.78g, KH 2 PO 4 3g, NaCl 0.5g, NH 4 Cl 1g, 2mM MgSO 4 , 0.1mM CaCl 2 , 0.4% (w / v) Glucose, 50 μg / ml of ampicillin and 1 mM phenol were added to 0.01% (w / v) thiamine), and the preculture was inoculated at 1% (v / v), followed by shaking culture at 30 ° C. for 24 hours. GFP fluorescence values were measured with a fluorescence plate reader (Perkin Elmer, Singapore). As a control, the samples were cultured and used in the same manner in M9 minimal medium without phenol (FIG. 6A).

이어서 리포터 단백질의 발현양에 따른 효과를 고체배지에서도 확인하였는데, 각 클론들을 함유하고 있는 대장균 DH5α 단일 콜로니를 50㎍/㎖의 앰피실린을 첨가한 LB 액체 배지에 접종하여 37℃에서 24시간 진탕 배양하였다. 상기 전배양액을 106배 희석한 다음 희석액 100㎕씩을 50㎍/㎖의 앰피실린과 1mM 페놀이 첨가된 10배 희석된 dLB 고체 배지에 도말하여 30℃에서 배양하면서 형광현미경 (Nikon, 일본)으로 콜로니의 형광이미지를 관찰하였다. 대조군으로 페놀을 첨가하지 않은 dLB 고체배지에 동일 시료를 도말하여 관찰하였다 (도 6의 (나)). Subsequently, the effect according to the expression amount of the reporter protein was confirmed in the solid medium.E. Coli DH5α single colony containing each clone was inoculated in LB liquid medium containing 50 µg / ml of ampicillin and incubated for 24 hours at 37 ° C. It was. The preculture was diluted 10 6 times, and then 100 μl of the diluted solution was plated on a 10-fold diluted dLB solid medium containing 50 μg / ml of ampicillin and 1 mM phenol and incubated at 30 ° C. with a fluorescence microscope (Nikon, Japan). Fluorescence images of colonies were observed. As a control, the same sample was plated and observed in dLB solid medium without phenol (FIG. 6 (b)).

도 6의 (가)의 결과에서, 전사종결인자가 리포터 단백질이나 페놀인지조절 단백질의 한편에만 붙어 있는 경우 (각각 pGESS-T1-1 및 pGESS-T1-2)에는 활성이 pGESS-T1과 비슷하지만, 전사종결인자가 한편에만 붙은 경우에라도 RBSε (대장균용 RBS)가 삽입된 클론 (pGESS-T1-4)에서는 pGESS-T1, pGESS-T1-1, 또는 pGESST1-2에 비하여 형광감도가 약 5배 이상 높게 감지되었다. 그리고 전사종결인자가 포함되어 있더라도 dmpK의 N-말단의 일부 서열이 없고, 리포터 유전자 앞에 Pseudomonas의 프로모터만이 있는 클론 (pGESS-T2-1)의 경우에는 활성이 pGESS-T1보다도 낮게 감지되지만, pGESS-T1에 전사종결인자 없이 대장균용 RBSε만 삽입 (pGESS-T1-3)이 되어도 pGESS-T1에 비하여 형광 감도가 약 19배 정도 증가하는 것으로 보아, 대장균을 숙주로 사용하는 유전자회로의 특성상 Pseudomonas의 프로모터 부위가 대장균에서의 단백질 발현에 필요한 프로모터와 RBS, 특히 퓨린 잔기가 다량 함유되어 있는 대장균 RBSε와 서열상의 차이 때문인 것으로 생각된다. 그리고, 대장균용 발현벡터에 주로 사용되고 있는 전사종결인자를 리포터 단백질과 페놀인지조절단백질의 양쪽 C-말단에 모두 삽입하고 RBSε를 리포터단백질 N-말단에 삽입하여 리포터단백질의 발현양을 높인 pGESS-T2의 경우가 pGESS-T1보다 형광 감도가 약 23배 강하게 나오는 것을 확인하였다. 이러한 결과는 고체배지에서 관찰한 콜로니 형광이미징에서도 동일한 결과를 보임을 확인하였다 (도 6의 (나)).
In the results of Fig. 6A, when the transcription terminator is attached to only one of the reporter protein or the phenol cognitive regulatory protein (pGESS-T1-1 and pGESS-T1-2, respectively), the activity is similar to that of pGESS-T1. Even when the transcription terminator was attached only on one side, the clone with the RBSε (E. coli RBS) inserted (pGESS-T1-4) had about 5 times the fluorescence sensitivity compared to pGESS-T1, pGESS-T1-1, or pGESST1-2. Anomaly was detected high. Even though the transcription terminator was included, in the case of the clone without the N-terminal sequence of dmpK and only the promoter of Pseudomonas before the reporter gene (pGESS-T2-1), the activity was detected lower than that of pGESS-T1, but pGESS no transcription termination factor in E. coli RBSε -T1 only for even if the insert (pGESS-T1-3) when viewed by a fluorescence sensitivity increased by about 19 times compared to the T1-pGESS, the gene circuits using Escherichia coli as a host nature Pseudomonas It is thought that the promoter site is due to the difference in sequence between the promoter and RBS necessary for protein expression in E. coli, in particular E. coli RBSε containing a large amount of purine residues. In addition, the transcription terminators mainly used in E. coli expression vectors were inserted into both C-terminus of the reporter protein and the phenol cognitive regulatory protein, and RBSε was inserted into the N-terminus of the reporter protein to increase the expression level of the reporter protein. It was confirmed that the fluorescence sensitivity of about 23 times stronger than pGESS-T1. This result was confirmed to show the same result in colony fluorescence imaging observed in the solid medium (Fig. 6 (b)).

(3) 효소활성감지 시스템 ((3) enzyme activity detection system ( GESSGESS ) 분석: ) analysis: 전사조절인자의Transcriptional regulators 발현 조절이 재설계 유전자회로에 미치는 영향 Effect of Expression Regulation on Redesigned Genetic Circuits

전사조설인자 dmpR의 발현양이 유전자회로의 발현에 미치는 영향을 조사하였다. Shingler 등은 Pseudomonas의 경우 dmpR의 발현량이 σ54 의존성 프로모터의 발현 활성에 거의 영향을 미치지 않았다고 보고하였으나 (Sze, C. C. et al . (1996) J. Bacteriol . 178(13): 3727-3735), 본 발명에서는 대장균에서 전사조절인자 dmpR의 프로모터를 고발현 프로모터인 Phce (Poo H. et al . (2002) Biotechnol . Lett . 24(14) 1185-1189)로 교체하여 dmpR 발현량을 증가시킨 경우 σ54 의존성 프로모터 활성에 영향이 있는지를 조사하고자 하였다. The effect of the expression factor dmpR on the expression of the genetic circuit was investigated. Shingler et al reported that the expression level of dmpR in Pseudomonas had little effect on the expression activity of the σ 54 dependent promoter (Sze, CC et. al . (1996) J. Bacteriol . 178 (13): 3727-3735), In the present invention, the promoter of the transcriptional regulator dmpR in Escherichia coli is a high expression promoter, P hce. Poo H. et al . (2002) Biotechnol . Lett . 24 (14) 1185-1189) was investigated to increase the effect of dmpR expression on σ 54 -dependent promoter activity.

구체적으로, pHCEⅡB 벡터로부터 서열번호 11과 12 프라이머를 이용하여 222bp의 HCE 프로모터와 상동서열을 포함하여 329bp의 PCR 산물을 증폭하여 pGESS-T1의 dmpR의 N-말단에 상동성 재조합 방법 (이승구 외, 대한민국특허출원 제10-2005-0116672호에 공개된 상동성 재조합 방법, 스튜어트 프란시스 외, PCT/EP2000/06533, 2000에 공개된 방법)으로 pGESS-T3 클론을 제작하였다 (도 7의 (가)). Specifically, amplification of a 329 bp PCR product, including a 222 bp HCE promoter and a homologous sequence, using the SEQ ID NO: 11 and 12 primers from the pHCEIIB vector, the homologous recombination method at the N-terminus of dmpR of pGESS-T1 (Lee Seung-gu et al., PGESS-T3 clone was prepared by the homologous recombination method disclosed in Korean Patent Application No. 10-2005-0116672, Stuart Francis et al., PCT / EP2000 / 06533, 2000) (Fig. 7 (a)) .

서열번호 11: 5'-TCAGGTCCTTGAAATCGGAGTGCTGGATTTCAGGCTTGTACTTGATCGGCATATGATATCTCCTTTTTCCAG-3'SEQ ID NO: 5'-TCAGGTCCTTGAAATCGGAGTGCTGGATTTCAGGCTTGTACTTGATCGGCATATGATATCTCCTTTTTCCAG-3 '

서열번호 12: 5'-CTATAGCGGCGACCCTGATTTCCCCATCTAAAAATAAATAGGGGCCTCGCTTACGATCTCTCCTTCACAGATTC-3'SEQ ID NO: 12'-CTATAGCGGCGACCCTGATTTCCCCATCTAAAAATAAATAGGGGCCTCGCTTACGATCTCTCCTTCACAGATTC-3 '

이어서 pGESS-T1과 pGESS-T3을 각각 함유하고 있는 재조합 대장균 DH5α 단일 콜로니를 50㎍/㎖의 앰피실린을 첨가한 LB 액체 배지에 접종하여 37℃에서 24시간 진탕 배양하였다. 50㎍/㎖의 앰피실린이 함유된 LB 액체배지 10㎖에 상기 전배양액을 1% (v/v) 접종하고, 유도 물질로 페놀을 0.1mM이 되게 첨가한 후 30℃에서 20시간 반응시킨 후 형광 발현 정도를 확인하였다. 형광량을 측정하기 위하여 위 배양한 세포를 원심 분리 한 후 PBS 완충 용액으로 1회 세척하였다. 다시 PBS 완충 용액 0.5㎖에 세포침전물을 현탁하여 동량의 cell lytic B 용액 (Sigma, 미국)과 0.1mg/ml 리소자임 (Sigma, 미국), DNase I (Roche, 미국)을 첨가하여 37℃에서 1시간 반응시켜 세포를 파쇄 하였다. 파쇄된 세포를 4℃에서 15,000 rpm으로 20분간 원심 분리하여 얻은 상층액을 형광광도계 (Varian, 호주)로 분석하여 510nm에서 GFP의 방출 파장이 검출되는지 확인하였다. 그 결과 pGESS-T3의 경우, dmpR의 발현양이 pGESS-T1 보다 증가함을 볼 수 있었고 (도 7의 (나)), 민감도 및 형광 발현 강도가 pGESS-T1에 비하여 약 2배 개선된 것으로 확인하였다 (도 7의 (다)). 이 결과로부터 세포배양특성 및 페놀첨가시기에 따른 리포터 활성의 차이가 세포내 dmpR의 발현수준에 따라서도 영향을 받는 것으로 추정되고 있다.
Subsequently, the recombinant E. coli DH5α single colony containing pGESS-T1 and pGESS-T3, respectively, was inoculated into LB liquid medium to which 50 µg / ml of ampicillin was added, followed by shaking culture at 37 ° C for 24 hours. After inoculating 1% (v / v) of the preculture solution into 10 ml of LB medium containing 50 µg / ml of ampicillin, adding phenol to 0.1 mM as an inducer, and reacting at 30 ° C. for 20 hours. The degree of fluorescence expression was confirmed. In order to measure the amount of fluorescence, the cultured cells were centrifuged and washed once with PBS buffer solution. Suspend the cell precipitate in 0.5 ml of PBS buffer solution and add an equal amount of cell lytic B solution (Sigma, USA), 0.1 mg / ml lysozyme (Sigma, USA), DNase I (Roche, USA) for 1 hour at 37 ° C. The cells were disrupted by reaction. The supernatant obtained by centrifuging the crushed cells at 15,000 rpm for 20 minutes at 4 ℃ was analyzed with a fluorescence photometer (Varian, Australia) to determine whether the emission wavelength of the GFP is detected at 510nm. As a result, in the case of pGESS-T3, the expression level of dmpR was found to be increased than that of pGESS-T1 (FIG. 7 (B)), and the sensitivity and fluorescence expression intensity were confirmed to be about 2 times improvement compared to pGESS-T1. (Fig. 7 (c)). From these results, it is estimated that the difference in reporter activity according to cell culture characteristics and phenol addition timing is also affected by the expression level of intracellular dmpR.

(4) 다양한 리포터 단백질을 함유하는 재설계 유전자회로 구축(4) Construction of redesigned genetic circuits containing various reporter proteins

1) One) GFPGFP UVUV 리포터 함유 재설계 유전자회로 구축 Redesigned Gene Circuit Containing Reporter

상기 (1)에서 구축한 pGESS-T1의 GFP 리포터 단백질 대신에 GFPUV유전자를 리포터 단백질로 이용하면 일반적인 이미지분석 장비로 한 번에 102~103개의 유전자 라이브러리를 손쉽게 분석할 수 있다. 이 기술은 GFPUV가 385nm의 장파장 UV 조사에 의해 활성화되어 가시영역에서의 노이즈를 최소화할 수 있기 때문에, FACS 등 고가의 장비를 사용하지 않고도 고속탐색이 가능한 장점이 있다. If GFP UV gene is used as a reporter protein instead of the GFP reporter protein of pGESS-T1 constructed in (1), 10 2 to 10 3 gene libraries can be easily analyzed at a time by using general image analysis equipment. This technology has the advantage of enabling high-speed search without using expensive equipment such as FACS because GFP UV is activated by 385nm long wavelength UV irradiation to minimize noise in the visible region.

본 발명에서는 GFPUV 유전자를 리포터로 한 페놀류 감시 유전자회로를 제작하기 위하여, 717bp의 GFPUV 유전자를 서열 번호 13과 14 프라이머로 PCR 반응으로 생성하여, pGESS-T1 벡터에 도입하기 위하여 상기한 상동성 재조합에 의한 유전자조작을 수행하였고, 앰피실린이 50㎍/ml이 첨가된 LB 고체배지에 도말한 후 37℃에서 밤새 배양하여 GFPUV 유전자가 치환된 페놀센서, pGESS-T4를 선별하였다. 선택배지에서 생성된 콜로니들을 dmpR과 dmpK 사이에 위치한 서열번호 3 프라이머와 M13R 프라이머 (#S1233S, NEB, 영국)로 콜로니 PCR을 수행하고 DNA 염기서열 분석을 하여 유전자 치환을 확인하였다 (도 8의 (가)).In the present invention, in order to produce a phenolic surveillance gene circuit using the GFP UV gene as a reporter, 717 bp of GFP UV gene was generated by PCR reaction with the primers SEQ ID NO: 13 and 14, and the above-mentioned homology was introduced to introduce into the pGESS-T1 vector. Recombinant gene manipulation was performed, and ampicillin was smeared on an LB solid medium to which 50 µg / ml was added, and then cultured overnight at 37 ° C to select a phenol sensor, pGESS-T4 substituted with the GFP UV gene. Colonies generated in the selection medium were subjected to colony PCR with SEQ ID No. 3 primer and M13R primer (# S1233S, NEB, UK) located between dmpR and dmpK, and DNA sequencing was performed to confirm gene substitution (FIG. 8 ( end)).

서열번호 13: 5'-CGGATAACAATTTCACACAGGAAACAGCTATGACCATGATTACGCCAAGCTTATTTGTAGAGCTCATCCA-3'SEQ ID NO: 5'-CGGATAACAATTTCACACAGGAAACAGCTATGACCATGATTACGCCAAGCTTATTTGTAGAGCTCATCCA-3 '

서열번호 14: 5'-ACCTGGAGATGGCCGTGACCAATACCCCCACACCGACTTTCGATCAGCTCATGAGTAAAGGAGAAGAACT-3'SEQ ID NO: 14'-ACCTGGAGATGGCCGTGACCAATACCCCCACACCGACTTTCGATCAGCTCATGAGTAAAGGAGAAGAACT-3 '

제조된 pGESS-T4를 재조합 대장균 DH5α에 도입하고 50㎍/㎖의 앰피실린을 넣은 LB 액체배지에 접종하여 37℃에서 24시간 동안 진탕 배양 하였다. 배양한 세포를 50㎍/㎖의 앰피실린과 1μM~1mM 페놀이 함유된 LB 액체 배지에 접종한 후 30℃에서 20시간 동안 계속 배양하고, 96-well plate에서 Gel Doc System (Bio-Rad, 미국)으로 형광이미지분석을 수행하였다. 여기광으로는 365nm의 장파장 자외선 전구 (#170-6887, Bio-Rad, 미국)를 사용하였고, GFP용 형광필터 520DF30 (#170-8074, Bio-Rad, 미국)을 사용하여 GFPUV를 감지하였다. The prepared pGESS-T4 was introduced into recombinant E. coli DH5α, and inoculated into LB liquid medium containing 50 μg / ml of ampicillin, followed by shaking culture at 37 ° C. for 24 hours. The cultured cells were inoculated in LB liquid medium containing 50 μg / ml ampicillin and 1 μM to 1 mM phenol, followed by incubation at 30 ° C. for 20 hours, and the Gel Doc System (Bio-Rad, USA). Fluorescence image analysis was performed. As the excitation light, a 365 nm long wavelength ultraviolet light bulb (# 170-6887, Bio-Rad, USA) was used, and GFP UV was detected using a fluorescence filter 520DF30 (# 170-8074, Bio-Rad, USA) for GFP. .

그 결과, 도 8의 (나)와 (다)에서 보는 바와 같이, 페놀의 유무에 따라 형광 강도가 확실하게 차이가 났으며 페놀의 농도가 증가할수록 형광 강도도 증가함을 확인하였다. 한편, 동일한 시료를 백색광에 노출시킨 조건에서는, 페놀 농도에 따른 시료간의 차이가 관찰되지 않았다. 따라서, 본 발명은 FACS 등 고가의 분석장치를 사용하지 않고도, 일반적인 이미지분석시설을 이용하여 미지의 효소활성을 분석하는 목적에 이용할 수 있다.
As a result, as shown in (b) and (c) of FIG. 8, the fluorescence intensity was clearly different depending on the presence or absence of phenol, and the fluorescence intensity increased as the concentration of phenol increased. On the other hand, in the conditions which exposed the same sample to white light, the difference between the samples according to phenol concentration was not observed. Therefore, the present invention can be used for the purpose of analyzing unknown enzyme activity using a general image analysis facility without using an expensive analysis device such as FACS.

2) 항생제저항성 단백질을 리포터로 하는 재설계 유전자회로 구축2) Redesigned Genetic Circuit Using Antibiotic Resistant Protein as Reporter

재설계 유전자회로의 리포터 단백질로, 형광단백질 뿐만 아니라, 경우에 따라서는 클로람페니콜, 카나마이신, 테트라사이클린 같은 항생제 저항성 유전자를 활용하는 것이 유용한 경우가 많다. 즉, 항생제 저항성 유전자를 리포터로 사용하는 경우에는 이미지분석 시설이 전혀 필요하지 않으며, 한 개의 고체 배지 상에서 106~107개 이상의 콜로니를 신속하게 분석할 수도 있다. As a reporter protein of the redesigned gene circuit, it is often useful to utilize not only fluorescent proteins but also antibiotic resistance genes such as chloramphenicol, kanamycin, and tetracycline. In other words, if the antibiotic resistance gene is used as a reporter, no image analysis facility is required, and 10 6 to 10 7 or more colonies can be quickly analyzed on one solid medium.

항생제 저항성 유전자를 리포터로 한 페놀감지 유전자회로를 구축하기 위하여, 클로람페니콜, 카나마이신, 테트라사이클린 저항성 유전자를 각각 서열 번호 16과 17, 18과 19, 20과 21 프라이머로 PCR증폭하여 각각 660 bp, 813 bp, 1,191 bp의 DNA단편을 제조하고, 상기 항생제 저항성 유전자들을 pGESS-T1 클론의 GFP 리포터 부위에 대체하는 유전자 조작을 수행하였다 (도 9의 (가)). To construct a phenol-sensing gene circuit using an antibiotic resistance gene as a reporter, PCR amplification of chloramphenicol, kanamycin, and tetracycline resistance genes with SEQ ID NOs: 16, 17, 18, 19, 20, and 21, respectively, was performed at 660 bp and 813 bp, respectively. DNA fragments of 1,191 bp were prepared, and genetic manipulation was performed to replace the antibiotic resistance genes in the GFP reporter region of the pGESS-T1 clone (FIG. 9A).

상동성 재조합에 기초한 유전자 조작의 자세한 단계는 다음과 같다. 먼저 상동성 재조합을 위한 숙주세포를 준비하고, 선형화된 유전자를 도입하는 과정이다 (Zhang et al., (2000) Nature Biotech . 18: 1314-1317; Zhang et al ., (1998) Nature Genetics, 20: 123-128; 이승구 등, 대한민국특허출원 제10-2005-0116672호에 공개된 방법). 레드-리컴비네이즈 (λ-red recombinase)를 코드하는 pKD46-Cm 벡터를 함유하고 있는 대장균 DH5α(DE3)의 단일 콜로니를 클로람페니콜을 25㎍/㎖이 되게 첨가한 LB 액체 배지 3㎖에 접종하여 30℃에서 16시간 동안 진탕 배양하였다. 상기 배양액을 클로람페니콜과 아라비노즈를 각각 25㎍/㎖과 50mM이 되게 첨가한 100㎖의 LB 액체배지에 1% (v/v) 접종하여 OD600가 0.5~0.6이 될 때까지 30℃에서 진탕 배양하였다. 배양이 끝난 후, 배양액을 얼음에 20 분간 정치하였고, 미리 차갑게 식힌 원심 분리 용기에 배양액을 넣은 후 5,000 x g로 4℃에서 20분간 원심 분리 하였다. 원심 분리 후, 상층액을 완전히 제거하고 세포 침전물에 차갑게 식힌 멸균 증류수를 가하여 현탁 하였으며, 상기와 같은 조건으로 원심 분리하여 균체를 다시 모르고, 차가운 10% (v/v) 글리세롤을 가하여 현탁 한 후, 4℃에서 5,000xg로 20분간 원심 분리 하였다. 원심 분리된 세포 침전물에 10% (v/v) 글리세롤을 가하여 균체 농도 (OD600)가 100이 되게 한 다음, 50㎕씩 분주하여 유전자를 도입하기 위한 세포 (competent cell)로 사용하였다. Detailed steps of genetic manipulation based on homologous recombination are as follows. First, a host cell is prepared for homologous recombination and a linearized gene is introduced (Zhang et al. al ., (2000) Nature Biotech . 18: 1314-1317; Zhang et al . , (1998) Nature Genetics , 20: 123-128; Lee Seung-gu et al., A method disclosed in Korean Patent Application No. 10-2005-0116672). A single colony of Escherichia coli DH5α (DE3) containing a pKD46-Cm vector encoding a red-recombinase was inoculated in 3 ml of LB liquid medium containing 25 µg / ml of chloramphenicol and Shake incubation for 16 hours at ℃. The culture medium was inoculated in 1% (v / v) of 100 ml LB medium containing chloramphenicol and arabinose to 25 μg / ml and 50 mM, respectively, and shaken at 30 ° C. until the OD 600 became 0.5 to 0.6. It was. After the incubation, the culture was left for 20 minutes on ice, the culture was placed in a pre-cooled centrifuge vessel and centrifuged at 5,000 xg for 20 minutes at 4 ℃. After centrifugation, the supernatant was completely removed and suspended by adding cold sterile distilled water to the cell precipitate.The cells were centrifuged under the same conditions as above and do not know the cells again, and then suspended by adding cold 10% (v / v) glycerol. Centrifugation at 5,000xg for 20 minutes at 4 ℃. 10% (v / v) glycerol was added to the centrifuged cell precipitate so that the cell concentration (OD 600 ) was 100, and then 50 μl aliquots were used as cells for introducing genes.

상기한 방법에 따라 준비한 세포에 벡터로 BamHI 제한효소로 절단한 pGESS-T1 10ng과 치환할 클로람페니콜, 카나마이신, 테트라사이클린 저항성 유전자의 PCR 산물 각 100ng 씩을 섞어서 전기충격 (18kV/cm, 25㎌)을 가한 후, SOC 배지 1㎖를 첨가하여 25℃에서 20시간 동안 상동성 재조합을 유도하였다. 클로람페니콜, 카나마이신, 테트라사이클린 저항성 유전자를 포함한 각각의 pGESS-T5 클론 (pGESS-T5-Cm 및 pGESS-T5-Tc, pGESS-T5-Km)은 앰피실린이 50㎍/㎖이 첨가된 LB 고체배지에 도말한 후 37℃에서 밤새 배양하여 생성된 상동성 재조합에 의한 콜로니들을 선별하였다. 각 선택배지에서 생성된 콜로니들을 조절단백질 dmpR과 dmpK 사이에 위치한 상기 (4)의 2)의 서열번호 15 프라이머와 M13R 프라이머 (#S1233S, NEB, 미국)로 콜로니 PCR을 하여 일차 확인한 후, 각각을 DNA 염기서열 분석을 하여 유전자 치환을 확인하였다.10 ng of pGESS-T1 digested with BamHI restriction enzyme with a vector and 100 ng of PCR products of chloramphenicol, kanamycin, and tetracycline resistance gene were added to the cells prepared according to the above method, and subjected to an electric shock (18 kV / cm, 25 Hz). Afterwards, 1 ml of SOC medium was added to induce homologous recombination at 25 ° C. for 20 hours. Each pGESS-T5 clone (pGESS-T5-Cm and pGESS-T5-Tc, pGESS-T5-Km), including chloramphenicol, kanamycin and tetracycline resistance genes, was added to LB solid medium containing 50 μg / ml of ampicillin. After plating, colonies by homologous recombination generated by incubating at 37 ° C. overnight were selected. Colonies generated from each selection medium were first identified by colony PCR with the SEQ ID No. 15 primer of the above (4) located between the regulatory proteins dmpR and dmpK and the M13R primer (# S1233S, NEB, USA). DNA sequencing was performed to confirm gene replacement.

서열번호 15: 5'-TTCACCTGCGCCAGCT-3'SEQ ID NO: 15'-TTCACCTGCGCCAGCT-3 '

서열번호 16: 5'-ACCTGGAGATGGCCGTGACCAATACCCCCACACCGACTTTCGATCAGCTCATGGAGAAAAAAATCACTGG-3'SEQ ID NO: 5'-ACCTGGAGATGGCCGTGACCAATACCCCCACACCGACTTTCGATCAGCTCATGGAGAAAAAAATCACTGG-3 '

서열번호 17: 5'-CGGATAACAATTTCACACAGGAAACAGCTATGACCATGATTACGCCAAGCTTACGCCCCGCCCTGCCACT-3'SEQ ID NO: 17'-CGGATAACAATTTCACACAGGAAACAGCTATGACCATGATTACGCCAAGCTTACGCCCCGCCCTGCCACT-3 '

서열번호 18: 5'-ACCTGGAGATGGCCGTGACCAATACCCCCACACCGACTTTCGATCAGCTCATGAGCCATATTCAACGGGA-3'SEQ ID NO: 18'-ACCTGGAGATGGCCGTGACCAATACCCCCACACCGACTTTCGATCAGCTCATGAGCCATATTCAACGGGA-3 '

서열번호 19: 5'-CGGATAACAATTTCACACAGGAAACAGCTATGACCATGATTACGCCAAGCTTAGAAAAACTCATCGAGCA-3'SEQ ID NO: 19'-CGGATAACAATTTCACACAGGAAACAGCTATGACCATGATTACGCCAAGCTTAGAAAAACTCATCGAGCA-3 '

서열번호 20: 5'-ACCTGGAGATGGCCGTGACCAATACCCCCACACCGACTTTCGATCAGCTCATGAAATCTAACAATGCGCT-3'SEQ ID NO: 20'-ACCTGGAGATGGCCGTGACCAATACCCCCACACCGACTTTCGATCAGCTCATGAAATCTAACAATGCGCT-3 '

서열번호 21: 5'-CGGATAACAATTTCACACAGGAAACAGCTATGACCATGATTACGCCAAGCTCAGGTCGAGGTGGCCCGGC-3'SEQ ID NO: 21'-CGGATAACAATTTCACACAGGAAACAGCTATGACCATGATTACGCCAAGCTCAGGTCGAGGTGGCCCGGC-3 '

제조된 상기 3종류의 pGESS-T5를 함유하는 대장균 DH5α의 단일 콜로니를 50㎍/㎖의 앰피실린을 넣은 LB 액체배지에 접종하여 37℃에서 24시간 동안 진탕 배양 하였다. 배양한 세포를 50㎍/㎖의 앰피실린과 클로람페니콜, 테트라사이클린, 카나마이신을 각각 20㎍/㎖이 되게 첨가하고, 페놀을 10μM~1mM 첨가한 LB 액체 배지에 접종한 후 30℃에서 20시간 동안 계속 배양하여 세포의 성장 여부를 관찰하였다.A single colony of E. coli DH5α containing the three kinds of pGESS-T5 prepared was inoculated in an LB liquid medium containing 50 µg / ml of ampicillin and incubated at 37 ° C for 24 hours. The cultured cells were added to 20 µg / ml of 50 µg / ml ampicillin, chloramphenicol, tetracycline, and kanamycin, respectively, and inoculated in LB liquid medium containing 10 µM to 1 mM of phenol, followed by 20 hours at 30 ° C. The growth of the cells was observed by culturing.

그 결과, 도 9의 (나)에서 보는 바와 같이, 각 선별 항생제 존재하에서 페놀이 없을때에는 재조합 대장균이 증식을 못하지만, 페놀의 농도가 10μM이상이 되면 재조합 대장균이 증식하는 것으로 보아 항생제내성유전자를 리포터로 한 pGESS-T5가 페놀에 의하여 발현이 조절됨을 확인할 수 있었다. 따라서, 본 발명은 FACS나 이미지 분석장치 등 고가의 분석장치를 사용하지 않고도 일반적인 실험실에서 세포의 성장유무만으로도 106~107개 이상의 콜로니를 신속하게 분석하는 목적에 이용할 수 있다.
As a result, as shown in (b) of FIG. 9, recombinant E. coli was unable to proliferate in the absence of phenol in the presence of each selected antibiotic, but recombinant E. coli proliferated when the concentration of phenol was 10 μM or more. PGESS-T5 was confirmed that the expression is controlled by phenol. Therefore, the present invention can be used for the purpose of rapidly analyzing 10 6 to 10 7 or more colonies with or without cell growth in a general laboratory without using expensive analysis apparatus such as FACS or image analysis apparatus.

3) 이중리포터 단백질을 함유하는 재설계 유전자회로 구축3) Construction of redesigned genetic circuit containing double reporter protein

형광단백질이나 항생제저항성 유전자를 리포터로 사용하는 경우에 대량의 시료를 손쉽게 고속 분석할 수 있는 장점이 있긴 하지만, 유전자회로의 숙주의 특성 또는 배양 시 사용하는 영양배지 속 성분의 자체 형광 (autofluorescence) 등으로 인하여 잡신호 (background)의 강도가 높아 가양성 (false-positive) 신호의 발생을 피할 수 없게 된다. 이러한 문제점을 극복하기 위하여 이중리포터 단백질을 함유하는 재설계 유전자회로를 구축하였다.
When using fluorescent protein or antibiotic resistance gene as a reporter, it has the advantage that it can easily analyze a large amount of samples at high speed. However, the characteristics of the host of the genetic circuit or autofluorescence of the components in the nutrient medium used in culture Due to the high intensity of the background signal (false-positive) signal generation is inevitable. To overcome this problem, a redesigned genetic circuit containing a double reporter protein was constructed.

(a) (a) 이중형광단백질Dual Fluorescent Protein 리포터 유전자회로 Reporter gene circuit

GFP와 GFPUV 형광단백질은 여기광이 각각 485nm와 385nm이고 방출광이 510nm이다. 이와는 다르게 적색형광단백질 (RFP; red fluorescence protein)은 여기광과 방출광이 각각 545nm와 650nm로 GFP와는 형광스펙트럼의 차이가 많이 나므로 형광신호의 가양성 문제를 해결할 수 있게 된다. GFP and GFP UV fluorescent proteins have excitation light of 485 nm and 385 nm and emission light of 510 nm, respectively. In contrast, the red fluorescence protein (RFP) has excitation light and emission light of 545 nm and 650 nm, respectively, and the fluorescence spectrum of GFP has a large difference in fluorescence spectra.

RFP 조각을 획득하기 위하여 야생형의 RFP 보다 형광강도가 5배 이상 높게 나온다고 보고 (Jach, G., et al. (2006) Nature Methods 3(8): 597-600)가 된 66번 아미노산이 글루탐산에서 트레오닌으로 치환된 돌연변이형의 mRFP(Q66T) 클론을 사용하였다. pE-mRFP(Q66T) 플라스미드를 주형으로 사용하여 RBSε를 함유하는 상동성 서열을 포함한 794bp의 RFP 조각을 서열번호 22와 23 프라이머로 PCR 증폭하여 BsrGI 제한효소로 절단한 pGESS-T2의 GFP 리포터 유전자의 C-말단에 상동성 재조합 방법으로 pGESS-T6-RFP를 클로닝 하였다. pGESS-T6-RFP의 확인은 GFP 유전자의 N-말단인 서열번호 24 프라이머와 RFP 유전자의 C-말단인 서열번호 25 프라이머를 사용하여 콜로니 PCR로 확인하였다 (도 10의 (가)).To obtain RFP fragments, fluorescence intensity is reported to be more than five times higher than wild-type RFP (Jach, G., et. al . (2006) Nature Methods A mutant mRFP (Q66T) clone in which amino acid number 66 (3 (8): 597-600) was substituted with threonine in glutamic acid was used. Using the pE-mRFP (Q66T) plasmid as a template, a 794bp RFP fragment containing the homologous sequence containing RBSε was PCR amplified by primers SEQ ID NOs: 22 and 23 to digest the GFP reporter gene of pGESS-T2 digested with BsrGI restriction enzyme. PGESS-T6-RFP was cloned at the C-terminus by homologous recombination. Confirmation of pGESS-T6-RFP was confirmed by colony PCR using the SEQ ID No. 24 primer, which is the N-terminus of the GFP gene, and the SEQ ID No. 25 primer, which is the C-terminus of the RFP gene (Fig. 10 (a)).

서열번호 22: 5'-GTGACCGCCGCCGGGATCACTCTCGGCATGGACAAGCTGTACAAGTAAAAGGAGATATACATATGGCCTCCTCCGAGGACGTC-3'SEQ ID NO: 22'-GTGACCGCCGCCGGGATCACTCTCGGCATGGACAAGCTGTACAAGTAAAAGGAGATATACATATGGCCTCCTCCGAGGACGTC-3 '

서열번호 23: 5'-CTGATTTAATCTGTATCAGGCTGAAAATCTTCTCTCATCCGCCAAAACAGAAGCTTAGGCGCCGGTGGAGTGGC-3'SEQ ID NO: 23'-CTGATTTAATCTGTATCAGGCTGAAAATCTTCTCTCATCCGCCAAAACAGAAGCTTAGGCGCCGGTGGAGTGGC-3 '

서열번호 24: 5'-ATGGTGAGCAAGGGCGAG-3'SEQ ID NO: 24'-ATGGTGAGCAAGGGCGAG-3 '

서열번호 25: 5'-TTAGGCGCCGGTGGAGTGGC-3'SEQ ID NO: 25'-TTAGGCGCCGGTGGAGTGGC-3 '

pGESS-T6-RFP를 함유하고 있는 대장균 DH5α 단일 콜로니를 50㎍/㎖의 앰피실린을 첨가한 LB 액체 배지에 접종하여 37℃에서 24시간 진탕 배양하였다. 상기 전배양액을 106배 희석한 다음 희석액 100㎕씩을 50㎍/㎖의 앰피실린과 1mM 페놀이 첨가된 dLB 고체 배지에 도말하여 30℃에서 배양하면서 형광현미경 (Nikon, 일본)으로 콜로니의 형광이미지를 관찰하였다. 대조군으로 페놀을 첨가하지 않은 dLB 고체배지에 동일 시료를 도말하여 관찰하였다. 그 결과 도 10의 (나)에서 보는 바와 같이 유도물질 페놀이 없을 때는 GFP와 RFP 형광이 감지되지 않지만, 페놀 존재 하에서는 GFP와 RFP 형광이 강하게 감지됨을 확인할 수 있었다.
E. coli DH5α single colony containing pGESS-T6-RFP was inoculated into LB liquid medium to which 50 μg / ml of ampicillin was added, followed by shaking culture at 37 ° C. for 24 hours. Fluorescence microscope (Nikon, Japan) and by the pre-culture was diluted 10 6 times and then a diluent ssikeul 100㎕ dLB plated on solid medium containing the ampicillin and 1mM phenol 50㎍ / ㎖ added to the culture at 30 ℃ the fluorescent image of the colonies Was observed. As a control, the same sample was plated and observed in dLB solid medium without phenol. As a result, as shown in (b) of FIG. 10, GFP and RFP fluorescence were not detected when there was no inducer phenol, but GFP and RFP fluorescence were strongly detected in the presence of phenol.

(b) 형광단백질과 항생제 저항성 유전자를 이용한 이중리포터 유전자회로(b) Dual reporter gene circuit using fluorescent protein and antibiotic resistance gene

형광단백질의 잡신호를 해결하기 위하여 형광단백질과 함께 항생제 저항성 유전자를 이용한 이중리포터를 구축하였다. 테트라사이클린 저항성 유전자를 pGESS-T5-Tc로부터 RBSε를 함유하는 상동성 서열을 포함한 1.2kb의 Tc 조각을 서열번호 26과 27 프라이머를 사용하여 PCR로 증폭하고, BsrGI 제한효소로 절단한 pGESS-T2의 GFP 리포터 유전자의 C-말단에 상동성 재조합 방법으로 pGESS-T6-Tet클로닝 하였다 (도 11의 (가)). pGESS-T6-Tet의 확인은 GFP 유전자의 N-말단 서열번호 24 프라이머와 테트라사이클린 저항성 유전자의 C-말단 서열로 구성된 서열번호 28 프라이머를 사용하여 콜로니 PCR로 확인하였다 .In order to solve the miscellaneous signal of fluorescence protein, a dual reporter using antibiotic resistance gene together with fluorescence protein was constructed. The tetracycline resistance gene was amplified by PCR using 1.2 SEQ ID NOs. 26 and 27 primers and a 1.2 kb Tc fragment containing a homologous sequence containing RBSε from pGESS-T5-Tc, followed by digestion of pGESS-T2 with BsrGI restriction enzyme. PGESS-T6-Tet cloning was performed at the C-terminus of the GFP reporter gene by homologous recombination (FIG. 11A). The identification of pGESS-T6-Tet was confirmed by colony PCR using the N-terminal SEQ ID No. 24 primer of the GFP gene and the SEQ ID No. 28 primer consisting of the C-terminal sequence of the tetracycline resistance gene.

서열번호 26: 5'-CCGGGATCACTCTCGGCATGGACAAGCTGTACAAGTAAAAGGAGATATACATATGAAATCTAACAATGCGCTCATCGTCA-3'SEQ ID NO: 26'-CCGGGATCACTCTCGGCATGGACAAGCTGTACAAGTAAAAGGAGATATACATATGAAATCTAACAATGCGCTCATCGTCA-3 '

서열번호 27: 5'-TTCTGATTTAATCTGTATCAGGCTGAAAATCTTCTCTCATCCGCCAAAACAGAAGCTTCAGGTCGAGGTGGCCCGGC-3'SEQ ID NO: 27'-TTCTGATTTAATCTGTATCAGGCTGAAAATCTTCTCTCATCCGCCAAAACAGAAGCTTCAGGTCGAGGTGGCCCGGC-3 '

서열번호 28: 5'-TCAGGTCGAGGTGGCCCG-3'SEQ ID NO: 28'-TCAGGTCGAGGTGGCCCG-3 '

pGESS-T6-Tet를 함유하는 대장균 DH5α의 단일 콜로니를 50㎍/㎖의 앰피실린을 넣은 LB액체배지에 접종하여 37℃에서 24시간 동안 진탕 배양하였다. 상기 배양액을 106배 희석한 다음 희석액 100㎕씩을 50㎍/㎖의 앰피실린과 10㎍/㎖의 테트라사이클린, 그리고 페놀을 0~100μM이 되게 첨가한 LB 고체 배지에 도말하여 30℃에서 배양하면서 페놀 농도에 따른 콜로니 형성 여부와 형광현미경 (Nikon, 일본) 으로 형광 발현을 관찰하였다. 그 결과, pGESS-T6-Tet는 유도물질인 페놀이 없을 때에는 콜로니의 증식과 형광을 관찰 할 수 없었지만, 페놀의 농도가 1μM 이상에서는 콜로니의 증식이 관찰되고 페놀의 농도가 높아질 수록 콜로니의 증식이 더 활발해 짐을 확인하였다. 형광 강도 역시 페놀의 농도가 높아질 수록 강해짐을 확인하였다 (도 11의 (나)).
A single colony of Escherichia coli DH5α containing pGESS-T6-Tet was inoculated into an LB liquid medium containing 50 µg / ml ampicillin and shaken at 37 ° C for 24 hours. After diluting the culture solution by 10 6 times, 100 μl of the diluted solution was plated in LB solid medium to which 50 μg / ml of ampicillin, 10 μg / ml of tetracycline, and phenol were added to 0 to 100 μM and incubated at 30 ° C. Colony formation according to phenol concentration and fluorescence expression were observed by fluorescence microscope (Nikon, Japan). As a result, pGESS-T6-Tet was not able to observe colony proliferation and fluorescence in the absence of phenol as an inducer, but colony proliferation was observed when the concentration of phenol was above 1 μM. It became more active. Fluorescence intensity was also confirmed to be stronger as the concentration of phenol increased (Fig. 11 (b)).

(5) (5) dmpRdmpR 변이체를Mutant 함유하는 재설계 유전자 회로의 구축  Construction of redesigned genetic circuit to contain

p-니트로페놀은 알파-글루코시다제, 베타-글루코시다제, 리파제, 포스파타제 등 다양한 효소의 활성을 간편 분석하기 위한 기질로 널리 이용되고 있어서, 본 페놀센서 유전자회로를 이용한 효소활성 감지에도 매우 유용한 페놀-태그 기질로 채택될 수 있다. 본 발명에서는 pGESS의 p-니트로페놀에 대한 감지능을 향상시키기 위하여 dmpR의 135번 아미노산인 글루탐산(E)을 리신(K)으로 치환한 돌연변이 dmpR을 함유하는 pGESS-T7을 제작하였다. (도 12)p-nitrophenol is widely used as a substrate for the simple analysis of the activity of various enzymes, such as alpha-glucosidase, beta-glucosidase, lipase, phosphatase, and is also very useful for detecting enzyme activity using the phenol sensor gene circuit. It can be adopted as a phenol-tag substrate. In the present invention, pGESS-T7 containing a mutant dmpR in which glutamic acid (E), which is amino acid 135 of dmpR, is substituted with lysine (K), was prepared to improve the detectability of pGESS to p-nitrophenol. (Figure 12)

실험방법은 다음과 같다. 제작 방법은 135번 아미노산이 글루탐산에서 리신으로 치환될 수 있도록 DNA 염기서열을 바꾼 후, 양쪽으로 20 bp씩을 연장시킨 총 40 bp의 서열을 PCR 프라이머(서열번호 29 및 서열번호 30)를 사용하여 점 돌연변이(point mutation)를 유발하였다. 두 개의 PCR 프라이머와 pGESS-T2 플라스미드를 주형 DNA로 하여 역 PCR(inverse PCR) 반응을 수행하였다. 역 PCR 반응은 KOD DNA 중합효소(Novagen, 미국)를 사용하였으며 PCR 반응은 94℃에서 3분간 전 불활성화한 다음, 94℃에서 30초간 불활성화, 55℃에서 30초간 프라이머 결합, 72℃에서 60초간 DNA 합성 반응의 절차를 25회 반복하여 수행하였고, 마지막으로 72℃에서 5분간 DNA 연결반응을 추가로 수행하여 6,171 bp의 PCR 산물을 회수하였다. 제조된 1차 PCR 산물에 Proteinase K를 처리하여 컬럼(Qiagen, 독일)으로 정제한 후, Dpn I(Roche, 독일) 제한효소를 처리하여 주형 DNA로 사용한 플라스미드를 제거하였다. 제한 효소 반응이 끝난 시료를 아가로겔에 전기영동하여 목적 밴드만 오려내어 컬럼(Qiagen, 독일)으로 정제한 후, 대장균 DH5α(ElectroMaxTM-DH5α-ETM, Invitrogen, 미국)에 형질전환 시킴으로써 6,171 bp의 pGESS-T7를 제작하였다. The experimental method is as follows. In the preparation method, DNA sequence was changed so that amino acid No. 135 could be replaced with lysine in glutamic acid, and then a total of 40 bp sequences extended by 20 bp to both sides were identified using PCR primers (SEQ ID NO: 29 and SEQ ID NO: 30). Point mutations were induced. Two PCR primers and pGESS-T2 plasmid as template DNA were used to perform an inverse PCR reaction. The reverse PCR reaction was performed using KOD DNA polymerase (Novagen, USA). PCR reaction was inactivated at 94 ° C for 3 minutes, inactivated at 94 ° C for 30 seconds, primer binding at 55 ° C for 30 seconds, and at 60 ° C at 60 ° C. The procedure of the second DNA synthesis reaction was repeated 25 times, and finally, the DNA linkage reaction was further performed at 72 ° C. for 5 minutes to recover the PCR product of 6,171 bp. The prepared primary PCR product was treated with Proteinase K, purified by column (Qiagen, Germany), and then treated with Dpn I (Roche, Germany) restriction enzyme to remove the plasmid used as template DNA. After the restriction enzyme reaction, the sample was electrophoresed on agarogel, and only the target band was cut out and purified on a column (Qiagen, Germany), and then transformed into E. coli DH5α (ElectroMaxTM-DH5α-ETM, Invitrogen, USA) to 6,171 bp. pGESS-T7 was produced.

서열번호 29: 5'-GATCGACTCCTTCGAGGTGAAAATCTGCCAGACCGACCTG-3‘ SEQ ID NO: 29'-GATCGACTCCTTCGAGGTGAAAATCTGCCAGACCGACCTG-3 '

서열번호 30: 5'-CAGGTCGGTCTGGCAGATTTTCACCTCGAAGGAGTCGATC-3‘ SEQ ID NO: 30'-CAGGTCGGTCTGGCAGATTTTCACCTCGAAGGAGTCGATC-3 '

pGESS-T2 혹은 pGESS-T7 유전자회로가 도입되어 있는 콜로니를 하루전날 LB배지에 콜로니 접종하여 37℃에서 밤새 진탕 배양 시킨 후, 배양액 1%(v/v)를 LB배지에 다시 접종하여 37℃에서 진탕 배양시키고 세포성장(OD600/ml)이 약 2.5 정도일 때에 배양세포를 회수하여 유전자회로 활성화를 진행하였다. 유전자회로 활성화는 회수한 균체를 M9 배지로 한번 씻어낸 후 다양한 농도의 페놀이 들어있는 M9(아세테이트)배지에 현탁시켜 30℃에서 16시간 동안 진탕시키면서 진행하였다. 각 배지에는 선별마커로서 50 ㎍/㎖ 앰피실린이 첨가되었다. 균주 성장은 UV/VIS 분광기(Ultrospec 3000, Pharmacia Biotech, 스웨덴)를 사용하여 흡광도(OD600)를 측정함으로써 예측하였고 형광세기는 형광플레이트리더기(Multi-label reader, PerkinElmer, 미국)를 사용하였다. 실험결과 돌연변이 dmpR을 채용하였을 때 페놀을 정량적으로 감지할 수 있는 농도는 약 0.1 ~ 10 μM이었으며 야생형 dmpR에 비해 약 10배정도 민감도가 증가하였으며 정량범위도 약 10배정도 증가하였다 (도 13 (가)). Colonies containing pGESS-T2 or pGESS-T7 gene circuits were inoculated into LB medium the day before and inoculated with shaking at 37 ° C. overnight, and 1% (v / v) of the culture solution was inoculated again in LB medium at 37 ° C. When shaken and cultured and cell growth (OD600 / ml) was about 2.5, the cultured cells were recovered to proceed with gene cycle activation. Genetic activation was performed by washing the collected cells with M9 medium once and then suspending them in M9 (acetate) medium containing various concentrations of phenol and shaking at 30 ° C. for 16 hours. 50 [mu] g / ml ampicillin was added to each medium as a selection marker. Strain growth was predicted by measuring absorbance (OD 600 ) using a UV / VIS spectrometer (Ultrospec 3000, Pharmacia Biotech, Sweden) and fluorescence intensity was used with a fluorescence plate reader (Multi-label reader, PerkinElmer, USA). Experimental results showed that when mutant dmpR was employed, the concentration of phenol could be detected quantitatively from 0.1 to 10 μM. The sensitivity was increased by about 10 times compared to wild type dmpR, and the quantitative range also increased by about 10 times (Fig. 13 (a)). .

다음으로는 o-니트로페놀과 p-니트로페놀 에 대한 감지능 측정을 수행하였다. 실험방법은 위와 동일하게 수행되었으며 페놀외에 다양한 농도의 o-니트로페놀과 p-니트로페놀이 첨가되어 유전자회로와 반응하였다. 실험결과 민감도는 페놀이 가장 좋았으며 p-니트로페놀, o-니트로페놀의 순으로 좋았으며 세 페놀류 모두 0.1 ~ 10 μM의 페놀을 정량적으로 감지가 가능하였다 (도 13 (나)). Next, the sensitivity measurement of o-nitrophenol and p-nitrophenol was performed. Experimental method was carried out in the same manner as above, and various concentrations of o-nitrophenol and p-nitrophenol were added and reacted with the genetic circuit. Experimental results showed that the sensitivity of phenol was the best, followed by p-nitrophenol and o-nitrophenol, and all three phenols were able to detect quantitatively 0.1 ~ 10 μM phenol (Fig. 13 (b)).

p-니트로페놀은 알파-글리코시다제, 베타-글리코시다제, 리파제, 포스파타제 등 다양한 효소의 활성을 간편 분석하기 위한 기질로 널리 이용되고 있어서, 본 페놀센서 유전자회로를 이용한 효소활성 감지에도 매우 유용한 페놀-태그 기질로 채택될 수 있다. 따라서, p-니트로페놀에 대하여 높은 반응성을 나타내는 페놀 센서는 본 발명의 세포내 효소활성 감지 및 탐색 기술의 적용범위를 확장하는 특별한 의미가 있다.
p-nitrophenol is widely used as a substrate for the simple analysis of the activity of various enzymes, such as alpha-glycosidase, beta-glycosidase, lipase, phosphatase, and is also very useful for detecting enzyme activity using the phenol sensor gene circuit. It can be adopted as a phenol-tag substrate. Thus, phenolic sensors that exhibit high reactivity to p-nitrophenols have particular significance in extending the application of the intracellular enzyme activity detection and screening techniques.

(6) 재설계 유전자회로의 최적의 숙주 대장균 구축(6) Optimal host E. coli construction of redesigned genetic circuit

본 발명에 따른 GESS가 의도대로 작동하기 위해서는 Pseudomonas의 dmpR이 적절한 수준에서 외래발현 (heterologous expression)되고, 대장균의 σ54 의존성 전사조절인자와 원활하게 상호작용 해야 한다 (Sze, C. C., et al. (1996) J. Bacteriol. 178(13): 3727-3735; Johanssin, L. U. M., et al. (2008) Mol . Microbiol. 70(3):709-723). 따라서, GESS의 신호특성은 숙주 미생물의 생육조건 및 유도물질에 따라 달라질 수 있다. 다시 말하면, 세포생장 과정 중 dmpR의 양과 활동도, 생육시기 등에 의하여 영향을 받게 된다. 따라서, 본 발명에서는 페놀감지 유전자회로의 안정적 구현을 위하여 i) 미생물숙주의 차이 및 생육 배지의 조성 ii) 페놀첨가에 의한 발현 유도시점에 의하여 어떤 영향을 받는지를 조사하고 최적화를 수행하고자 하였다.In order for GESS to operate as intended, the dmpR of Pseudomonas must be heterologous at appropriate levels and smoothly interact with the σ 54- dependent transcriptional regulator of Escherichia coli (Sze, CC, e t). al . (1996) J. Bacteriol. 178 (13): 3727-3735; Johanssin, LUM, et al . (2008) Mol . Microbiol. 70 (3): 709-723). Therefore, the signal characteristics of the GESS may vary depending on the growth conditions and inducers of the host microorganism. In other words, the amount and activity of dmpR during cell growth is affected by the growth time. Therefore, the present invention was intended to investigate and optimize how it is affected by i) differences in microbial host and composition of growth medium and ii) phenol addition for stable implementation of the phenol sensing gene circuit.

먼저 본 실시예에서는 재설계 유전자회로를 함유하고 있는 대장균별 페놀에 대한 감도를 조사하여 회로에 적합한 균주를 선별하고자 하였다. 이를 위하여 pGESS-T1을 함유하고 있는 DH5α, EPI300, JM109(DE3), BL21, BL21(DE3)를 대상으로 실험을 진행하였다. First, in the present example, the sensitivity of the phenol for each E. coli containing the redesigned genetic circuit was investigated to select a strain suitable for the circuit. To this end, experiments were conducted on DH5α, EPI300, JM109 (DE3), BL21, BL21 (DE3) containing pGESS-T1.

실험방법은 우선 0.1mM phenol과 100㎍/㎖의 앰피실린이 들어있는 LB 고체배지를 준비하였고 pGESS-T1을 함유하고 있는 대장균 DH5a, EPI300, JM109(DE3), BL21, BL21(DE3)와 대조군으로 pGESS-T5-Cm을 함유하고 있는 EPI300 균주를 같이 30℃에서 36시간 동안 배양하였다. 도 14의 (가)는 고체배지에서의 각 균주별 유전자회로 반응결과이다. The experimental method was first prepared with LB solid medium containing 0.1mM phenol and 100μg / ml ampicillin, and were treated with Escherichia coli DH5a, EPI300, JM109 (DE3), BL21, BL21 (DE3) and pGESS-T1. EPI300 strains containing pGESS-T5-Cm were incubated together at 30 ° C. for 36 hours. Figure 14 (a) is the result of the genetic circuit reaction of each strain in the solid medium.

이어서 동일한 결과를 액체배양에서도 확인할 수 있었다. 우선, pGESS-T1 함유 재조합 대장균 JM109(DE3), DH5α, EPI300, BL21, BL21(DE3)의 단일 콜로니를 100㎍/㎖의 앰피실린을 첨가한 LB 액체 배지에 접종하여 37℃에서 24시간 진탕 배양하였다. 배양된 균주를 100㎍/㎖의 앰피실린이 들어있는 3㎖의 LB액체배지에 0.5% (v/v)씩 접종한 후, 30℃에서 진탕 배양을 진행하였다. 10시간동안 배양 후 (약 OD600 = 3~4), 0.1mM phenol를 첨가하여 30℃에서 20시간동안 형광발현을 유도하였다. 균주별 형광발현량을 측정하기 위하여 배양세포액 1.5㎖를 원심 분리한 후 PBS 완충 용액으로 1회 세척하였고, 0.5㎖의 cell lytic B 용액 (Sigma, USA), 리소자임 (0.1mg/ml), DNaseI (Roche, 독일)을 첨가하여 37℃에서 1시간 반응하여 세포를 파쇄하였다. 파쇄한 세포를 원심 분리하여 얻은 상층액을 형광광도계로 분석하여 510nm에서 GFP의 방출 파장이 검출되는지 확인하였다. 실험결과, 다른 균주보다도 B타입균주인 BL21, BL21(DE3)가 세포성장뿐만 아니라 유전자회로에 대한 반응성이 높은 것으로 확인되었다 (도 14의 (나)). The same result was then confirmed in the liquid culture. First, a single colony of pGESS-T1 containing recombinant E. coli JM109 (DE3), DH5α, EPI300, BL21, BL21 (DE3) was inoculated in LB liquid medium containing 100 μg / ml of ampicillin and incubated at 37 ° C. for 24 hours. It was. The cultured strain was inoculated with 0.5% (v / v) of 3ml LB liquid medium containing 100µg / ml of ampicillin, followed by shaking culture at 30 ° C. After incubation for 10 hours (about OD 600 = 3-4), 0.1mM phenol was added to induce fluorescence for 20 hours at 30 ° C. In order to measure the fluorescence expression by strain, 1.5 ml of the culture cell solution was centrifuged and washed once with PBS buffer solution, 0.5 ml of cell lytic B solution (Sigma, USA), lysozyme (0.1 mg / ml), DNaseI ( Roche, Germany) was added and the cells were disrupted by reaction at 37 ° C for 1 hour. The supernatant obtained by centrifuging the crushed cells was analyzed with a fluorescence photometer to confirm whether the emission wavelength of GFP was detected at 510 nm. As a result, it was confirmed that B21 strains BL21 and BL21 (DE3) were higher in cell reactivity as well as cell growth than other strains (Fig. 14 (b)).

다음은 페놀 첨가 시기, 즉 GESS 유전자회로의 발현 유도 시점에 따른 영향을 조사하였다. pGESS-T1 함유 재조합 대장균 DH5α 단일 콜로니를 100㎍/㎖의 앰피실린을 첨가한 LB 액체 배지에 접종하여 37℃에서 24시간 진탕 배양하였다. 100㎍/㎖의 앰피실린이 함유된 LB 액체배지 100㎖에 상기 전배양액을 0.5% (v/v) 접종하여 30℃에서 진탕 배양하면서, 3시간 간격으로 5㎖씩 배양액을 추출하였다. 추출한 배양액의 일부는 600nm에서 흡광도를 측정하여 세포의 성장을 확인하고, 나머지 배양액에 페놀을 0.1mM이 되게 첨가하여 30℃에서 20시간 반응시킨 후 형광 발현 정도를 분석하였다. 형광량을 측정하기 위하여, 상기 배양한 세포를 원심 분리 한 후 PBS 완충 용액으로 1회 세척하였다. 다시 PBS 완충 용액 0.5㎖에 세포침전물을 현탁하여 동량의 cell lytic B 용액 (Sigma, 미국)과 0.1mg/ml 리소자임 (Sigma, 미국), DNase I (Roche, 미국)을 첨가하여 37℃에서 1시간 반응시켜 세포를 파쇄 하였다. 파쇄된 세포를 4℃에서 15,000 rpm으로 20분간 원심 분리 하여 얻은 상층액을 형광광도계 (Varian, 호주)로 분석하여 510 nm에서 GFP의 방출 파장이 검출되는지 확인하였다. 그 결과, 도 14의 (다)에서 보는 것과 같이, 형광양의 차이는 세포 성장 단계에 따라 크게는 10배 이상 차이가 나는 것을 확인할 수 있었고, 특히 정지기 (stationary phase)에서 페놀을 첨가한 경우가 유전자회로의 발현량이 가장 높았으며, 이것은 σ54의 발현특성과도 일치하는 것이다.
Next, the effects of phenol addition time, that is, expression induction time of GESS gene circuit, were investigated. pGESS-T1 containing recombinant E. coli DH5α single colony was inoculated in LB liquid medium to which 100 μg / ml of ampicillin was added, followed by shaking culture at 37 ° C. for 24 hours. 100 ml of LB liquid medium containing 100 μg / ml ampicillin was inoculated with 0.5% (v / v) of the preculture solution, followed by shaking culture at 30 ° C., and the culture solution was extracted at 5 ml intervals every 3 hours. Part of the extracted culture solution was measured by absorbance at 600nm to confirm the growth of the cells, and the phenol was added to the remaining culture solution to 0.1mM and reacted for 20 hours at 30 ℃ and analyzed the degree of fluorescence expression. In order to measure the amount of fluorescence, the cultured cells were centrifuged and washed once with PBS buffer solution. Suspend the cell precipitate in 0.5 ml of PBS buffer solution and add an equal amount of cell lytic B solution (Sigma, USA), 0.1 mg / ml lysozyme (Sigma, USA), DNase I (Roche, USA) for 1 hour at 37 ° C. The cells were disrupted by reaction. The supernatant obtained by centrifuging the crushed cells at 15,000 rpm for 20 minutes at 4 ℃ was analyzed with a fluorescence photometer (Varian, Australia) to determine whether the emission wavelength of GFP is detected at 510 nm. As a result, as shown in (c) of Figure 14, the difference in the amount of fluorescence can be confirmed that the difference is more than 10 times largely depending on the cell growth stage, especially when phenol is added in the stationary phase (stationary phase) Was the highest expression level in the gene circuit, which is consistent with the expression characteristic of σ 54 .

재설계 유전자회로의 검증 및 페놀류 화합물에 대한 정량적 신호 분석Validation of Redesigned Genetic Circuits and Quantitative Signal Analysis for Phenolic Compounds

(1) 재설계 유전자회로의 페놀에 대한 정량적 형광 신호 분석(1) Quantitative fluorescence signal analysis of phenol in redesigned genetic circuit

상기 실시예 1에서 구축한 재설계 유전자회로의 페놀에 대한 정량적 감지기능을 확인하기 위하여, pGESS-T1을 함유하는 재조합 대장균 BL21 단일 콜로니를 50㎍/㎖의 앰피실린을 첨가한 LB 액체 배지에 접종하여 37℃에서 24시간 진탕 배양하였다. 상기 배양액을 106배 희석한 다음 희석액 100㎕씩을 50㎍/㎖의 앰피실린과 1μM ~ 1mM 페놀이 첨가된 LB 고체 배지에 도말하여 30℃에서 배양하면서 형광현미경 (Nikon, 일본)으로 형광 발현을 관찰하였다. In order to confirm the quantitative detection of phenol in the redesigned genetic circuit constructed in Example 1, recombinant E. coli BL21 single colony containing pGESS-T1 was inoculated into LB liquid medium to which 50 μg / ml of ampicillin was added. Shaking culture for 24 hours at 37 ℃. After diluting the culture solution 10 6 times, 100 μl of the diluted solution was plated in LB solid medium to which 50 μg / ml of ampicillin and 1 μM to 1 mM phenol were added, followed by culturing at 30 ° C., and fluorescence expression with a fluorescence microscope (Nikon, Japan). Observed.

그 결과, 도 15의 (가)에서 보는 바와 같이 페놀을 첨가하지 않은 시료에서는 형광이 감지되지 않지만, 형광이 1μM이상 첨가되면 형광을 띄는 콜로니를 관찰 할 수 있었으며, 페놀의 농도가 증가할수록 형광 강도도 증가함을 확인하였다. As a result, as shown in (a) of FIG. 15, fluorescence was not detected in the sample without addition of phenol, but fluorescence colonies were observed when fluorescence was added at 1 μM or more. Also increased.

이와 같은 유도 물질인 페놀의 농도에 대한 재설계 유전자회로의 감도 의존성을 형광광도계로도 검증하였다. 이를 위하여 pGESS-T1 함유 재조합 대장균의 단일 콜로니를 50㎍/㎖의 앰피실린을 첨가한 LB 액체배지에 접종하여 37℃에서 24시간 진탕 배양하였다. 위 전배양액을 50㎍/㎖의 앰피실린과 페놀을 0.0001~1mM을 첨가한 LB 액체배지에 1% (v/v) 되게 접종하여 30℃에서 20시간 진탕 배양하였다. 위 배양액을 3㎖씩 원심 분리 한 후 PBS 완충 용액으로 1회 세척하였다. 다시 PBS 완충 용액 0.5㎖에 세포침전물을 현탁하여 동량의 cell lytic B 용액(Sigma, 미국)과 0.1mg/ml 리소자임 (Sigma, 미국), DNase I (Roche, 미국)을 첨가하여 37℃에서 1시간 반응시켜 세포를 파쇄하였다. 파쇄된 세포를 4℃에서 15,000 rpm으로 20분간 원심 분리 하여 얻은 상층액을 형광광도계 (Varian, 호주)로 분석하여 510 nm에서 GFP의 방출 파장을 확인하였다. The sensitivity dependence of the redesigned genetic circuits on the concentration of these inducers, phenol, was also verified with a fluorophotometer. To this end, a single colony of recombinant E. coli containing pGESS-T1 was inoculated into LB liquid medium to which 50 µg / ml ampicillin was added, followed by incubation at 37 ° C for 24 hours. The gastric preculture was inoculated with 50% / ml ampicillin and phenol in an LB liquid medium containing 0.0001-1 mM and incubated at 1% (v / v) for 20 hours at 30 ° C. The culture medium was centrifuged at 3 ml and washed once with PBS buffer solution. The cell precipitate was suspended in 0.5 ml of PBS buffer solution, and the same amount of cell lytic B solution (Sigma, USA), 0.1 mg / ml lysozyme (Sigma, USA) and DNase I (Roche, USA) were added. The cells were disrupted by reaction. The supernatant obtained by centrifuging the crushed cells at 15,000 rpm for 20 minutes at 4 ℃ was analyzed by fluorescence photometer (Varian, Australia) to confirm the emission wavelength of GFP at 510 nm.

그 결과, 도 15의 (나)에서 보는 것과 같이, 10 μM 이상의 페놀이 존재하는 경우에서 명료한 형광신호가 관찰되었고, 1 mM까지는 페놀농도에 비례하여 형광강도가 증가하는 것으로 확인되었다. 이 결과는 본 발명의 페놀감지 유전자회로가 0.01~1mM 페놀농도 범위에서 정량적으로 활성화되는 것을 보여주는 것이다.As a result, as shown in (b) of FIG. 15, a clear fluorescence signal was observed in the presence of 10 μM or more of phenol, and it was confirmed that the fluorescence intensity increased up to 1 mM in proportion to the phenol concentration. This result shows that the phenol detection gene circuit of the present invention is quantitatively activated in the 0.01 ~ 1mM phenol concentration range.

다음으로, 재설계 유전자회로의 페놀에 대한 정량적 분석을 FACS로 분석하였다. pGESS-T1을 함유하는 재조합 대장균 DH5α의 단일 콜로니를 50㎍/㎖의 앰피실린을 첨가한 LB 액체배지에 접종하여 37℃에서 밤새 진탕 배양하였다. 위 배양액을 50㎍/㎖의 앰피실린이 들어있는 LB액체배지에 1% 접종한 후 6시간동안 37℃에서 진탕배양하고 시험관에 2ml씩 분주하였다. 각 시험관에 0~5000μM의 페놀을 첨가하고 30℃에서 18시간 진탕배양시킴으로써 형광발현을 유도하였다. 각 농도별 페놀에 의하여 유도된 세포내 형광량은 FACS Calibur system (Becton Dickinson, 미국)으로 분석하였다. Detector로는 FSC, SSC, FL1-H (excitation = 488 nm, emission = 530/30 nm) detector를 감지하도록 세팅하였고, 10,000개의 표본세포를 관찰한 데이터를 CellQuest Pro (Becton Dickinson, 미국)로 분석하였다. Next, quantitative analysis of phenol in the redesigned genetic circuit was analyzed by FACS. A single colony of recombinant E. coli DH5α containing pGESS-T1 was inoculated into LB liquid medium containing 50 μg / ml of ampicillin and shaken overnight at 37 ° C. Stomach culture was inoculated 1% in LB liquid medium containing 50 ㎍ / ㎖ ampicillin shaking culture for 6 hours at 37 ℃ and dispensed 2ml each in a test tube. Fluorescence was induced by adding 0-5000 μM phenol to each test tube and shaking for 18 hours at 30 ° C. Intracellular fluorescence induced by phenol at each concentration was analyzed by FACS Calibur system (Becton Dickinson, USA). Detectors were set to detect FSC, SSC, and FL1-H (excitation = 488 nm, emission = 530/30 nm) detectors. The data of 10,000 sample cells were analyzed by CellQuest Pro (Becton Dickinson, USA).

그 결과, 형광현미경과 형광광도계로 분석한 것과 마찬가지로 페놀 유무에 따라 형광정도가 확연히 구분될 뿐만 아니라, 페놀의 농도가 증가 할수록 형광강도도 증가함을 확인하였다 (도 15의 (다)). 이와 같이 FACS를 이용하여 신호감지가 가능한 것은 여타의 분석기법 보다 큰 의미를 갖는데, 이것은 FACS의 고속분석 및 소팅 (sorting)기능을 이용하여 분자진화연구 혹은 메타게놈 라이브러리의 고속분석이 가능하기 때문이다.
As a result, the fluorescence intensity was clearly distinguished according to the presence or absence of phenol as well as the fluorescence microscope and fluorescence spectrophotometer, and it was confirmed that the fluorescence intensity increased as the concentration of phenol increased (FIG. 15 (c)). Such a signal detection using FACS is more meaningful than other analytical methods because it is possible to use molecular evolution research or high speed analysis of metagenome library using the fast analysis and sorting function of FACS. .

(2) 재설계 유전자회로의 페놀에 대한 정량적 항생제 저항성 분석(2) Quantitative Antibiotic Resistance Analysis of Phenol in Redesigned Genetic Circuits

상기 실시예 1의 (4)에서 구축한 항생제저항성 유전자를 리포터로 하는 pGESS-T5 유전자회로를 이용하여 정량적 항생제 저항성 분석을 하였다. Quantitative antibiotic resistance analysis was performed using the pGESS-T5 gene circuit using the antibiotic resistance gene constructed in (4) of Example 1 as a reporter.

구체적으로, 클로람페니콜, 테트라사이클린, 및 카나마이신 저항성 유전자를 리포터로 한 유전자 회로를 함유하고 있는 대장균 JM109(DE3)의 단일 콜로니를 50㎍/㎖의 앰피실린이 함유된 액체배지에 접종하여 37℃에서 24시간 진탕 배양하였다. 상기 전배양액을 106배 희석한 다음, 희석액 100㎕씩을 각 선택 배지에 도말하여 37℃에서 3일간 배양한 다음 생성된 콜로니들의 개수를 세어서 저항성 실험을 수행하였다. 각 선택 배지에는 50㎍/㎖ 앰피실린과 각각의 선택적 항생제 (클로람페니콜, 테트라사이클린, 혹은 카나마이신)를 농도 0, 10, 20, 30 ㎍/㎖가 되게 첨가하여 만들었다. 또한 전사활성화인자, 즉 페놀을 0, 10μM, 100μM, 1mM 을 첨가하였다.Specifically, a single colony of E. coli JM109 (DE3) containing chloramphenicol, tetracycline, and kanamycin resistance genes as a reporter was inoculated into a liquid medium containing 50 µg / ml ampicillin and 24 at 37 ° C. Time shake cultures. After diluting 10 to 6 times the preculture, 100 μl of the dilutions were spread on each selection medium and incubated at 37 ° C. for 3 days, and then the number of colonies generated was counted for resistance. Each selective medium was made by adding 50 μg / ml ampicillin and each of the selective antibiotics (chloramphenicol, tetracycline, or kanamycin) to concentrations 0, 10, 20, 30 μg / ml. In addition, 0, 10 μM, 100 μM, 1 mM was added to the transcription activator, ie, phenol.

그 결과, 클로람페니콜 저항성 유전자를 리포터로 한 pGESS-T5-Cm은 페놀스위치에 따라 클로람페니콜에 대한 저항성을 구분할 수 있었다. 특히, 페놀의 농도가 10μM인 경우, 클로람페니콜 20㎍/㎖까지 저항성을 보였으며, 페놀의 농도가 100μM과 1mM로 증가하게 되면 클로람페니콜에 대한 저항성도 30㎍/㎖까지 증가하는 것을 확인할 수 있었다 (도 16). 테트라사이클린 저항성 유전자를 리포터로 한 경우에도 클로람페니콜의 경우와 유사한 정량성을 관찰할 수 있었다. 이 결과는 본 발명의 페놀센서 유전자회로가 효소활성의 정량적 분석에 효과적으로 이용될 수 있음을 보여주고 있다.
As a result, pGESS-T5-Cm using the chloramphenicol resistance gene as a reporter was able to distinguish resistance to chloramphenicol according to the phenol switch. Particularly, when the concentration of phenol was 10 μM, resistance was shown up to 20 μg / ml of chloramphenicol, and when the concentration of phenol increased to 100 μM and 1 mM, the resistance to chloramphenicol also increased to 30 μg / ml (Fig. 16). When the tetracycline resistance gene was used as a reporter, similar quantitative results were observed as in the case of chloramphenicol. This result shows that the phenol sensor gene circuit of the present invention can be effectively used for quantitative analysis of enzyme activity.

(3) 재설계 유전자회로의 다양한 페놀류에 대한 신호 분석(3) Signal analysis of various phenols in redesigned genetic circuit

재설계 유전자회로를 이용하여 페놀 이외의 페놀 유도체들, 즉 o-니트로페놀, m-니트로페놀, p-니트로페놀, o-클로로페놀, m-클로로페놀, p-클로로페놀, 살리실산, 2-아미노페놀, 2-메톡시페놀, o-크레졸, m-크레졸, p-크레졸, 카테콜, 리소시놀, 2-플로로페놀, 2-요오드페놀, 2,4-디메틸페놀, 2,5-디메틸페놀, 3,4-디메틸페놀, 2,3-디메틸페놀, 3,5-디메틸페놀, 2,4-디클로로페놀, 2,5-디클로로페놀, 2,3-디클로로페놀, 2,6-디클로로페놀, 3,4-디클로로페놀, 3,5-디클로로페놀, 2,4-디니트로페놀, 3-메틸카테콜, 2-에틸페놀, 3-에틸페놀, 벤젠에 대한 감지 여부와 민감도를 조사하였다. Phenol derivatives other than phenol, i.e., o-nitrophenol, m-nitrophenol, p-nitrophenol, o-chlorophenol, m-chlorophenol, p-chlorophenol, salicylic acid, 2-amino Phenol, 2-methoxyphenol, o-cresol, m-cresol, p-cresol, catechol, lysosinol, 2-fluorophenol, 2-iodinephenol, 2,4-dimethylphenol, 2,5-dimethyl Phenol, 3,4-dimethylphenol, 2,3-dimethylphenol, 3,5-dimethylphenol, 2,4-dichlorophenol, 2,5-dichlorophenol, 2,3-dichlorophenol, 2,6-dichlorophenol The sensitivity and sensitivity of 3,4-dichlorophenol, 3,5-dichlorophenol, 2,4-dinitrophenol, 3-methylcatechol, 2-ethylphenol, 3-ethylphenol, and benzene were investigated.

pGESS-T1을 함유한 대장균 DH5α의 단일 콜로니를 50㎍/㎖의 앰피실린을 첨가한 LB 액체 배지에 접종하여 37℃에서 밤새 진탕 배양하였다. 상기 배양액을 50㎍/㎖의 앰피실린이 첨가된 LB액체 배지에 1% (v/v) 되게 접종하여 37℃에서 OD600이 3이 될 때까지 약 8시간 배양한 다음 배양액에 상기의 페놀 유도체들을 각각 100μM이 되게 첨가하여 30℃에서 18시간 진탕 배양하였다. 배양액 각 100㎕씩을 추출하여 FACS를 이용하여 개별 세포의 형광분포도를 조사하였다. 각 시료는 모두 3회씩 반복하여 실험하여 그 평균을 계산하였다. A single colony of Escherichia coli DH5α containing pGESS-T1 was inoculated in LB liquid medium containing 50 μg / ml ampicillin and shaken overnight at 37 ° C. The culture solution was inoculated at 50% / ml ampicillin-added LB liquid medium at 1% (v / v) and incubated at 37 ° C. for about 8 hours until OD 600 became 3, and then the phenol derivative was added to the culture medium. Each was added to 100μM shaking culture for 18 hours at 30 ℃. 100 μl of each of the cultures was extracted, and fluorescence distribution of individual cells was examined using FACS. Each sample was repeated three times and the average was calculated.

그 결과, 도 17의 (가)에서 보는 바와 같이, 실험에 사용한 31개 페놀 유도체들 중, o-클로로페놀, o-니트로페놀, 2-아미노페놀, 2-메톡시페놀, 카테콜, o-크레졸, m-크레졸, 2-에틸페놀, 2-플로로페놀, 2-요오드페놀 등 10개 물질에는 강하게 반응하였고, m-클로로페놀, p-클로로페놀, m-니트로페놀, 2,5-디메틸페놀, 2,3-디메틸페놀, 2,5-디클로로페놀, 2,3-디클로로페놀, p-크레졸은 반응성이 약했으며, p-니트로페놀에는 반응을 하지 않는 등 페놀의 파라 위치에 치환기가 붙은 물질에 대해서는 반응성이 약하거나 반응을 하지 않았다.As a result, as shown in Fig. 17A, among the 31 phenol derivatives used in the experiment, o-chlorophenol, o-nitrophenol, 2-aminophenol, 2-methoxyphenol, catechol, o- It reacted strongly to ten substances such as cresol, m-cresol, 2-ethylphenol, 2-fluorophenol, and 2-iodinephenol, and m-chlorophenol, p-chlorophenol, m-nitrophenol, 2,5-dimethyl Phenol, 2,3-dimethylphenol, 2,5-dichlorophenol, 2,3-dichlorophenol, and p-cresol were weakly reactive and did not react with p-nitrophenol. The material was weakly reactive or unreactive.

클로람페니콜 저항성 유전자를 리포터를 이용하는 경우에서도 기질 종류에 따른 감지여부를 조사하였다. 먼저 pGESS-T5-Cm을 함유한 대장균 EPI300의 단일 콜로니를 50㎍/㎖의 앰피실린이 함유된 액체배지에 접종하여 37℃에서 밤새 진탕 배양하였다. 상기 배양액을 50㎍/㎖의 앰피실린이 함유된 LB 액체 배지에 1% (v/v) 되게 접종한 후 30㎍/㎖의 클로람페니콜과 페놀 유도체 100μM를 첨가하여 37℃에서 8시간 진탕 배양한 다음, OD600를 측정하여 각 페놀 유도체들에 대한 감지여부를 조사하였다. 이 때 대조군으로는 클로람페니콜을 첨가하지 않고 100μM의 페놀을 첨가한 것을 사용하였다.Chloramphenicol resistance genes were also detected by the type of substrate in the reporter. First, a single colony of Escherichia coli EPI300 containing pGESS-T5-Cm was inoculated into a liquid medium containing 50 µg / ml of ampicillin and shaken overnight at 37 ° C. The culture solution was inoculated at 50% / ml ampicillin-containing LB liquid medium at 1% (v / v), followed by 30 µg / ml chloramphenicol and 100 μM of phenol derivatives, followed by shaking culture at 37 ° C. for 8 hours. , OD 600 was measured to detect the phenol derivatives. At this time, the control group was used by adding 100 μM of phenol without adding chloramphenicol.

사용된 페놀유도체는 역시 o-클로로페놀, m-클로로페놀, o-니트로페놀, m-니트로페놀, 카테콜, 2-메톡시페놀, o-크레졸, m-크레졸, 2-플로로페놀, 2-요오드페놀, 2,3 디메틸페놀, 2-에틸페놀에는 형광단백질을 사용한 경우처럼 강하게 반응하지만, p-크레졸, p-클로로페놀, p-니트로페놀 등 페놀의 파라 위치에 치환기가 붙은 물질에 대해서는 반응이 아주 약하거나 반응을 하지 않았다 (도 17의 나). The phenol derivatives used were also o-chlorophenol, m-chlorophenol, o-nitrophenol, m-nitrophenol, catechol, 2-methoxyphenol, o-cresol, m-cresol, 2-fluorophenol, 2 -Iodine phenol, 2,3 dimethyl phenol and 2-ethyl phenol are reacted strongly as in the case of using fluorescent proteins, but for substances with a substituent in the para position of phenol such as p-cresol, p-chlorophenol, and p-nitrophenol The reaction was very weak or did not react (b in Figure 17).

페놀유도체의 부가기 (side chain)의 종류 및 부가위치 (표 3)에 따라서 형광단백질의 발현수준, 즉 페놀센서 유전자회로의 활성화 정도가 다른 것을 보여준다. 따라서 적절한 페놀유도체 및 부가기를 선택함으로써 효소의 활성도를 고려한 감지기술이 가능한 것을 알 수 있다. The expression level of the fluorescent protein, that is, the degree of activation of the phenol sensor gene circuit, is different depending on the type of the side chain of the phenol derivative and the addition position (Table 3). Therefore, it can be seen that the detection technology considering the activity of the enzyme is possible by selecting an appropriate phenol derivative and an addition group.

[표 3] 재설계 유전자회로 구축에 적용 가능한 다양한 페놀류의 잔기들에 대한 정보를 그림으로 나타낸 것이다.Table 3 shows the information on the residues of various phenols applicable to the redesigned gene circuit.

Figure 112010036853819-pat00003

Figure 112010036853819-pat00003

(4) 재설계 유전자회로의 다양한 페놀류에 대한 정량적 신호 분석(4) Quantitative Signal Analysis of Various Phenols in Redesigned Genetic Circuits

재설계 유전자회로의 페놀류 화합물에 대한 신호를 정량적으로 분석하였다. pGESS-T1을 함유한 대장균 DH5α의 단일 콜로니를 50㎍/㎖의 앰피실린을 첨가한 LB 액체 배지에 접종하여 37℃에서 밤새 진탕 배양하였다. 상기 배양액을 50㎍/㎖의 앰피실린이 첨가된 LB액체 배지에 1% (v/v) 되게 접종하고, 유도물질로 페놀, o-클로로페놀, m-클로로페놀, o-니트로페놀, 카테콜, 리소시놀을 0.1μM~1mM을 각각 첨가한 다음 30℃에서 24시간 진탕 배양하였다. 형광량을 측정하기 위하여 위 배양한 세포를 원심 분리한 후 PBS 완충 용액으로 1회 세척하였다. 다시 PBS 완충 용액 0.5㎖에 세포침전물을 현탁하여 동량의 cell lytic B 용액 (Sigma, 미국)과 0.1mg/ml 리소자임 (Sigma, 미국), DNase I (Roche, 미국)을 첨가하여 37℃에서 1시간 반응시켜 세포를 파쇄하였다. 파쇄된 세포를 4℃에서 15,000 rpm으로 20분간 원심 분리하여 얻은 상층액을 형광광도계 (Varian, 호주)로 분석하여 510 nm에서 GFP의 방출 파장이 검출되는지 확인하였다. The signals for phenolic compounds in the redesigned genetic circuits were quantitatively analyzed. A single colony of Escherichia coli DH5α containing pGESS-T1 was inoculated in LB liquid medium containing 50 μg / ml ampicillin and shaken overnight at 37 ° C. The culture solution was inoculated at 50% / ml ampicillin-added LB liquid medium at 1% (v / v), and phenol, o-chlorophenol, m-chlorophenol, o-nitrophenol, and catechol as inducers. , 0.1 μM to 1 mM of lysosinol was added thereto, followed by incubation at 30 ° C. for 24 hours. In order to measure the amount of fluorescence, the above cultured cells were centrifuged and washed once with PBS buffer solution. Suspend the cell precipitate in 0.5 ml of PBS buffer solution and add an equal amount of cell lytic B solution (Sigma, USA), 0.1 mg / ml lysozyme (Sigma, USA), DNase I (Roche, USA) for 1 hour at 37 ° C. The cells were disrupted by reaction. The supernatant obtained by centrifuging the crushed cells at 15,000 rpm for 20 minutes at 4 ℃ was analyzed with a fluorescence photometer (Varian, Australia) to determine whether the emission wavelength of the GFP is detected at 510 nm.

그 결과, o-클로로페놀에 대하여서는 0.0001mM의 농도에서도 형광이 감지되었고, 페놀과 m-클로로페놀은 0.001mM의 농도에서부터 형광이 감지되기 시작했으며, 카테콜, o-니트로페놀, 리소시놀은 각각 0.01mM, 0.01mM, 0.1mM의 농도에서부터 형광이 감지됨을 확인하였다 (도 18의 (가)). 치환기의 종류나 위치에 따라 형광 감도가 다르게 확인된 도 18의 (가)의 결과는, 다양한 페놀기질을 이용하는 경우 필요에 따라 적절한 측정범위를 나타내는 것을 선택적으로 이용할 수 있음을 보여주고 있다.As a result, fluorescence was detected at concentrations of 0.0001 mM for o-chlorophenol, and fluorescence was detected at concentrations of 0.001 mM for phenol and m-chlorophenol, catechol, o-nitrophenol, and lysosinol. It was confirmed that the fluorescence is detected from the concentration of 0.01mM, 0.01mM, 0.1mM (Fig. 18 (a)). The results of FIG. 18A, in which the fluorescence sensitivity was confirmed differently according to the type or position of the substituent, show that a variety of phenol substrates can be selectively used to show an appropriate measurement range as necessary.

재설계 유전자회로의 페놀류 유도체들에 대한 정량성 분석을 항생제 저항성 정도로 분석하였다. 이를 위하여 pGESS-T5-Cm을 함유하는 대장균 DH5α의 단일 콜로니를 50㎍/㎖의 앰피실린을 넣은 LB 액체배지에 접종하여 37℃에서 24시간 동안 진탕 배양하였다. 배양한 세포를 앰피실린과 클로람페니콜이 각각 50㎍/㎖과 20㎍/㎖이 되게 첨가하고, 페놀, o-클로로페놀, o-크레졸, 2-아미노페놀, 살리실산, o-니트로페놀, 2-메톡시페놀, 카테콜을 0.1μM~1mM 첨가한 LB 액체 배지에 접종한 후 37℃에서 24시간 동안 계속 배양하여 세포의 성장 여부를 관찰하였다. 그 결과, 클로람페니콜 저항성 유전자를 리포터로 한 경우에도 GFP 리포터의 경우와 유사하게 치환기의 종류나 위치에 따라 형광 감도가 다르게 관찰되었다 (도 18의 (나)).
The quantitative analysis of phenol derivatives in the redesigned genetic circuit was analyzed for antibiotic resistance. To this end, a single colony of Escherichia coli DH5α containing pGESS-T5-Cm was inoculated into an LB liquid medium containing 50 µg / ml ampicillin and incubated at 37 ° C for 24 hours. The cultured cells were added so that ampicillin and chloramphenicol were 50 µg / ml and 20 µg / ml, respectively, and phenol, o-chlorophenol, o-cresol, 2-aminophenol, salicylic acid, o-nitrophenol and 2-meth After inoculating oxyphenol and catechol in an LB liquid medium added with 0.1 μM to 1 mM, the cells were continuously cultured at 37 ° C. for 24 hours to observe the growth of cells. As a result, even when the chloramphenicol resistance gene was used as a reporter, similarly to the GFP reporter, the fluorescence sensitivity was observed differently depending on the type and position of the substituent (Fig. 18 (b)).

(5) 재설계 유전자회로의 (5) redesign of the genetic circuit 페놀폐수에Phenolic wastewater 대한 정량적 신호 분석 Quantitative signal analysis

페놀감지 유전자회로 pGESS-T1의 정량성 신호 분석을 확인하기 위하여 다양한 페놀물질을 함유하는 폐수에서 페놀계 화합물의 농도 분석을 시도하였다 (도19). In order to confirm the quantitative signal analysis of the phenol sensing gene circuit pGESS-T1, an attempt was made to analyze the concentration of phenolic compounds in wastewater containing various phenolic substances (FIG. 19).

50㎍/㎖의 앰피실린을 첨가한 M9 액체 배지에 pGESS-T1를 함유하는 대장균 DH5α의 단일콜로니를 접종하여 37℃에서 24시간 배양한 다음, 배양액에 코크스 폐수 (상하이, 중국)를 10-1, 10-2, 10-3, 10-4, 10-5배로 희석되도록 첨가하고 30℃에서 24시간 반응하였다. 배양된 세포를 원심 분리하여 PBS 완충 용액으로 1회 세척한 후, 다시 PBS 완충 용액 0.5㎖에 현탁하여 동량의 cell lytic B 용액 (Sigma, 미국)과 0.1mg/ml 리소자임 (Sigma, 미국), DNaseI (Roche, 독일)을 첨가하고 37℃에서 1시간 반응시켜서 세포를 파쇄하였다. 파쇄액은 4℃에서 15,000 rpm으로 20분간 원심 분리하여 얻은 상층액을 형광광도계 (VARIAN, 호주)로 분석하여 510nm에서 GFP의 방출 파장이 검출되는지 확인하였다 (도 19의 (가)의 (A)). 대조군으로, 코크스 폐수 대신에 페놀을 0.0001mM, 0.001mM, 0.01mM, 0.1mM, 1mM을 첨가하여 동일한 방법으로 실험하였다 (도 19의 (가)의 (B)).The 50㎍ / ㎖ to the M9 liquid medium containing ampicillin in a single inoculation of E. coli DH5α colonies containing pGESS-T1 were incubated for 24 hours at 37 ℃ Next, the coke waste water (Shanghai, China) in the culture medium 10 -1 , 10 -2 , 10 -3 , 10 -4 , 10 -5 times diluted to add and reacted for 24 hours at 30 ℃. The cultured cells were centrifuged and washed once with PBS buffer solution, and then suspended in 0.5 ml of PBS buffer solution, and the same amount of cell lytic B solution (Sigma, USA) and 0.1 mg / ml lysozyme (Sigma, USA), DNaseI (Roche, Germany) was added and reacted for 1 hour at 37 ℃ cells were disrupted. The crushed solution was centrifuged at 15,000 rpm for 20 minutes at 4 ° C. and the supernatant was analyzed by fluorescence photometer (VARIAN, Australia) to confirm whether the emission wavelength of GFP was detected at 510 nm ((A) of FIG. 19). ). As a control, phenol was added in a manner similar to 0.0001 mM, 0.001 mM, 0.01 mM, 0.1 mM, and 1 mM instead of coke wastewater ((B) of FIG. 19).

그 결과, 첨가한 폐수액의 농도가 증가함에 따라 형광강도가 비례적으로 증가하는 것을 관찰할 수 있었고, 대조군인 페놀을 첨가한 경우와 비교했을 때, 코크스 폐수에는 페놀계 화합물이 약 10mM 정도로 포함되어 있는 것으로 추정할 수 있었다. 이러한 결과는 폐수를 GC/MS 분석의 결과와 일치하는 것으로, GC/MS 분석에서는 폐수에는 페놀, 2-메틸페놀, 3-메틸페놀, 2-니트로페놀, 3,5-디메틸페놀, 2,4-디메틸페놀이 각각 667.4ppm, 31.9ppm, 165.8ppm, 8.7ppm, 19.9ppm, 5.6ppm이 포함되어 있었다 (도 19의 (나)). 따라서, 본 발명의 페놀감지 유전자회로를 이용하여 페놀물질의 농도에 비례하는 정량적 형광신호의 발생이 가능한 것으로 확인되었다.
As a result, it was observed that the fluorescence intensity increased proportionally as the concentration of the added wastewater increased, and compared to the case of adding phenol as a control, coke wastewater contained about 10 mM of phenolic compounds. It could be assumed that there is. These results are consistent with the results of the GC / MS analysis of wastewater, and in the GC / MS analysis, wastewater contains phenol, 2-methylphenol, 3-methylphenol, 2-nitrophenol, 3,5-dimethylphenol, 2,4 Dimethylphenol contained 667.4 ppm, 31.9 ppm, 165.8 ppm, 8.7 ppm, 19.9 ppm, and 5.6 ppm, respectively (FIG. 19 (B)). Therefore, it was confirmed that the generation of a quantitative fluorescence signal proportional to the concentration of phenolic substance using the phenol sensing gene circuit of the present invention.

재설계 유전자회로를 이용한 외래 유전자의 Foreign Genes Using Redesigned Genetic Circuits 세포내Intracellular 효소활성 감지 Enzyme activity detection

(1) 재설계 유전자회로를 이용한 효소활성 감지(1) Detection of enzyme activity using redesigned genetic circuit

본 발명에 따른 GESS 유전자회로를 이용하여, 일 예시로써, 대장균 유래 베타-갈락토시다제, C. freundii 유래 tyrosine-phenol lyase(TPL), 메타게놈 유래 putative 포스파타제, Pseudomonas sp. 유래 methyl parathion hydrolase(MPH) 활성을 감지하였다.Using the GESS gene circuit according to the present invention, as an example, E. coli-derived beta-galactosidase, C. freundii Derived tyrosine-phenol lyase (TPL), metagenome derived putative phosphatase, Pseudomonas sp. Derived methyl parathion hydrolase (MPH) activity was detected.

페놀의 히드록실기에 글루코사이드를 연결한 페닐-글루코오스 (phenyl-α/β-glycoside)를 기질로 사용하면, 다양한 알파/베타-글리코시다제 효소활성을 감지할 수 있다. 상기 실시예에서의 pGESS-T1 재설계 유전자회로와 대장균 lacZ 유전자 (베타-갈락토시다제 활성, GeneBank: J01636.1)를 함유하는 pCC1FOS™ 벡터를 포함하고 있는 대장균 EPI300 (Epicentre, 미국)의 단일 콜로니를 50㎍/㎖의 앰피실린과 25㎍/㎖의 클로람페니콜을 첨가한 LB 액체 배지에 접종하여 37℃에서 24시간 진탕 배양하였다. 동일한 조성의 LB 액체배지 10㎖에 상기 전배양액을 1% (v/v) 접종하고, 페놀-태그 기질인 0.1mM phenyl-β-glycoside를 첨가하여 30℃에서 20시간 반응시킨 후 형광 발현 정도를 형광광도계로 확인하였다. 그 결과, 베타-갈락토시다제 활성을 보유하는 세포에서는 GFP의 형광이 관찰되었으나, 도입하지 않은 세포에서는 형광이 관찰되지 않아서, 본 발명의 pGESS 재설계 유전자회로를 이용한 베타-갈락토시다제 효소활성의 감지가 가능함을 확인하였다 (도 20의 (가)). By using phenyl-glucose (phenyl-α / β-glycoside) in which glucoside is linked to the hydroxyl group of phenol as a substrate, various alpha / beta-glycosidase enzyme activities can be detected. Single example of E. coli EPI300 (Epicentre, USA) containing pGESS-T1 redesigned gene circuit and pCC1FOS ™ vector containing E. coli lacZ gene (beta-galactosidase activity, GeneBank: J01636.1) Colonies were inoculated in LB liquid medium to which 50 µg / ml ampicillin and 25 µg / ml chloramphenicol were added, followed by shaking culture at 37 ° C for 24 hours. 1% (v / v) of the preculture was inoculated into 10 ml of LB liquid medium of the same composition, and 0.1mM phenyl-β-glycoside, which is a phenol-tag substrate, was added and reacted at 30 ° C. for 20 hours. It was confirmed by a fluorescence photometer. As a result, the fluorescence of GFP was observed in the cells having beta-galactosidase activity, but the fluorescence was not observed in the cells that did not introduce the beta-galactosidase enzyme using the pGESS redesigned gene circuit of the present invention. It was confirmed that the detection of activity is possible (Fig. 20 (a)).

본 발명의 GESS 재설계 유전자회로는 페놀이 탄소결합으로 연결된 기질들, 즉 Ph-C-(R)에서 페놀을 유리시키는 반응 (phenol-lyase)을 감지하는데 이용될 수 있다. 페놀 잔기를 포함하는 아미노산인 L-tyrosine을 분해하여 페놀, 피루브산, 암모니아를 생성하는 효소인 TPL 활성을 조사하여 이 내용을 검증하고자 하였다. The GESS redesigned genetic circuit of the present invention can be used to detect phenol-lyases in which phenol is liberated in carbon-bonded substrates, namely Ph-C- (R). The purpose of this study was to investigate the activity of TPL, an enzyme that produces phenol, pyruvic acid, and ammonia by decomposing L-tyrosine, an amino acid containing phenol residues.

C. freundii의 TPL 유전자(GenBank: X66978.1)를 pEC11a (즉, pET11a(+)의 ori를 ACYC ori로 대체한 것)에 클로닝하여 pEC-TPL를 제조한 후, pGESS-T1을 함유하고 있는 대장균 DH5α에 도입하였다. 1mM의 IPTG (isopropyl-thio-β-D-galactopyranoside)를 넣은 LB 액체배지에 50㎍/㎖의 앰피실린과 25㎍/㎖의 클로람페니콜을 첨가한 후, 37℃에서 24시간 동안 진탕 배양한 대장균세포를 1mM tyrosine과 IPTG가 첨가된 M9 액체 배지로 옮긴 후 30℃에서 20시간 동안 계속 배양하였다. 배양세포액 3㎖를 원심 분리한 후 PBS 완충 용액으로 1회 세척하였고, 다시 PBS 완충 용액 0.5㎖에 현탁하여 동량의 cell lytic B 용액 (Sigma, USA)과 리소자임 (0.1mg/ml), DNaseI (Roche, 독일)을 첨가하여 37℃에서 1시간 반응하여 세포를 파쇄하였다. 파쇄한 세포를 원심 분리하여 얻은 상층액을 형광광도계로 분석하여 510nm에서 GFP의 방출 파장이 검출되는지 확인하였다. 그 결과, TPL활성에 의하여 세포파쇄액의 형광활성이 크게 증가되어 나타나서, 본 발명에 따른 재설계 유전자회로를 이용한 측정방법이 phenol-lyase의 분석에도 유용한 것을 확인하였다 (도 20의 (나)).The TPL gene of C. freundii (GenBank: X66978.1) was cloned into pEC11a (i.e., the substitution of pET11a (+) ori with ACYC ori) to prepare pEC-TPL, which then contained pGESS-T1. E. coli DH5α was introduced. E. coli cells cultured with shaking at 37 ° C for 24 hours after adding 50 µg / ml ampicillin and 25 µg / ml chloramphenicol to an LB liquid medium containing 1 mM IPTG (isopropyl-thio-β-D-galactopyranoside) Was transferred to M9 liquid medium to which 1 mM tyrosine and IPTG were added, followed by continued incubation at 30 ° C. for 20 hours. 3 ml of the culture cell solution was centrifuged and washed once with PBS buffer solution, and then suspended in 0.5 ml of PBS buffer solution. The same amount of cell lytic B solution (Sigma, USA), lysozyme (0.1 mg / ml), and DNase I (Roche) , Germany) was added and the cells were disrupted by reacting at 37 ° C for 1 hour. The supernatant obtained by centrifuging the crushed cells was analyzed with a fluorescence photometer to confirm whether the emission wavelength of GFP was detected at 510 nm. As a result, the fluorescence activity of the cell lysate was greatly increased by the TPL activity, and it was confirmed that the measurement method using the redesigned gene circuit according to the present invention was also useful for the analysis of phenol-lyase (FIG. 20 (b)). .

또한, 페놀의 히드록실기에 인산을 연결한 다양한 기질을 이용하여 미생물 유래의 포스파타제를 감지할 수 있었다. 포스파타제는 핵산, 단백질, 알칼로이드 등의 다양한 유형의 분자에 결합된 인산기 (phosphate)를 가수분해하는 활성을 나타내는 효소이다. pGESS-T1를 도입한 대장균 DH5α에 메타게놈 유래의 putative 포스파타제 유전자(Genebank GQ250428)를 도입하여 앞서 TPL의 경우와 동일한 방법으로 전배양 하였다. 50㎍/㎖의 앰피실린과 25㎍/㎖의 클로람페니콜이 첨가된 LB 액체배지 10㎖에 상기 전배양액을 1% (v/v) 접종하고, 유도 물질로 0.1mM phenyl phosphate를 첨가하여 30℃에서 20시간 반응시킨 후 형광 발현 정도를 형광광도계로 확인하였다. 그 결과, 포스파타제 활성을 보유하는 세포에서는 포스파타제가 없는 세포의 경우보다 GFP 형광 발색 강도가 높게 관찰되었다 (도 18의 (다)). In addition, it was possible to detect phosphatase derived from microorganisms using various substrates in which phosphoric acid was linked to the hydroxyl group of phenol. Phosphatases are enzymes that show the activity of hydrolyzing phosphates bound to various types of molecules such as nucleic acids, proteins, alkaloids, and the like. Introduced pGESS-T1 in E. coli DH5α introduced metagene genotype putative phosphatase gene (Genebank GQ250428) was pre-cultured in the same manner as in the case of TPL. 1% (v / v) of the above culture was inoculated into 10 ml of LB medium containing 50 µg / ml ampicillin and 25 µg / ml chloramphenicol, and 0.1 mM phenyl phosphate was added as an inducer at 30 ° C. After reacting for 20 hours, the degree of fluorescence expression was confirmed with a fluorophotometer. As a result, GFP fluorescence color intensity was observed higher in the cells having phosphatase activity than in the cells without phosphatase (Fig. 18 (C)).

또한, 본 GESS 기술이 광범위 살충제로 이용되는 유기인 (organophosphate)을 분해하는 MPH (methyl parathion hydrolase) 활성도 감지함을 확인하였다. MPH 유전자(GenBank: AY251554.2)를 전기천공법으로 대장균에 도입하고, 앞서 TPL의 경우와 동일한 방법으로 24시간 전배양 한 다음, MPH의 기질이 되는 페놀-태그 화합물인 메틸 파라티온을 각각 0.1mM 씩 배양액에 가하고 각 기질이 분해되어 생성된 p-니트로페놀을 재조합 유전자 회로(pGESS-T7가 도입된 대장균)가 감지하는지를 조사하였다. 배양세포는 2㎖ (OD600=2)씩 원심 분리한 후 PBS 완충 용액으로 1회 세척하였고, 0.5㎖의 cell lytic B 용액 (Sigma, USA)과 리소자임 (0.2mg/ml), DNaseI (Roche, 독일)을 첨가하여 실온에서 1시간 반응하여 세포를 파쇄하였다. 파쇄한 세포를 원심 분리하여 얻은 상층액을 형광광도계로 분석하여 510nm에서 GFP의 방출 파장이 검출되는지 확인하였다. 그 결과, 메틸파라티온을 분해하지 못하는 대조군에서는 형광이 감지되지 않았으나, MPH가 존재하는 경우 형광이 강하게 감지되었다 (도 20의 (라)).
In addition, it was confirmed that the present GESS technology detects MPH (methyl parathion hydrolase) activity that decomposes organophosphate, which is widely used as a pesticide. MPH gene (GenBank: AY251554.2) was introduced into E. coli by electroporation, pre-cultured for 24 hours in the same manner as in the case of TPL, and then 0.1 mM of methyl parathion, a phenol-tagged compound, which is the substrate of MPH. It was added to the culture medium and examined whether the recombinant gene circuit (E. coli into which pGESS-T7 was introduced) detects p-nitrophenol produced by digesting each substrate. The cultured cells were centrifuged at 2ml (OD600 = 2) and washed once with PBS buffer solution, 0.5ml of cell lytic B solution (Sigma, USA), lysozyme (0.2mg / ml), DNaseI (Roche, Germany) ) Was added and reacted for 1 hour at room temperature to disrupt the cells. The supernatant obtained by centrifuging the crushed cells was analyzed with a fluorescence photometer to confirm whether the emission wavelength of GFP was detected at 510 nm. As a result, fluorescence was not detected in the control group that could not decompose methylparathion, but fluorescence was strongly detected in the presence of MPH (FIG. 20 (d)).

2) 효소 활성 감지를 위한 형광 2) Fluorescence for Detecting Enzyme Activity 이미징과Imaging 유세포Flow cell 분석기 및 항생제 내성 분석 Analyzer and Antibiotic Resistance Analysis

본 발명에 따른 GESS 재설계 유전자회로를 이용한 효소 활성 측정 방법에, 콜로니의 형광 이미지 관찰을 이용하였다. TPL 유전자와 pGESS-T1을 함유하는 재조합 대장균의 단일 콜로니를 50㎍/㎖의 앰피실린을 첨가한 LB 액체배지에 접종하여 37℃에서 24시간 진탕 배양하였다. 위 전배양액을 106배 희석하여 100㎕를 취하여 0.1mM phenol과 100㎍/㎖의 앰피실린이 들어있는 LB 고체배지에 스트리킹하여 30℃에서 36시간 동안 배양 한 후 콜로니의 형광 이미지를 형광현미경 (Nikon, 일본)으로 관찰하였으며 대조군으로는 TPL 유전자는 함유하지 않고 pGESS-T1만 함유하고 있는 대장균 DH5α의 콜로니를 같은 방법으로 실험하여 관찰하였다. 그 결과, TPL 유전자가 없는 경우에는 형광이 관찰되지 않지만, TPL 유전자가 있는 경우에는 pGESS-T1 함유 대장균의 콜로니 이미징이 관찰되었다 (도 21의 (가)).In the method of measuring enzyme activity using the GESS redesigned gene circuit according to the present invention, fluorescence image observation of colonies was used. A single colony of recombinant Escherichia coli containing the TPL gene and pGESS-T1 was inoculated into an LB liquid medium containing 50 µg / ml of ampicillin and incubated at 37 ° C for 24 hours. After diluting the gastric preculture by 10 6 times, 100 μl was taken and streaked in LB solid medium containing 0.1 mM phenol and 100 μg / ml ampicillin, and cultured at 30 ° C. for 36 hours. Nikon, Japan) and the colony of E. coli DH5α containing only pGESS-T1 but not the TPL gene as a control group was examined by the same method. As a result, no fluorescence was observed in the absence of the TPL gene, but colony imaging of pGESS-T1-containing E. coli was observed in the presence of the TPL gene (FIG. 21A).

이와 유사한 결과가 액체 상태의 시료를 형광유세포분석기 (FACS)로 효소 활성을 분석한 경우에서도 볼 수 있었다. TPL 유전자와 pGESS-T1을 함유하는 재조합 대장균과 대조군으로 TPL 유전자가 없지만 pGESS-T1을 함유하는 재조합 대장균의 활성비교를 하였다. 각 콜로니를 50㎍/㎖의 앰피실린을 첨가한 LB 액체배지에 접종하여 37℃에서 24시간 진탕 배양하였다. 위 전배양액을 1mM 티로신, 10uM PLP (pyridoxal-5'-phosphate)와 50㎍/㎖의 앰피실린이 들어있는 LB 액체배지에 1% (v/v) 되게 접종하여 30℃에서 20시간 진탕 배양하였다. 배양된 세포내 형광측정은 FACSAria system (Becton Dickinson, 미국)으로 분석하였다. Detector로는 FSC, SSC, FL1-H (excitation = 488 nm, emission = 530/30 nm) detector를 감지하도록 세팅하였고, 10,000개의 표본세포를 관찰한 데이터를 FACSDiva (Becton Dickinson, 미국)로 분석하였다. 그 결과, TPL 미보유 세포 시료에서의 형광 분포 양상보다 TPL을 보유하고 있는 시료에서의 형광 분포 양상이 형광강도가 증가된 오른쪽으로 이동하였음을 관찰할 수 있었다 (도 21의 (나)). Similar results were seen when the enzyme was analyzed by a fluorescence flow cytometer (FACS). We compared the activity of recombinant E. coli containing TPL gene and pGESS-T1, and recombinant E. coli containing pGESS-T1 but no TPL gene as a control. Each colony was inoculated into LB liquid medium to which 50 μg / ml of ampicillin was added and shaken at 37 ° C. for 24 hours. The gastric preculture was inoculated at 1% (v / v) in an LB liquid medium containing 1 mM tyrosine, 10 uM PLP (pyridoxal-5'-phosphate) and 50 µg / ml ampicillin, and cultured at 30 ° C. for 20 hours. . Cultured intracellular fluorescence was analyzed by FACSAria system (Becton Dickinson, USA). Detectors were set to detect FSC, SSC, and FL1-H (excitation = 488 nm, emission = 530/30 nm) detectors, and data from 10,000 sample cells were analyzed by FACSDiva (Becton Dickinson, USA). As a result, it could be observed that the fluorescence distribution pattern in the TPL-containing sample shifted to the right in which the fluorescence intensity was increased rather than the fluorescence distribution pattern in the TPL-free cell sample (FIG. 21B).

본 발명에 따른 GESS 재설계 유전자회로를 이용하여 효소 활성 감지를 항생제 저항성으로 관찰하였다. TPL 유전자와 pGESS-T5-Tc를 함유하는 재조합 대장균의 단일 콜로니를 50㎍/㎖의 앰피실린을 첨가한 LB 액체배지에 접종하여 37℃에서 24시간 진탕 배양하였다. 위 전배양액을 106배 희석하여 100㎕를 취하여 0.1mM 페놀과 100㎍/㎖의 앰피실린, 20㎍/㎖의 테트라사이클린이 들어있는 LB 고체배지에 도말하여 30℃에서 36시간 동안 배양 한 후 콜로니의 증식 양상을 관찰하였으며 대조군으로는 동일 전배양액을 테트라사이클린은 없고 0.1mM 페놀만 함유한 고체배지에 도말하여 관찰하였다. 그 결과, 테트라사이클린이 없을 때에는 GESS의 선택성이 없어 콜로니가 배지 전체에 증식하지만, 테트라사이클린이 존재하는 경우에는 효소가 기질을 분해하여 페놀을 생성하는 콜로니들만 생존이 가능하므로, 효소 활성 측정 시 GESS의 선택적 감지능을 확인할 수 있었다 (도 21의 (다)).
The enzyme activity detection was observed as antibiotic resistance using the GESS redesigned genetic circuit according to the present invention. A single colony of recombinant E. coli containing TPL gene and pGESS-T5-Tc was inoculated into LB liquid medium containing 50 µg / ml ampicillin and incubated at 37 ° C for 24 hours. After diluting the gastric preculture by 10 6 times, 100 µl was taken and plated in LB solid medium containing 0.1 mM phenol, 100 µg / ml ampicillin and 20 µg / ml tetracycline, and incubated at 30 ° C. for 36 hours. The growth pattern of colonies was observed, and the same pre-culture solution was observed by plating on solid medium containing 0.1 mM phenol without tetracycline. As a result, when tetracycline is absent, colony grows throughout the medium because there is no selectivity of GESS. However, when tetracycline is present, only colonies where enzymes decompose substrates to produce phenol can survive. It was possible to confirm the selective detection of (Fig. 21 (c)).

3) 재설계 유전자회로(GESS)의 정량성 검증 3) Quantitative Verification of Redesigned Genetic Circuits (GESS)

 효소활성이 다른 경우에 GESS를 이용하여 정량적으로 탐색이 가능한지에 대하여 조사하였다. 효소는 Citrobacter freundii 유래 tyrosine-phenol lyase(이하, "TPL(C)") 와 Symbiobacterium toebii 유래 tyrosine-phenol lyase(이하, "TPL(S)")를 사용하였고, 이들 효소가 들어있지 않는 대장균을 대조군으로 사용하였다. pGESS-T2를 이용한 효소활성 측정값과 HPLC를 이용하여 분석된 페놀 생성값을 비교함으로써 유의성을 판단하였다. In the case of different enzyme activities, it was investigated whether it could be quantitatively searched using GESS. Enzyme The Citrobacter freundii Derived tyrosine-phenol lyase (hereinafter "TPL (C)") and Symbiobacterium toebii Derived tyrosine-phenol lyase (hereinafter, "TPL (S)") was used, and E. coli without these enzymes was used as a control. Significance was determined by comparing enzyme activity measurements using pGESS-T2 and phenol production values analyzed using HPLC.

실험방법은 다음과 같았다. pSTV28 (Takara, 일본)에 ClaI과 Tth111I을 처리 후, pHCEIIB (Takara, 일본) 유래의 HCE 프로모터와 종결인자를 삽입하여 제작한 pSHCE벡터에 TPL(C)을 도입한 벡터 및 상기 pSHCE벡터에 TPL(S)을 도입한 벡터 및 이들 TPL이 도입되어 있지 아니한 대조군 pSHCE 벡터를 pGESS-T2가 들어있는 대장균 DH5α에 각각 형질전환시킴으로써 효소활성보유 균주를 준비하였다.The experimental method was as follows. After treatment with Cla I and Tth111 I in pSTV28 (Takara, Japan), a vector in which TPL (C) was introduced into the pSHCE vector prepared by inserting the HCE promoter and terminator derived from pHCEIIB (Takara, Japan) and the pSHCE vector Enzyme-activated strains were prepared by transforming E. coli DH5α containing pGESS-T2 with vectors in which TPL (S) was introduced and control pSHCE vectors in which these TPLs were not introduced.

각 콜로니를 50 ㎍/㎖의 앰피실린과 12.5 ㎍/㎖의 클로람페니콜이 첨가된 LB 액체배지에 접종하여 37℃에서 밤새 진탕 배양하였다. 배양액을 1 mM 티로신, 10 μM PLP (pyridoxal-5'-phosphate), 50 ㎍/㎖의 앰피실린과 12.5 ㎍/㎖의 클로람페니콜이 들어있는 M9 액체배지에 1%(v/v) 되게 접종하여 37℃에서 12시간 진탕 배양하였다. 균주 성장은 UV/VIS 분광기(Ultrospec 3000, Pharmacia Biotech, 스웨덴)를 사용하여 흡광도(OD600)를 측정함으로써 예측하였고 형광세기는 형광플레이트리더기(Multi-label reader, PerkinElmer, 미국)를 사용하였다. Each colony was inoculated in an LB liquid medium to which 50 μg / ml of ampicillin and 12.5 μg / ml of chloramphenicol was added and shaken overnight at 37 ° C. The culture solution was inoculated 1% (v / v) in M9 liquid medium containing 1 mM tyrosine, 10 μM PLP (pyridoxal-5'-phosphate), 50 μg / ml ampicillin and 12.5 μg / ml chloramphenicol. Shake culture was carried out for 12 hours at ℃. Strain growth was predicted by measuring absorbance (OD 600 ) using a UV / VIS spectrometer (Ultrospec 3000, Pharmacia Biotech, Sweden) and fluorescence intensity was used with a fluorescence plate reader (Multi-label reader, PerkinElmer, USA).

효소활성측정은 위와 동일하게 전배양 세포를 준비한 후, 50 ㎍/㎖의 앰피실린과 12.5 ㎍/㎖의 클로람페니콜이 첨가된 LB 액체배지에 1%(v/v) 접종하여 37℃에서 24시간동안 배양하였다. 배양액에서 세포를 원심분리(5000 rpm, 10분)를 통하여 회수하고 50 mM Tris-HCl버퍼(pH 7.5)를 사용하여 1회 세척하였다. 세포는 초음파분쇄기(방법: 3초 파쇄, 3초 정지, 3분 동안, 20% 세기, Vibra cell, Sonics, 미국)를 이용하여 완전히 파쇄하였다. 효소반응은 100 mM 칼륨 인산 버퍼(pH 8.0)에서 1 mM 티로신 , 100 μM PLP과 세포파쇄액(1 mg/ml) 로 첨가하여 37 ℃에서 12시간동안 진행하였다.  효소활성측정은 HPLC(SCL-10A vp, Shimadzu, Japan)를 사용하여 측정하였으며, 컬럼은 C18 reverse column(C/N. 18R03, Chemco Pak, Japan), 버퍼는 50:50 Acetonitrile-Water를 사용하였다.  Enzyme activity was measured in the same manner as above, and then inoculated with 1% (v / v) of LB liquid medium to which 50 μg / ml of ampicillin and 12.5 μg / ml of chloramphenicol were added and inoculated for 24 hours at 37 ° C. Incubated. Cells in the culture were recovered by centrifugation (5000 rpm, 10 minutes) and washed once with 50 mM Tris-HCl buffer (pH 7.5). Cells were completely disrupted using an ultrasonic grinder (method: 3 sec crushing, 3 sec stop, 3 min, 20% intensity, Vibra cell, Sonics, USA). Enzyme reaction was performed at 37 ° C. for 12 hours by adding 1 mM tyrosine, 100 μM PLP and cell disruption solution (1 mg / ml) in 100 mM potassium phosphate buffer (pH 8.0). The enzyme activity was measured using HPLC (SCL-10A vp, Shimadzu, Japan), the column was C18 reverse column (C / N. 18R03, Chemco Pak, Japan) and the buffer was 50:50 Acetonitrile-Water. .

도 22의 (가)는 pGESS로 분석된 TPL(C), TPL(S), pSHCE의 활성을 나타내 그림이다. TPL(C)의 활성이 TPL(S)보다 약 2.5배 활성이 높은 것을 확인할 수 있었다. 다음으로는 효소반응후, HPLC를 이용하여 분석된 페놀의 생성량을 비교하였다(도 22 (나)). pGESS의 결과와 마찬가지로 TPL(C)의 활성이 TPL(S)보다 약 2.5배 활성이 높은 것은 확인하였다. 두 개의 결과는 pGESS를 이용하여 다양한 효소활성을 지니는 효소들에 대하여 정량적으로 분석이 가능함을 보여주는 결과이다.
Figure 22A shows the activity of TPL (C), TPL (S) and pSHCE analyzed by pGESS. It was confirmed that the activity of TPL (C) was about 2.5 times higher than that of TPL (S). Next, after the enzyme reaction, the amount of phenol analyzed using HPLC was compared (FIG. 22 (b)). As with the result of pGESS, it was confirmed that TPL (C) activity was about 2.5 times higher than TPL (S). Two results show that pGESS can be used to quantitatively analyze enzymes with various enzyme activities.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to specific embodiments thereof, those skilled in the art will appreciate that such specific embodiments are merely preferred embodiments and that the scope of the present invention is not limited thereby. something to do. It is therefore intended that the scope of the invention be defined by the claims appended hereto and their equivalents.

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Claims (21)

다음 단계를 포함하는 재설계 유전자회로를 이용한 목적효소 활성의 탐색 방법:
(a) (i) 페놀계 화합물을 인지하여 하류의 리포터 단백질의 발현을 유도하는 조절 단백질을 코딩하는 유전자; (ii) 형광 단백질을 코딩하는 유전자 및 항생제 저항성 유전자로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 리포터 유전자; 및 (iii) 상기 조절 단백질의 발현을 조절하는 프로모터, 상기 조절 단백질이 결합하여 하류의 리포터 유전자의 발현을 유도하는 부위 및 상기 리포터 유전자의 발현을 조절하는 프로모터로 구성된 유전자 발현 조절부위를 포함하는 페놀계 화합물 감지용 재설계 유전자회로를 제공하는 단계;
(b) 탐색하고자 하는 효소를 코딩하는 유전자를 포함하는 클론 또는 유전자라이브러리를 제공하는 단계;
(c) 상기 클론 또는 유전자라이브러리와 상기 페놀계 화합물 감지용 재설계 유전자회로를 숙주 미생물에 각각 도입하여 재조합 미생물을 제조하는 단계;
(d) 상기 재조합 미생물들을 효소반응에 의해 페놀계 화합물을 유리할 수 있는 페놀 방출 화합물로 처리하는 단계; 및
(e) 효소반응에 의해 유리된 페놀계 화합물을 감지하여 발현이 유도된 리포터 단백질의 활성을 감지하는 단계.
A method for screening for target enzyme activity using a redesigned genetic circuit comprising the following steps:
(a) (i) a gene encoding a regulatory protein that recognizes a phenolic compound and induces expression of a downstream reporter protein; (ii) one or more reporter genes selected from the group consisting of genes encoding fluorescent proteins and antibiotic resistance genes; And (iii) a promoter for regulating the expression of the regulatory protein, a phenol comprising a gene expression regulating site consisting of a promoter binding the regulatory protein to induce expression of a downstream reporter gene and a promoter regulating the expression of the reporter gene. Providing a redesigned genetic circuit for detecting a system compound;
(b) providing a clone or gene library comprising a gene encoding an enzyme to be searched;
(c) preparing a recombinant microorganism by introducing the clone or gene library and the redesigned gene circuit for detecting the phenolic compound into a host microorganism, respectively;
(d) treating the recombinant microorganisms with a phenol-releasing compound which may liberate the phenolic compound by enzymatic reaction; And
(e) detecting the activity of the reporter protein expression-induced by sensing the phenolic compound released by the enzymatic reaction.
다음 단계를 포함하는 재설계 유전자회로를 이용한 목적효소 활성의 탐색 방법:
(a) (i) 페놀계 화합물을 인지하여 하류의 리포터 단백질의 발현을 유도하는 조절 단백질을 코딩하는 유전자; (ii) 형광 단백질을 코딩하는 유전자 및 항생제 저항성 유전자로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 리포터 유전자; 및 (iii) 상기 조절 단백질의 발현을 조절하는 프로모터, 상기 조절 단백질이 결합하여 하류의 리포터 유전자의 발현을 유도하는 부위 및 상기 리포터 유전자의 발현을 조절하는 프로모터로 구성된 유전자 발현 조절부위를 포함하는 페놀계 화합물 감지용 재설계 유전자회로를 염색체 DNA 또는 세포질에 함유하는 미생물을 제공하는 단계;
(b) 탐색하고자 하는 효소를 코딩하는 유전자를 포함하는 클론 또는 유전자라이브러리를 제공하는 단계;
(c) 상기 클론 또는 유전자라이브러리를 상기 페놀계 화합물 감지용 재설계 유전자회로를 함유하는 미생물에 도입하여 재조합 미생물을 제조하는 단계;
(d) 상기 재조합 미생물들을 효소반응에 의해 페놀계 화합물을 유리할 수 있는 페놀 방출 화합물로 처리하는 단계; 및
(e) 효소반응에 의해 유리된 페놀계 화합물을 감지하여 발현이 유도된 리포터 단백질의 활성을 감지하는 단계.
A method for screening for target enzyme activity using a redesigned genetic circuit comprising the following steps:
(a) (i) a gene encoding a regulatory protein that recognizes a phenolic compound and induces expression of a downstream reporter protein; (ii) one or more reporter genes selected from the group consisting of genes encoding fluorescent proteins and antibiotic resistance genes; And (iii) a promoter for regulating the expression of the regulatory protein, a phenol comprising a gene expression regulating site consisting of a promoter binding the regulatory protein to induce expression of a downstream reporter gene and a promoter regulating the expression of the reporter gene. Providing a microorganism containing the redesigned genetic circuit for detecting a system compound in chromosomal DNA or cytoplasm;
(b) providing a clone or gene library comprising a gene encoding an enzyme to be searched;
(c) introducing the clone or gene library into a microorganism containing the redesigned genetic circuit for detecting the phenolic compound to produce a recombinant microorganism;
(d) treating the recombinant microorganisms with a phenol-releasing compound which may liberate the phenolic compound by enzymatic reaction; And
(e) detecting the activity of the reporter protein expression-induced by sensing the phenolic compound released by the enzymatic reaction.
다음 단계를 포함하는 재설계 유전자회로를 이용한 목적효소 활성의 정량방법:
(a) (i)페놀계 화합물을 인지하여 하류의 리포터 단백질의 발현을 유도하는 조절 단백질을 코딩하는 유전자; (ii) 형광 단백질을 코딩하는 유전자 및 항생제 저항성 유전자로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 리포터 유전자; 및 (iii) 상기 조절 단백질의 발현을 조절하는 프로모터, 상기 조절 단백질이 결합하여 하류의 리포터 유전자의 발현을 유도하는 부위 및 상기 리포터 유전자의 발현을 조절하는 프로모터로 구성된 유전자 발현 조절부위를 포함하는 페놀계 화합물 감지용 재설계 유전자회로를 제공하는 단계;
(b) 정량하고자 하는 효소를 코딩하는 유전자를 포함하는 클론 또는 유전자라이브러리를 제공하는 단계;
(c) 상기 클론 또는 유전자라이브러리와 상기 페놀계 화합물 감지용 재설계 유전자회로를 숙주 미생물에 각각 도입하여 재조합 미생물을 제조하는 단계;
(d) 상기 재조합 미생물들을 효소반응에 의해 페놀계 화합물을 유리할 수 있는 페놀 방출 화합물로 처리하는 단계; 및
(e) 효소반응에 의해 유리된 페놀계 화합물을 감지하여 발현이 유도된 리포터 단백질의 활성을 정량하는 단계.
Method for quantifying target enzyme activity using a redesigned genetic circuit comprising the following steps:
(a) (i) a gene encoding a regulatory protein that recognizes a phenolic compound and induces expression of a downstream reporter protein; (ii) one or more reporter genes selected from the group consisting of genes encoding fluorescent proteins and antibiotic resistance genes; And (iii) a promoter for regulating the expression of the regulatory protein, a phenol comprising a gene expression regulating site consisting of a promoter binding the regulatory protein to induce expression of a downstream reporter gene and a promoter regulating the expression of the reporter gene. Providing a redesigned genetic circuit for detecting a system compound;
(b) providing a clone or gene library comprising a gene encoding the enzyme to be quantified;
(c) preparing a recombinant microorganism by introducing the clone or gene library and the redesigned gene circuit for detecting the phenolic compound into a host microorganism, respectively;
(d) treating the recombinant microorganisms with a phenol-releasing compound which may liberate the phenolic compound by enzymatic reaction; And
(e) detecting the phenolic compound released by the enzymatic reaction to quantify the activity of the reporter protein induced expression.
다음 단계를 포함하는 재설계 유전자회로를 이용한 목적효소 활성의 정량방법:
(a) (i) 페놀계 화합물을 인지하여 하류의 리포터 단백질의 발현을 유도하는 조절 단백질을 코딩하는 유전자; (ii) 형광 단백질을 코딩하는 유전자 및 항생제 저항성 유전자로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 리포터 유전자; 및 (iii) 상기 조절 단백질의 발현을 조절하는 프로모터, 상기 조절 단백질이 결합하여 하류의 리포터 유전자의 발현을 유도하는 부위 및 상기 리포터 유전자의 발현을 조절하는 프로모터로 구성된 유전자 발현 조절부위를 염색체 DNA 또는 세포질에 함유하는 미생물을 제공하는 단계;
(b) 정량하고자 하는 효소를 코딩하는 유전자를 포함하는 클론 또는 유전자라이브러리를 제공하는 단계;
(c) 상기 클론 또는 유전자라이브러리를 상기 페놀계 화합물 감지용 재설계 유전자회로를 함유하는 미생물에 도입하여 재조합 미생물을 제조하는 단계;
(d) 상기 재조합 미생물들을 효소반응에 의해 페놀계 화합물을 유리할 수 있는 페놀 방출 화합물로 처리하는 단계; 및
(e) 효소반응에 의해 유리된 페놀계 화합물을 감지하여 발현이 유도된 리포터 단백질의 활성을 정량하는 단계.
Method for quantifying target enzyme activity using a redesigned genetic circuit comprising the following steps:
(a) (i) a gene encoding a regulatory protein that recognizes a phenolic compound and induces expression of a downstream reporter protein; (ii) one or more reporter genes selected from the group consisting of genes encoding fluorescent proteins and antibiotic resistance genes; And (iii) a promoter for regulating the expression of the regulatory protein, a region in which the regulatory protein binds to induce the expression of a downstream reporter gene, and a promoter for regulating the expression of the reporter gene. Providing a microorganism contained in the cytoplasm;
(b) providing a clone or gene library comprising a gene encoding the enzyme to be quantified;
(c) introducing the clone or gene library into a microorganism containing the redesigned genetic circuit for detecting the phenolic compound to produce a recombinant microorganism;
(d) treating the recombinant microorganisms with a phenol-releasing compound which may liberate the phenolic compound by enzymatic reaction; And
(e) detecting the phenolic compound released by the enzymatic reaction to quantify the activity of the reporter protein induced expression.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 리포터 유전자와 상기 리포터 유전자의 발현을 조절하는 프로모터는 상호작동가능하게 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 방법.
The method of any one of claims 1 to 4, wherein the reporter gene and a promoter regulating expression of the reporter gene are operably linked.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조절 단백질이 결합하여 하류의 리포터 유전자의 발현을 유도하는 부위는 상기 조절 단백질이 결합하여 하류의 리포터 유전자가 발현될 수 있도록 리포터유전자의 프로모터를 활성화하는 것을 특징으로 하는 방법.
The promoter of the reporter gene according to any one of claims 1 to 4, wherein the regulatory protein binds to induce expression of a downstream reporter gene so that the regulatory protein binds to allow the downstream reporter gene to be expressed. Method for activating.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 페놀계 화합물을 인지하여 하류의 리포터 단백질의 발현을 유도하는 조절 단백질을 코딩하는 유전자와 상기 조절 단백질의 발현을 조절하는 프로모터는 상호작동가능하게 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 방법.
The gene according to any one of claims 1 to 4, wherein a gene encoding a regulatory protein which recognizes the phenolic compound and induces expression of a downstream reporter protein and a promoter regulating the expression of the regulatory protein are interoperable. Characterized in that the connection.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 목적효소는 효소반응에 의해 페놀계 화합물을 유리할 수 있는 효소인 것을 특징으로 하는 방법.
The method according to any one of claims 1 to 4, wherein the target enzyme is an enzyme capable of releasing a phenolic compound by an enzymatic reaction.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 효소는 알파-글루코시다제, 베타-글루코시다제, 셀룰라제, 글리코실세라미다제, 프소파타제, 피타제, 에스터라제, 리파제, 유레타나제, 아미다제, 펩티다제, 프로테이나제, 옥시도리덕타제, 페놀-리아제, 디할로게나제, 이소머라제, 모노옥시지나제 및 디옥시지나제로 구성된 군에서 선택된 것을 특징으로 하는 방법.
The enzyme according to any one of claims 1 to 4, wherein the enzyme is alpha-glucosidase, beta-glucosidase, cellulase, glycosyl ceramidase, psopatase, phytase, esterase, lipase, Uretanase, amidase, peptidase, proteinase, oxidoreductase, phenol-lyase, dihalogenase, isomerase, monooxyginase and deoxygenase How to.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 효소 반응에 의해 방출되는 페놀계 화합물은 페놀, o-클로로페놀, m-클로로페놀, p-클로로페놀, o-니트로페놀, m-니트로페놀, p-니트로페놀, 살리실산, 2-아미노페놀, 2-메톡시페놀, 카테콜, 리소시놀, 3-메틸카테콜, 2,4-디메틸페놀, 2,5-디메틸페놀, 3,4-디메틸페놀, 2,3-디메틸페놀, 3,5-디메틸페놀, 2,4-디클로로페놀, 2,5-디클로로페놀, 2,3-디클로로페놀, 2,6-디클로로페놀, 3,4-디클로로페놀, 3,5-디클로로페놀, 2,4-디니트로페놀, o-크레졸, m-크레졸, p-크레졸, 2-에틸페놀, 3-에틸페놀, 2-플로로페놀, 2-요오드페놀 및 벤젠으로 구성된 군으로부터 선택되는 화합물인 것을 특징으로 하는 방법.
The phenolic compound released by the enzymatic reaction according to any one of claims 1 to 4 is phenol, o-chlorophenol, m-chlorophenol, p-chlorophenol, o-nitrophenol, m-nitrophenol , p-nitrophenol, salicylic acid, 2-aminophenol, 2-methoxyphenol, catechol, lysosinol, 3-methylcatechol, 2,4-dimethylphenol, 2,5-dimethylphenol, 3,4- Dimethylphenol, 2,3-dimethylphenol, 3,5-dimethylphenol, 2,4-dichlorophenol, 2,5-dichlorophenol, 2,3-dichlorophenol, 2,6-dichlorophenol, 3,4-dichloro Phenol, 3,5-dichlorophenol, 2,4-dinitrophenol, o-cresol, m-cresol, p-cresol, 2-ethylphenol, 3-ethylphenol, 2-fluorophenol, 2-iodinephenol and And a compound selected from the group consisting of benzene.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 페놀 방출 화합물은 페놀 히드록실기가 수식된 에스테르; 글리코사이드; 인산에스테르; 오르쏘-, 메타- 또는 파라- 위치에 알킬기, 카르복실기, 아미노기, 티올기, 아마이드기, 설파이드기, 니트로기 또는 할로겐기가 도입된 페놀 유도체; 및 벤젠고리 화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
The compound according to any one of claims 1 to 4, wherein the phenol-releasing compound comprises: an ester in which a phenol hydroxyl group is modified; Glycosides; Phosphate esters; Phenol derivatives in which an alkyl group, carboxyl group, amino group, thiol group, amide group, sulfide group, nitro group or halogen group is introduced at ortho-, meta- or para- position; And a benzene ring compound.
삭제delete 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 형광단백질은 GFP(Green Fluorescent Protein), GFPUV (UV-excited Green Fluorescent Protein), 및 RFP (Red Fluorescent Protein)로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 1, wherein the fluorescent protein is selected from the group consisting of Green Fluorescent Protein (GFP), UV-excited Green Fluorescent Protein (GFP UV ), and Red Fluorescent Protein (RFP). How to feature.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 항생제 저항성 유전자는 카나마이신 유전자, 클로람페니콜 유전자 및 테트라사이클린 유전자로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
The method of any one of claims 1 to 4, wherein the antibiotic resistance gene is selected from the group consisting of kanamycin gene, chloramphenicol gene and tetracycline gene.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 리포터 단백질의 활성 측정은 미생물 콜로니 이미지 분석, 형광스펙트럼 분석, 형광유세포분석 (FACS) 및 항생제 내성 측정법으로 구성된 군에서 선택되는 방법을 이용하는 것을 특징으로 하는 방법.
The method of any one of claims 1 to 4, wherein the activity of the reporter protein is measured using a method selected from the group consisting of microbial colony image analysis, fluorescence spectrum analysis, fluorescence flow cytometry (FACS), and antibiotic resistance measurement. How to feature.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 미생물은 대장균, 슈도모나스, 효모, 식물세포 및 동물세포로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
The method according to any one of claims 1 to 4, wherein the microorganism is selected from the group consisting of E. coli, Pseudomonas, yeast, plant cells and animal cells.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 재설계 유전자회로는 RBS(ribosome binding site)를 코딩하는 유전자를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 1, wherein the redesigned genetic circuit comprises a gene encoding a ribosome binding site (RBS).
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 리포터 유전자는 형광 단백질을 코딩하는 유전자 및 항생제 저항성 유전자로 구성된 이중 리포터 유전자인 것을 특징으로 하는 방법.The method according to any one of claims 1 to 4, wherein the reporter gene is a double reporter gene consisting of a gene encoding a fluorescent protein and an antibiotic resistance gene. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 페놀계 화합물을 인지하여 하류의 리포터 단백질의 발현을 유도하는 조절 단백질은 DmpR (transcriptional regulator for dimethylphenol), XylR (transcriptional regulator for xylene), MopR (transcriptional regulator for phenol metabolism), PhhR(transcriptional regulator for phenol and monomethylated phenols metabolism), PhlR (transcriptional regulator for methylphenol degradation), 및 TbuT(transcriptional regulator for toluene-benzene utilization)로 구성된 군에서 선택된 것을 특징으로 하는 방법.
According to any one of claims 1 to 4, wherein the regulatory protein that recognizes the phenolic compound and induces the expression of the downstream reporter protein is DmpR (transcriptional regulator for dimethylphenol), XylR (transcriptional regulator for xylene), MopR (transcriptional regulator for phenol metabolism), transcriptional regulator for phenol and monomethylated phenols metabolism (PhhR), transcriptional regulator for methylphenol degradation (PhlR), and transcriptional regulator for toluene-benzene utilization (TbuT) .
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