흰목이 버섯 (Tremella fuciformis)의 균사체 액체배양를 통한 세포외 다당체의 생산최적화 및 생리활성 연구 : Studies on the production of exopolysaccharides by submerged mycelial culture of a mushroom Tremella fuciformis and their biological activities원문보기
본 연구에서는 흰목이 버섯 (Tremella fuciformis) 균사체를 액체 배양하여 세포외 다당체 (exopolysaccharides, EPS)를 생산하기 위한 배양공정 최적화연구를 수행하였다. 생산된 다당체들의 분자적 특성과 성분 분석을 위하여 size exclusion chromatography (SEC)가 장착된 multi-angle laser-light scattering (MALLS)과, gas chromatography (...
본 연구에서는 흰목이 버섯 (Tremella fuciformis) 균사체를 액체 배양하여 세포외 다당체 (exopolysaccharides, EPS)를 생산하기 위한 배양공정 최적화연구를 수행하였다. 생산된 다당체들의 분자적 특성과 성분 분석을 위하여 size exclusion chromatography (SEC)가 장착된 multi-angle laser-light scattering (MALLS)과, gas chromatography (GC), amino acid analyzer를 사용하였다. 또한 생산된 다당체의 생리활성을 알아보기 위해 동물모델을 이용한 항당뇨 실험, 비만세포를 통한 항비만 실험, 암세포주를 이용한 항암 효과 실험을 각각 수행하였다.
배양공정 최적화 실험결과, 배양 온도 및 pH는 각각 28°C 와 8.0에서 최대 다당체 생산을 나타내었다. 그리고 균사체 생산 및 다당체 생산을 위한 영양원의 최적화 방법으로 step by step method를 이용한 결과, 최적 배지조성은 glucose 20 g/l, tryptone 2 g/l, KH₂PO₄ 0.46 g/l, K₂HPO₄ 1 g/l, MgSO₄·7H₂O 0.5 g/l으로 결정되었다. 이러한 최적 조건 하에서 발효조 배양을 수행한 결과, 최대 다당체 생산농도는 5일 배양 후 약 2.1 g/l이었다.
세포 외 다당체 생산에서 발효조 형태의 영향을 알아보기 위해 교반조형 발효조 (stirred-tank reactor)와 공기부상 발효조 (airlift reactor)를 서로 비교한 결과, 공기부상 발효조가 다당체 생산에 있어서 효율이 다소 높은 것으로 나타났다. 균사체 형태는 ovoid, elongated 그리고 double yeast 등의 형태가 관찰 되었고, 특히 다당체의 생산에 있어서는 elongated 형태가 가장 유리한 것으로 나타났다.
생산된 다당체의 분자적 특성을 고찰한 결과, 탄수화물의 조성은 mannose, xylose, fucose 등이 주성분이었으며, 평균분자량 (Mw)은 1.3∼1.5×10^(6) g/mol 로 결정되었다. 또한 아미노산의 함량은 전체 다당체 조성 중 각각 10.88%∼13.52% 이었으며, isoleucine, glutamic acid, serine 등이 주요 아미노산 성분이었다.
이들 다당체들의 생리활성을 검정하기 위하여, 먼저 STZ 유발 당뇨 쥐에 대한 항당뇨 효능을 조사하였으나 시간 변화에 따른 혈당 강하 효과를 볼 수 없었으며 당뇨병 증상인 다뇨(多尿), 다음(多飮), 다식(多食)의 개선효과도 나타나지 않았다. 한편, ob/ob 마우스를 이용한 제2형 당뇨병 효과 검증을 위해 다당체를 52일간 경구 투여한 결과, 실험기간 동안 지속적인 혈당 강하 효과가 나타났으며 대조군에 비해 약 52%의 혈당 감소 효과를 나타내었다. 포도당 부하 시험 (OGTT) 결과에서도 다당체 투여군에서 포도당 투여 후 60분부터 급격한 혈당 강하가 일어났으며 180분에는 대조군에 비해 약 61% 혈당 강하가 확인됨으로써 흰목이 버섯 다당체가 제2형 당뇨에 뛰어난 효과가 있음이 입증되었다. 또한, 식이량의 효율에 있어서 대조군에 비해 다당체 처리군에서 뛰어난 효과가 관찰되었다. 혈액 내의 콜레스테롤, 중성 지방 및 인슐린을 측정하기 위해 혈액 분석을 실시한 결과, 콜레스테롤 수치는 대조군과 처리군 모두 정상 수치인데 반해 중성지방에서는 대조군이 정상 수치보다 높게 (217±73 mg/dl) 나타났으며, 처리군은 정상 수치 (74±30 mg/dl) 수준이었다. ob/ob 마우스 지방 세포에서 PPAR-γ 발현량을 비교 분석해 본 결과, 다당체 처리군에서 유전자 발현이 대조군에 비해 크게 증가 된 것으로 나타나, 다당체가 ob/ob 마우스의 인슐린 감수성을 개선시킨 것으로 판단되었다.
그 외의 생리활성능 평가실험에서는 3T3-L1 비만세포를 이용한 항비만 효과, 간암 세포주 (HepG2) 및 뇌종양 세포주 (SK-N-SH)를 이용한 항암활성을 기본적으로 평가해 본 결과, 유의적인 효과를 얻을 수 없었다.
본 연구에서는 흰목이 버섯 (Tremella fuciformis) 균사체를 액체 배양하여 세포외 다당체 (exopolysaccharides, EPS)를 생산하기 위한 배양공정 최적화연구를 수행하였다. 생산된 다당체들의 분자적 특성과 성분 분석을 위하여 size exclusion chromatography (SEC)가 장착된 multi-angle laser-light scattering (MALLS)과, gas chromatography (GC), amino acid analyzer를 사용하였다. 또한 생산된 다당체의 생리활성을 알아보기 위해 동물모델을 이용한 항당뇨 실험, 비만세포를 통한 항비만 실험, 암세포주를 이용한 항암 효과 실험을 각각 수행하였다.
배양공정 최적화 실험결과, 배양 온도 및 pH는 각각 28°C 와 8.0에서 최대 다당체 생산을 나타내었다. 그리고 균사체 생산 및 다당체 생산을 위한 영양원의 최적화 방법으로 step by step method를 이용한 결과, 최적 배지조성은 glucose 20 g/l, tryptone 2 g/l, KH₂PO₄ 0.46 g/l, K₂HPO₄ 1 g/l, MgSO₄·7H₂O 0.5 g/l으로 결정되었다. 이러한 최적 조건 하에서 발효조 배양을 수행한 결과, 최대 다당체 생산농도는 5일 배양 후 약 2.1 g/l이었다.
세포 외 다당체 생산에서 발효조 형태의 영향을 알아보기 위해 교반조형 발효조 (stirred-tank reactor)와 공기부상 발효조 (airlift reactor)를 서로 비교한 결과, 공기부상 발효조가 다당체 생산에 있어서 효율이 다소 높은 것으로 나타났다. 균사체 형태는 ovoid, elongated 그리고 double yeast 등의 형태가 관찰 되었고, 특히 다당체의 생산에 있어서는 elongated 형태가 가장 유리한 것으로 나타났다.
생산된 다당체의 분자적 특성을 고찰한 결과, 탄수화물의 조성은 mannose, xylose, fucose 등이 주성분이었으며, 평균분자량 (Mw)은 1.3∼1.5×10^(6) g/mol 로 결정되었다. 또한 아미노산의 함량은 전체 다당체 조성 중 각각 10.88%∼13.52% 이었으며, isoleucine, glutamic acid, serine 등이 주요 아미노산 성분이었다.
이들 다당체들의 생리활성을 검정하기 위하여, 먼저 STZ 유발 당뇨 쥐에 대한 항당뇨 효능을 조사하였으나 시간 변화에 따른 혈당 강하 효과를 볼 수 없었으며 당뇨병 증상인 다뇨(多尿), 다음(多飮), 다식(多食)의 개선효과도 나타나지 않았다. 한편, ob/ob 마우스를 이용한 제2형 당뇨병 효과 검증을 위해 다당체를 52일간 경구 투여한 결과, 실험기간 동안 지속적인 혈당 강하 효과가 나타났으며 대조군에 비해 약 52%의 혈당 감소 효과를 나타내었다. 포도당 부하 시험 (OGTT) 결과에서도 다당체 투여군에서 포도당 투여 후 60분부터 급격한 혈당 강하가 일어났으며 180분에는 대조군에 비해 약 61% 혈당 강하가 확인됨으로써 흰목이 버섯 다당체가 제2형 당뇨에 뛰어난 효과가 있음이 입증되었다. 또한, 식이량의 효율에 있어서 대조군에 비해 다당체 처리군에서 뛰어난 효과가 관찰되었다. 혈액 내의 콜레스테롤, 중성 지방 및 인슐린을 측정하기 위해 혈액 분석을 실시한 결과, 콜레스테롤 수치는 대조군과 처리군 모두 정상 수치인데 반해 중성지방에서는 대조군이 정상 수치보다 높게 (217±73 mg/dl) 나타났으며, 처리군은 정상 수치 (74±30 mg/dl) 수준이었다. ob/ob 마우스 지방 세포에서 PPAR-γ 발현량을 비교 분석해 본 결과, 다당체 처리군에서 유전자 발현이 대조군에 비해 크게 증가 된 것으로 나타나, 다당체가 ob/ob 마우스의 인슐린 감수성을 개선시킨 것으로 판단되었다.
그 외의 생리활성능 평가실험에서는 3T3-L1 비만세포를 이용한 항비만 효과, 간암 세포주 (HepG2) 및 뇌종양 세포주 (SK-N-SH)를 이용한 항암활성을 기본적으로 평가해 본 결과, 유의적인 효과를 얻을 수 없었다.
The optimization of submerged culture conditions for mycelial growth and exopolysaccharide (EPS) production in an edible mushroom Tremella fuciformis was studied in shake flasks and bioreactors. The temperature of 28℃ and pH 8 in the beginning of fermrntation in agitated flasks showed to be the most...
The optimization of submerged culture conditions for mycelial growth and exopolysaccharide (EPS) production in an edible mushroom Tremella fuciformis was studied in shake flasks and bioreactors. The temperature of 28℃ and pH 8 in the beginning of fermrntation in agitated flasks showed to be the most efficient condition to obtain at the same time greater growth and more EPS. The optimal medium constituents were as follows (g l^(-1)): glucose 20, tryptone 2, KH₂PO₄ 0.46, K₂HPO₄ 1 and MgSO₄7H₂O 0.5. The fungus was cultivated under various agitation and aeration conditions in a 5-L stirred-tank bioreactor. The maximum cell mass and EPS production were obtained at a relatively high agitation speed of 200 rpm and at an aeration rate of 2 vvm. The flow behavior of the fermentation broth was Newtonian and the maximum apparent viscosity (35 cP) was observed at a highly aerated condition (2 vvm). The EPS productivity in an airlift reactor was higher than that in the stirred-tank reactor. The morphological study revealed that the fungus grows in mainly three different yeast-like forms: ovoid, elongated, and double yeast forms. The high population of the elongated yeast has a very close relationship to high EPS production. The EPS were protein-bound polysaccharides consisted of mainly mannose, xylose, and fucose. The molecular weights of EPS were determined to be 1.3∼1.5×10^(6).
We studied on the anti-diabetic activity of EPS using two diabetic animal models (STZ-induced diabetic rats and ob/ob mice). Interestingly, EPS displayed no anti-diabetic activity against STZ-induced diabetic rats, but strong activity against ob/ob mice.
The plasma glucose in the non-insulin-dependent diabetes mellitus (NIDDM) mouse model (ob/ob) was lowered after oral administration as compared to the control group. There was no significant difference in plasma total cholesterol level among the groups during the experimental period. The plasma triglyceride level was markedly reduced by oral administration of EPS. After treatment with EPS, glucose tolerance was also markedly improved. PPAR-γ mRNA expressions of adipose tissue were also up-regulated by 40% in EPS-treated group, demonstrating that increases in PPAR-γ mRNA expressions may be related to the regulation of hyperglycemia and dyslipidemia in these animals. In conclusion, EPS from T. fucifomis may be developed as an oral hypoglycemic agent or functional food for persons with high risk of type 2 diabetes mellitus.
In order to investigate the anti-obesity effects of EPS on the differentiation of 3T3-L1 cell, a dose-response study was conducted. Unexpectedly, EPS did not show anti-obesity. The anti-cancer activity of EPS was also examined using two different cancer cell lines (human hepatoma cell lines, HepG2 and human neuroblastoma cell line, SK-N-SH). It was revealed that EPS did not significantly inhibit HepG2 and SK-N-SH cell growth.
The optimization of submerged culture conditions for mycelial growth and exopolysaccharide (EPS) production in an edible mushroom Tremella fuciformis was studied in shake flasks and bioreactors. The temperature of 28℃ and pH 8 in the beginning of fermrntation in agitated flasks showed to be the most efficient condition to obtain at the same time greater growth and more EPS. The optimal medium constituents were as follows (g l^(-1)): glucose 20, tryptone 2, KH₂PO₄ 0.46, K₂HPO₄ 1 and MgSO₄7H₂O 0.5. The fungus was cultivated under various agitation and aeration conditions in a 5-L stirred-tank bioreactor. The maximum cell mass and EPS production were obtained at a relatively high agitation speed of 200 rpm and at an aeration rate of 2 vvm. The flow behavior of the fermentation broth was Newtonian and the maximum apparent viscosity (35 cP) was observed at a highly aerated condition (2 vvm). The EPS productivity in an airlift reactor was higher than that in the stirred-tank reactor. The morphological study revealed that the fungus grows in mainly three different yeast-like forms: ovoid, elongated, and double yeast forms. The high population of the elongated yeast has a very close relationship to high EPS production. The EPS were protein-bound polysaccharides consisted of mainly mannose, xylose, and fucose. The molecular weights of EPS were determined to be 1.3∼1.5×10^(6).
We studied on the anti-diabetic activity of EPS using two diabetic animal models (STZ-induced diabetic rats and ob/ob mice). Interestingly, EPS displayed no anti-diabetic activity against STZ-induced diabetic rats, but strong activity against ob/ob mice.
The plasma glucose in the non-insulin-dependent diabetes mellitus (NIDDM) mouse model (ob/ob) was lowered after oral administration as compared to the control group. There was no significant difference in plasma total cholesterol level among the groups during the experimental period. The plasma triglyceride level was markedly reduced by oral administration of EPS. After treatment with EPS, glucose tolerance was also markedly improved. PPAR-γ mRNA expressions of adipose tissue were also up-regulated by 40% in EPS-treated group, demonstrating that increases in PPAR-γ mRNA expressions may be related to the regulation of hyperglycemia and dyslipidemia in these animals. In conclusion, EPS from T. fucifomis may be developed as an oral hypoglycemic agent or functional food for persons with high risk of type 2 diabetes mellitus.
In order to investigate the anti-obesity effects of EPS on the differentiation of 3T3-L1 cell, a dose-response study was conducted. Unexpectedly, EPS did not show anti-obesity. The anti-cancer activity of EPS was also examined using two different cancer cell lines (human hepatoma cell lines, HepG2 and human neuroblastoma cell line, SK-N-SH). It was revealed that EPS did not significantly inhibit HepG2 and SK-N-SH cell growth.
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