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Pullulanase, microorganismes la produisant, procédés de préparation de cette pullulanase et utilisations de celle-ci
L'invention concerne une nouvelle pullulanase. L'invention concerne également une nouvelle souche de microorganismes produisant cette pullulanase et les procédés de préparation de cette pullulanase. L'invention concerne également les utilisations et les compositions comprenant celle-ci. L'invention concerne également une molécule d'ADN contenant le gène de cette pullulanase et un vecteur d'expression contenant cette molécule d'ADN, utile pour exprimer la pullulanase dans les souches de Bacillus.
L'amidon, dont les constituants essentiels sont l'amylose et l'amylopectine, peut être converti en sucres simples par un procédé enzymatique réalisé en deux étapes : une étape de liquéfaction de l'amidon et une étape de saccharification de l'amidon liquéfié. En vue d'atteindre un taux de conversion élevé de l'amidon, il a déjà été proposé d'ajouter lors de la saccharification de l'amidon liquéfié une enzyme hydrolysant les liaisons glucosidiques < x-l, 6, comme, par exemple, une pullulanase.
Dans le brevet européen 0 063 909, on décrit une enzyme dite débranchante, c'est-à-dire capable d'hydrolyser les liaisons glucosidiques a-1, 6 dans l'amylopectine, qui présente une activité pullulanase et possède un optimum d'activité à un pH de 4-5 à 60 C. Cette enzyme dérive d'une souche de Bacillus acidopullulyticus.
Par ailleurs, dans le brevet Etats-Unis 5,055, 403, on a proposé une pullulanase présentant une activité enzymatique en milieu acide et dérivée d'une souche de Bacillus naganoensis.
Cette enzyme présente un maximum d'activité à un pH d'environ 5
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mesurée à 60 oC et un maximum d'activité à une température d'environ 62, 5 C mesurée à un pH de 4, 5.
Quoiqu'actives à pH acide et à une température d'environ
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60 C et dès lors utilisables lors de la saccharification de l'amidon liquéfié, les pullulanases de l'art antérieur présentent l'inconvénient d'être très peu stables dans de telles conditions de température et de pH, leur durée de demi-vie à une température de 60 C et à un pH d'environ 4,5 en l'absence de substrat ne dépassant pas quelques dizaines de minutes.
En conséquence il y a actuellement un besoin pour une pullulanase utilisable lors de la saccharification de l'amidon liquéfié, très stable dans une large gamme de température et de pH, et en particulier à une température d'environ 60 C et à un pH d'environ 4,5.
La présente invention a pour but de fournir une nouvelle pullulanase, active à pH acide, présentant une thermostabilité à pH acide très largement supérieure à celle des pullulanases de l'art antérieur et une durée de demi-vie de plusieurs heures sous les conditions précitées.
La présente invention a également pour but d'identifier, isoler et fournir une souche, et en particulier une souche de Bacillus, qui produit naturellement ladite pullulanase.
La présente invention a également pour but d'isoler et de fournir une séquence de nucléotides codant pour ladite pullulanase.
La présente invention a également pour but de préparer et fournir un vecteur d'expression et un vecteur d'intégration chromosomique contenant la séquence de nucléotides codant pour ladite pullulanase.
La présente invention a également pour but de préparer et fournir un hôte de Bacillus transformé avec le vecteur d'expression ou le vecteur d'intégration contenant la séquence de nucléotides de la souche de Bacillus codant pour ladite pullulanase.
A cet effet l'invention concerne une pullulanase produite par un Bacillus, et plus particulièrement par un microorganisme aérobie et non thermophile tel que le Bacillus deramificans. On utilise de préférence le Bacillus deramificans T 89.117D ou un dérivé ou mutant de cette souche.
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De préférence la pullulanase, isolée et purifiée, est constituée d'un seul type de polypeptide, ayant un poids moléculaire d'environ 100 ( 10) kDa.
De plus, la séquence N-terminale (SEQ ID N0 : 1) de ladite pullulanase est la suivante dans le sens amino-carboxy et de gauche à droite :
Asp Gly Asn Thr Thr Thr Ile Ile Val His
1 5 10
Tyr Phe Cys Pro Ala Gly Asp Tyr Gln Pro
15 20
L'invention concerne une pullulanase, isolée et purifiée, comprenant la séquence d'acides aminés de 1 à 928 acides aminés (SEQ ID NO : 11) ou une séquence modifiée dérivée de celle-ci.
Cette séquence est la séquence complète en acides aminés de ladite pullulanase, telle qu'illustrée à la figure 4 (4a à 4f).
La séquence complète de nucléotides (SEQ ID N0 : 10) codant pour la pullulanase, ainsi que sa traduction en acides aminés, est donnée à la figure 4.
De manière particulièrement préférée, ladite pullulanase a un point isoélectrique compris entre 4,1 et 4,5.
La pullulanase selon l'invention est thermostable et active dans une large gamme de température. La pullulanase est active à pH acide.
Ladite pullulanase est capable de catalyser l'hydrolyse des liaisons glucosidiques a-1, 6 présentes aussi bien dans l'amylopectine que dans le pullulane. C'est donc une enzyme dite déramifiante ou débranchante. De préférence ladite pullulanase est capable d'hydrolyser les liaisons glucosidiques de type oc-1, 6 dans l'amylopectine.
De préférence, la pullulanase selon l'invention dégrade le pullulane en maltotriose et l'amylopectine en amylose.
De plus, la pullulanase de la présente invention hydrolyse l'amylopectine en formant des oligosaccharides (maltooligosaccharides). Lors de cette hydrolyse, on observe la formation d'oligosaccharides constitués d'environ 13 unités de glucose
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(degré de polymérisation de 13, cette molécule est aussi appelée "chaîne A"), suivie de la formation d'oligosaccharides constitués d'environ 47 unités de glucose (degré de polymérisation de 47, cette molécule est aussi appelée"chaîne B").
La définition des oligosaccharides avec des chaînes A et B est faite par référence à D. J. MANNERS ("Structural Analysis of Starch components by Debranching Enzymes"dans"New Approaches to research on Cereal Carbohydrates", Amsterdam, 1985, p. 45-54) et B. E. ENEVOLDSEN ("Aspects of the fine structure of starch"dans dans"New Approaches to research on Cereal Carbohydrates", Amsterdam, 1985, p. 55-60).
De préférence, la pullulanase de la présente invention hydrolyse l'amylopectine de pomme de terre. Cette hydrolyse peut être réalisée avec une suspension aqueuse d'amylopectine en présence de la pullulanase dans les conditions optimales d'activité de la pullulanase, c'est-à-dire à une température d'environ 60 C et à un pH d'environ 4,3.
La pullulanase de la présente invention catalyse la réaction de condensation du maltose en formant des tétraholosides (oligosaccharides ayant 4 unités glucose).
La pullulanase de l'invention a une durée de demi-vie d'environ 55 heures mesurée à une température d'environ 60 C dans une solution tamponnée à un pH d'environ 4,5 et en l'absence de substrat.
Par durée de demi-vie, on entend que la pullulanase montre
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une activité enzymatique relative d'au moins 50 % mesurée après une incubation de 55 heures à une température d'environ 60 C dans une solution tamponnée à un pH d'environ 4, 5 et en l'absence de substrat.
La pullulanase selon l'invention est thermostable à pH acide. En effet, la pullulanase selon l'invention montre une activité enzymatique relative d'au moins 55 % mesurée après une incubation de 40 heures à une température de 60 C dans une solution tamponnée à un pH d'environ 4,5 et en l'absence de substrat. Elle montre une activité enzymatique relative d'au moins 70 % mesurée après une incubation de 24 heures sous ces
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mêmes conditions.
Par activité enzymatique relative, on entend le rapport entre l'activité enzymatique, mesurée au cours d'un essai réalisé dans des conditions données de pH, température, substrat et durée, et l'activité enzymatique maximale mesurée au cours de ce même essai, l'activité enzymatique étant mesurée à partir de l'hydrolyse du pullulane et l'activité enzymatique maximale étant fixée arbitrairement à la valeur de 100.
La pullulanase selon l'invention est par ailleurs stable dans une large gamme de pH acides.
Sous les conditions décrites ci-après, elle est active à un pH supérieur ou égal à 3. En effet, ladite pullulanase montre une activité enzymatique relative d'au moins 85 % mesurée après une incubation de 60 minutes à une température d'environ 60 C en l'absence de substrat et dans une gamme de pH supérieur ou égal à environ 3,5.
Sous les conditions décrites ci-après, elle est active à un pH inférieur ou égal à 7. En effet, ladite pullulanase montre une
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activité enzymatique relative d'au moins 85 % mesurée après une incubation de 60 minutes à une température d'environ 60 C en l'absence de substrat et dans une gamme de pH inférieur ou égal à environ 5,8.
De préférence, elle montre une activité enzymatique relative supérieure à 90 % mesurée dans une gamme de pH compris entre environ 3,8 et environ 5 sous ces mêmes conditions.
La pullulanase selon l'invention développe une activité enzymatique optimale mesurée à une température d'environ 60 oC dans une gamme de pH supérieur à 4,0. La pullulanase selon l'invention développe une activité enzymatique optimale mesurée à une température d'environ 60 C dans une gamme de pH inférieur à 4,8. De préférence ladite pullulanase développe une activité enzymatique optimale mesurée à une température d'environ 60 C à un pH d'environ 4,3.
La pullulanase selon l'invention développe par ailleurs une activité enzymatique optimale, mesurée à un pH d'environ 4,3, dans une gamme de température comprise entre 55 et 65 OC, et plus
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particulièrement à 60 C.
La pullulanase selon l'invention développe une activité enzymatique de plus de 80 % de l'activité enzymatique maximale (l'activité enzymatique maximale étant mesurée à une température
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de 60 C et à un pH de 4, 3) dans une gamme de pH compris entre environ 3, 8 et environ 4, 9 pour une température d'environ 60 C.
La pullulanase selon l'invention possède par ailleurs toutes les propriétés adéquates compatibles avec les conditions industrielles réelles de saccharification de l'amidon. Ces propriétés sont un optimum de pH inférieur à 5, un optimum de température aux alentours de 60 C et une bonne stabilité de l'enzyme dans ces conditions de pH acide et de température élevée. Le milieu acide est imposé par l'utilisation simultanée de la glucoamylase et de la pullulanase lors de la saccharification industrielle de l'amidon. En effet la glucoamylase utilisée pour la saccharification de l'amidon est généralement produite par un champignon et notamment par une souche d'Aspergillus, tel que Aspergillus niger, Aspergillus awamori ou Aspergillus foetidus.
Lesconditions idéales adaptées à la saccharification d'amidon liquéfié en présence d'une glucoamylase sont une température
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d'environ 60 C et un pH d'environ 4, 0 à 4, 5. Ceci est notamment le cas pour la glucoamylase vendue sous les marques
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DIAZYMEL-200 par SOLVAY ENZYMES (Elkhart, Etats-Unis) et 0PTIDEXpar S0LVAY ENZYMES (Hanovre, Allemagne). Par ailleurs
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l'étape de saccharification dure plusieurs heures, en général de 40 à 60 heures, il est essentiel que les enzymes utilisées soient stables, actives et efficaces tout au long de cette étape, ces enzymes doivent donc présenter une thermostabilité élevée en milieu acide et une durée de demi-vie la plus longue possible.
C'est pourquoi la pullulanase de la présente invention est plus efficace que les pullulanases connues.
La présente invention concerne également un procédé pour la production d'une pullulanase comprenant la culture d'une bactérie aérobie (et non thermophile) capable de produire la pullulanase dans un milieu nutritif approprié contenant des sources de carbone et d'azote et des sels minéraux sous condition
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d'aérobiose et la récolte de la pullulanase ainsi obtenue. Ce milieu de culture peut être solide ou liquide. De préférence le milieu de culture est liquide.
La présente invention concerne également un procédé pour la production d'une pullulanase comprenant la culture de la souche de Bacillus deramificans T 89.117D (LMG P-13056) ou un dérivé de cette souche capable de produire la pullulanase dans un milieu nutritif approprié contenant des sources de carbone et d'azote et des sels minéraux sous condition d'aérobiose et la récolte de la pullulanase ainsi obtenue.
Les conditions de culture de ces bactéries telles que composants du milieu de culture, paramètres de culture, température, pH, aération, agitation, sont bien connues de l'homme du métier.
Les sources de carbone du milieu de culture sont habituellement choisies parmi l'amidon, l'amidon partiellement hydrolysé, l'amidon soluble, des oligosaccharides, le glucose, l'amylose, l'amylopectine ou un mélange de deux ou plusieurs de ceux-ci. Les sources de carbone du milieu de culture sont de préférence choisies parmi l'amidon partiellement hydrolysé, le pullulane, le glucose ou un mélange de ceux-ci. De bons résultats ont été obtenus avec le glucose et l'amidon partiellement hydrolysé. Les sources d'azote du milieu de culture sont habituellement choisies parmi l'extrait de levure, la farine de soja, la farine de graines de coton, la farine de poisson, la gélatine, la farine de pomme de terre ou un mélange de deux ou plusieurs de ceux-ci.
Les sources d'azote du milieu de culture sont de préférence choisies parmi l'extrait de levure, la farine de soja ou un mélange de ceux-ci. De bons résultats ont été obtenus avec l'extrait de levure. Les sels minéraux du milieu de culture sont généralement choisis pour les anions parmi chlorure, carbonate, phosphate, sulfate et pour les cations parmi potassium, sodium, ammonium, magnésium, calcium ou un mélange de deux ou plusieurs de ceux-ci. De bons résultats ont été obtenus avec un mélange des sels suivants KH2P04, K2HP04. 3H20, (NH4) 2S04, MgC12. 6H20 et CaCl2. 2H20.
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La culture est généralement conduite à une température comprise entre 20 et 45 C et de préférence entre 25 et 40 C.
La culture est généralement conduite à un pH compris entre 3,5 et 6 et de préférence entre 4 et 6.
La culture est conduite sous condition d'aérobiose en présence d'air ou d'oxygène et sous agitation.
Les techniques de récolte de la pullulanase produite sont bien connues de l'homme du métier. Habituellement, on emploie la centrifugation, l'ultrafiltration, l'évaporation, la précipitation, la filtration, la microfiltration, la cristallisation ou une combinaison de l'une ou l'autre de ces techniques telle qu'une centrifugation suivie d'une ultrafiltration.
La pullulanase peut ensuite être purifiée, si nécessaire.
Les techniques de purification d'enzymes sont connues de l'homme du métier, telles que notamment la précipitation à l'aide d'un sel, tel que le sulfate d'ammonium, ou de solvant, tel que principalement l'acétone.
La pullulanase peut également être séchée par atomisation ou lyophilisation.
La présente invention concerne également l'identification et la fourniture d'une nouvelle bactérie isolée aérobie produisant la pullulanase. Généralement elle appartient à la famille des Bacillaceae. De préférence elle appartient au genre Bacillus.
De manière particulièrement préférée, ledit Bacillus est la souche de Bacillus deramificans T 89.117D ou un dérivé ou mutant de cette souche.
Par dérivé ou mutant de cette souche, on entend toute bactérie modifiée naturellement ou artificiellement. Les dérivés de cette souche peuvent être obtenus par les techniques connues de modification telles que rayonnement ultra-violet, rayons X, agents mutagènes ou génie génétique.
La souche de Bacillus deramificans T 89.117D a été déposée à la collection nommée BELGIAN COORDINATED COLLECTIONS 0F MICRCRGANISMS (LMG culture collection, Université de Gand, Laboratoire de Microbiologie-K. L. Ledeganckstraat 35, B-9000 Gand, Belgique) conformément au Traité de Budapest sous le
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numéro LMG P-13056 le 21 juin 1993. L'invention concerne donc une culture isolée et purifiée de Bacillus deramificans T 89.117D et une culture dérivée ou mutée de celle-ci.
La souche de la présente invention a été identifiée par ses caractéristiques biochimiques : bactérie Gram positif, aérobie qui se présente sous le forme de bâtonnet, elle forme une endospore.
L'invention concerne également l'isolement et la fourniture d'une molécule d'ADN comprenant une séquence de nucléotides (SEQ ID N0 : 10) codant pour la pullulanase de Bacillus deramificans T 89.117D (LMG P-13056) ou une séquence modifiée dérivée de celle-ci. De préférence cette molécule d'ADN comprend tout le gène de la pullulanase de Bacillus deramificans T 89.117D. Par tout le gène de la pullulanase, on entend au moins le (ou les) promoteur (s) de transcription, la (ou les) séquence (s) signal, la séquence de nucléotides codant. pour la pullulanase mature et le (ou les) terminateur (s) de transcription.
La molécule d'ADN, selon l'invention, comprend au moins la séquence de nucléotides (SEQ ID NO : 10) codant pour la pullulanase mature de Bacillus deramificans T 89.117D (LMG P-13056) et sa séquence signal (préséquence) (SEQ ID NO : 13). De préférence cette molécule d'ADN comprend tout le gène de la pullulanase de Bacillus deramificans T 89.117D. De bons résultats ont été obtenus avec une molécule d'ADN comprenant la séquence de nucléotides (SEQ ID N0 : 8).
La séquence de nucléotides (SEQ ID N0 : 8) est constituée de, dans le sens amino-carboxy et de gauche à droite, la séquence de nucléotides (SEQ ID N0 : 14), la séquence de nucléotides (SEQ ID N0 : 13), la séquence de nucléotides (SEQ ID N0 : 10) et la séquence de nucléotides (SEQ ID N0 : 15).
La pullulanase de l'invention est synthétisée sous forme d'un précurseur contenant une séquence additionnelle de 29 acides aminés (SEQ ID N0 : 12).
L'invention concerne également une pullulanase modifiée, c'est-à-dire une enzyme dont la séquence en acides aminés diffère
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de celle de l'enzyme sauvage par au moins un acide aminé. Ces modifications peuvent être obtenues par des techniques classiques de mutagénèse sur l'ADN, telles que l'exposition à des rayonnements ultra-violets, à des produits chimiques tels que le nitrite de sodium ou l'o-methylhydroxylamine ou par des techniques de génie génétique comme par exemple la mutagénèse dirigée ou la mutagénèse aléatoire.
L'invention concerne également une pullulanase mutée obtenue par modification de la séquence de nucléotides du gène qui code pour la pullulanase définie ci-dessus. Les techniques d'obtention de telles pullulanases mutées sont connues de l'homme du métier et sont notamment décrites dans Molecular Cloning-a laboratory manual-SAMBROOK, FRITSCH, MANIATIS-second edition, 1989, au chapitre 15.
L'invention concerne également la préparation et la fourniture d'un vecteur d'expression contenant la molécule d'ADN qui comprend la séquence de nucléotides qui code pour la pullulanase de Bacillus deramificans T 89.117D. De préférence la molécule d'ADN comprend le gène de structure qui code pour la pullulanase mature de Bacillus deramificans T 89. 117D. De manière particulièrement préférée ce vecteur est le vecteur pUBDEBRA1. De bons résultats ont également été obtenus avec le vecteur pUBCDEBRA11.
Par vecteur d'expression on entend toute séquence d'ADN qui comprend un réplicon et d'autres régions d'ADN (séquences de nucléotides) et qui est fonctionnelle indépendamment de l'hôte comme une unité d'expression génique complète.
Par unité d'expression génique complète, on entend le gène de structure et la ou les région (s) du promoteur et la ou les région (s) de régulation nécessaire pour la transcription et la traduction. Par gène de structure on entend la séquence codante qui est utilisée pour la transcription en ARN et permet la synthèse de la protéine par l'hôte.
Le vecteur d'expression préféré est le vecteur pUBDEBRA1.
Ce vecteur contient le gène qui code pour la pullulanase de la souche de Bacillus deramificans T 89.117D selon l'invention. Ce vecteur peut être introduit dans un hôte approprié. Généralement
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cet hôte est une souche de Bacillus. De préférence cet hôte est une souche de Bacillus licheniformis. De manière particulièrement préférée cet hôte est une souche de Bacillus licheniformis SE2. D'excellents résultats ont été obtenus avec ce vecteur lorsqu'il est introduit dans la souche de Bacillus licheniformis SE2 delapl, utilisée comme hôte.
L'invention concerne également la préparation et la fourniture d'un vecteur d'intégration chromosomique contenant la molécule d'ADN qui comprend la séquence de nucléotides qui code pour la pullulanase de Bacillus deramificans T 89.117D. De préférence la molécule d'ADN comprend le gène de structure qui code pour la pullulanase mature de Bacillus deramificans T 89.117D. De manière particulièrement préférée, ce vecteur d'intégration chromosomique est le vecteur pUBCDEBRAllDNSI.
La présente invention concerne également des souches recombinantes dans lesquelles ledit gène codant pour la pullulanase est introduit par les techniques de génie génétique. Le gène peut être introduit sur un plasmide par un vecteur d'expression ou intégré dans le chromosome de l'hôte en une ou plusieurs copies par un vecteur d'intégration chromosomique.
L'invention concerne également les souches de microorganismes différentes de l'organisme producteur de départ, dans lesquelles les nucléotides codant pour la pullulanase sont introduits par transformation, soit sous forme intégrée dans l'ADN chromosomique, soit sous forme autoréplicative (plasmide).
L'invention concerne la souche transformée de Bacillus licheniformis comprenant la molécule d'ADN décrite ci-dessus.
L'invention concerne la souche transformée de Bacillus licheniformis comprenant le vecteur d'expression ou le vecteur d'intégration chromosomique qui comprend cette molécule d'ADN. De préférence l'invention concerne la souche transformée de Bacillus
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licheniformis comprenant le vecteur d'expression pUBDEBRAl ou le vecteur d'intégration chromosomique pUBCDEBRAllDNSI.
L'invention concerne également un procédé pour la préparation d'une pullulanase à partir d'un organisme recombinant, le procédé comprenant l'isolement d'un fragment d'ADN codant pour la
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pullulanase, l'insertion de ce fragment d'ADN dans un vecteur approprié, l'introduction de ce vecteur dans un hôte approprié ou l'introduction de ce fragment d'ADN dans le chromosome d'un hôte approprié, la culture de cet hôte, l'expression de la pullulanase et la récolte de la pullulanase. L'hôte approprié est choisi généralement parmi le groupe constitué des microorganismes Escherichia coli, Bacillus ou Aspergillus. Habituellement, l'hôte est choisi parmi les Bacillus. De préférence, l'hôte est choisi parmi les microorganismes du genre Bacillus (aérobies).
De manière particulièrement préférée, l'hôte est choisi parmi les microorganismes Bacillus subtilis, Bacillus licheniformis, Bacillus alcalophilus, Bacillus pumilus, Bacillus lentus, Bacillus amyloliquefaciens ou Bacillus deramificans T 89.117D (LMG P-13056).
De bons résultats ont été obtenus lorsque l'hôte pour l'expression de la pullulanase selon la présente invention est une souche recombinant dérivée de Bacillus licheniformis, et de préférence la souche de Bacillus licheniformis SE2 delapl.
La souche de Bacillus licheniformis SE2 a été déposée le 21 juin 1993 à la collection nommée BELGIAN COORDINATED COLLECTIONS 0F MICROORGANISM (LMG culture collection, Gand, Belgique) conformément au Traité de Budapest sous le numéro LMG P-14034.
La souche transformée SE2 delapl ainsi obtenue de Bacillus licheniformis SE2 diffère de la souche mère par le seul fait qu'elle ne contient pas dans son chromosome la séquence d'ADN qui code pour la protéase mature.
L'invention concerne également une pullulanase produite, de façon hétérologue, par un microorganisme du genre Bacillus qui contient un gène codant pour une protéase alcaline lorsqu'il est à l'état sauvage. De préférence ce microorganisme est une souche de Bacillus licheniformis comprenant la molécule d'ADN qui comprend la séquence de nucléotides qui code pour la pullulanase de Bacillus deramificans T 89.117D. De manière particulièrement préférée, le gène codant pour la protéase alcaline a été délété de cette souche de Bacillus. Cette souche est de préférence la
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souche de Bacillus licheniformis SE2 delapl.
Par produite de façon hétérologue, on entend une production qui n'est pas effectuée par le microorganisme naturel, c'est-àdire le microorganisme qui contient à l'état sauvage le gène qui code pour la pullulanase.
La pullulanase selon l'invention a des débouchés multiples dans diverses industries, telles que, par exemples, les industries alimentaires, les industries pharmaceutiques ou les industries chimiques.
La pullulanase peut notamment être utilisée en boulangerie comme "anti-staling", c'est-à-dire comme additif pour éviter au pain de rassir au cours de sa conservation ou en brasserie au cours de la fabrication de bières à faible teneur en calories.
La pullulanase peut également être utilisée lors de la préparation d'aliments à faible teneur en calories dans lesquels l'amylose est utilisé comme substitut des matières grasses.
La pullulanase peut également être utilisée pour hydrolyser l'amylopectine et former des oligosacharides à partir de-cette amylopectine.
La pullulanase peut également être utilisée pour former des tétraholosides à partir de maltose.
La pullulanase peut également être utilisée pour condenser des mono-ou oligo-saccharides en créant des liaisons de type alpha-1, 6.
La pullulanase peut, par exemple, être utilisée pour clarifier les jus de fruit.
La pullulanase peut être utilisée pour la liquéfaction de l'amidon.
Pour les applications alimentaires, la pullulanase peut être immobilisée sur un support. Les techniques d'immobilisation d'enzymes sont bien connues de l'homme du métier.
La pullulanase selon l'invention convient particulièrement bien pour le traitement de l'amidon et du pullulane.
L'invention concerne l'utilisation de la pullulanase pour la saccharification de l'amidon liquéfié.
La présente invention concerne également l'utilisation de la
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pullulanase lors d'un procédé de dégradation d'amidon ou d'amidon partiellement hydrolysé comprenant une étape de saccharification de l'amidon ou de l'amidon partiellement hydrolysé en présence d'une pullulanase. Généralement ce procédé est effectué en présence d'une ou de plusieurs autres enzymes telles que glucoamylase, a-amylase, 5-amylase, a-glucosidase ou d'autres enzymes saccharifiantes.
Etant donné ses propriétés biochimiques, la pullulanase de la présente invention permet d'effectuer l'étape de saccharification dans des conditions fortement acides, c'est- à-dire jusqu'à au moins un pH de 3,9. Ce pH est plus acide que celui acceptable par les pullulanases connues.
Etant donné ses propriétés biochimiques, la pullulanase de la présente invention permet d'effectuer l'étape de saccharification à des températures relativement élevées, c'est-à-dire jusqu'à au moins une température de 65 C.
L'addition de la pullulanase de la présente invention dans le milieu de saccharification permet d'augmenter la teneur en glucose dans la composition finale obtenue et donc d'augmenter le rendement de la réaction.
De plus, l'addition de la pullulanase de la présente invention dans le milieu de saccharification permet de diminuer la durée de la saccharification.
La pullulanase de la présente invention permet d'atteindre un taux de conversion élevé de l'amidon.
Par ailleurs lors de l'étape de saccharification, il est possible de remplacer une grande partie (au moins 60 %) de la glucoamylase, normalement mise en oeuvre, par la pullulanase de la présente invention, et cela sans affecter le rendement en glucose. Ce remplacement est particulièrement avantageux, en effet il permet de réduire notablement la quantité de sous produits obtenus habituellement.
La glucoamylase étant en faible proportion, elle est dans l'incapacité de catalyser la réaction de synthèse d'oligosaccharides (contenant des liaisons < x-l, 6) à partir de glucose ; dans les conditions normales, la glucoamylase catalyse cette réaction inverse de synthèse d'oligosaccharides
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lorsque des concentrations élevées de dextrose sont atteintes dans le milieu de saccharification, ce qui limite le taux de conversion de l'amidon.
De plus, la pullulanase de la présente invention permet de mettre en oeuvre un milieu de saccharification concentré, c'est- à-dire un milieu ayant une teneur élevée en amidon liquefié. Ceci est avantageux d'un point de vue économique, en effet ceci permet de diminuer les frais d'évaporation.
La présente invention concerne également des compositions enzymatiques comprenant la pullulanase selon l'invention.
Les compositions comprenant la pullulanase de la présente invention peuvent être utilisées sous forme solide ou liquide.
La pullulanase est formulée selon les utilisations prévues.
Des stabilisants ou des agents de conservation peuvent également être ajoutés aux compositions enzymatiques comprenant la pullulanase selon l'invention. Par exemple on peut stabiliser la pullulanase par l'addition de propylène glycol, d'éthylène glycol, de glycérol, d'amidon, de pullulane, d'un sucre tel que du glucose et du sorbitol, d'un sel tel que du chlorure de sodium, du chlorure de calcium, du sorbate de potassium et du benzoate de sodium ou d'un mélange de deux ou plusieurs de ces produits. De bons résultats ont été obtenus avec du propylène glycol. De bons résultats ont été obtenus avec un mélange d'amidon, de benzoate de sodium et de sorbate de potassium.
Les compositions enzymatiques, selon l'invention, peuvent également comprendre, en plus de la pullulanase, une ou plusieurs autres enzymes. De telles enzymes sont notamment des hydrolases d'hydrates de carbone, comme, par exemples, les glucoamylase, a-amylase, ss-amylase, oc-glucosidase, isoamylase, cyclomaltodextrin-glucotransférase, ss-glucanase, a-glucosidase, glucoseisomérase, des enzymes saccharifiantes, des enzymes qui coupent les liens glucosidiques ou un mélange de deux ou plusieurs de celles-ci.
La présente invention concerne de préférence une composition enzymatique comprenant une glucoamylase et une pullulanase.
La figure 1 représente la carte de restriction du plasmide
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pUBDEBRA1.
La figure 2 représente la carte de restriction du plasmide pLD1.
La figure 3 représente la carte de restriction du plasmide pUBCDEBRAllDNSI.
La figure 4 (figures 4a à 4f) représente la séquence de nucléotides (SEQ ID N0 : 10) codant pour la pullulanase mature, ainsi que sa traduction en acides aminés (SEQ ID NO : 11).
La figure 5 (figures 5a à 5g) représente la séquence nucléotidique (SEQ ID NO : 8) du fragment d'ADN, depuis le site BamHI jusqu'au site PstI du plasmide pUBCDEBRAll, ainsi que la traduction en acides aminés (SEQ ID N0 : 9) des séquences signal et mature de la pullulanase. Les nucléotides qui n'ont pas été déterminés avec certitude, ont été représentés par le symbole N.
La signification des symboles et abréviations utilisés dans ces figures est rassemblée dans le tableau suivant.
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<tb>
<tb>
Symbole <SEP> Signification
<tb> Abréviation
<tb> ORIEC <SEP> origine <SEP> de <SEP> réplication <SEP> dans <SEP> E. <SEP> coli
<tb> REP <SEP> protéine <SEP> nécessaire <SEP> pour <SEP> la <SEP> réplication
<tb> ORI+ <SEP> origine <SEP> de <SEP> réplication <SEP> du <SEP> brin <SEP> +
<tb> ORI-origine <SEP> de <SEP> réplication <SEP> du <SEP> brinKMR <SEP> gène <SEP> apportant <SEP> la <SEP> résistance <SEP> à <SEP> la <SEP> kanamycine
<tb> BLMR <SEP> gène <SEP> apportant <SEP> la <SEP> résistance <SEP> à <SEP> la <SEP> bléomycine
<tb> AMPR <SEP> gène <SEP> apportant <SEP> la <SEP> résistance <SEP> à <SEP> l'ampicilline
<tb> PP <SEP> pré-pro-séquence
<tb> BLIAPR <SEP> séquence <SEP> codant <SEP> pour <SEP> la <SEP> protéase <SEP> alcaline <SEP> de
<tb> B.
<SEP> licheniformis
<tb> 5'BLIAPR <SEP> séquence <SEP> 5'située <SEP> en <SEP> amont <SEP> de <SEP> la <SEP> séquence <SEP> codant
<tb> pour <SEP> la <SEP> protéase <SEP> alcaline <SEP> de <SEP> B. <SEP> licheniformis
<tb> 3'BLIAPR <SEP> séquence <SEP> 3'située <SEP> en <SEP> aval <SEP> de <SEP> la <SEP> séquence <SEP> codant
<tb> pour <SEP> la <SEP> protéase <SEP> alcaline <SEP> de <SEP> B. <SEP> licheniformis
<tb> BDEPUL <SEP> séquence <SEP> codant <SEP> pour <SEP> la <SEP> pullulanase <SEP> de
<tb> B. <SEP> deramificans
<tb>
<Desc/Clms Page number 17>
La présente invention est illustrée par les exemples suivants.
Exemple 1 Isolement et caractérisation de la souche de Bacillus deramificans
La souche de Bacillus deramificans T89.117D a été isolée du sol sur un milieu nutritif gélosé et sélectionnée pour sa capacité de dégrader un dérivé coloré du pullulane connu sous le nom de l'AZCL-pullulane et vendu par la Société MEGAZYME.
EMI17.1
Cette souche a été mise en culture à 37 C dans le milieu de croissance MYE dont la composition est la suivante : KHZP04 33 mM ; KHPOHO 6 mM ; (NHSO 45 mM ; MgClHO 1 mM ; CaCl2. 2H20 1 mM ; Extrait de levure 0, 5 % (poids/volume) ; Glucose 0, 5 X (poids/volume). Le pH du milieu est ajusté à pH 4, 5 avec H3PO4.
Le milieu gélosé (MYE/agar) contient 2 % (poids/volume) agar en plus.
La souche de la présente invention a été identifiée par ses caractéristiques biochimiques : bactérie Gram positif, aérobie qui se présente sous le forme de bâtonnet, elle forme une endospore. Elle appartient donc au genre Bacillus.
Les cellules végétatives de cette souche en culture sur le
EMI17.2
milieu MYE à 37 C ont une forme de bacille de taille 0, 7 x 3, 0-3, 5 um. La mobilité des cellules végétatives est faible.
Après une croissance de trois jours à 37 oC sur le milieu MYE, l'observation microscopique révèle la présence de sporanges (sub) terminales légèrement déformées et en forme d'ellipse.
Le test de la catalase est faiblement positif en présence de 10 % de peroxyde d'hydrogène. Le test de l'oxydase est positif en présence de 1 % de tétraméthyl-1, 4-phénylène-diammoniumdichlorure.
Cette souche est aérobie, c'est-à-dire qu'elle se développe en aérobiose. Elle ne se développe pas en anaérobiose, c'est-àdire sous une atmosphère de 84 % (v/v) N2, 8 % (v/v) C02, 8 X (v/v) H2 à 37 oC, par contre elle se développe en
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microanaérobiose, c'est-à-dire sous une atmosphère de 82. 5 % (v/v) N2, 6 X (v/v) 02, 7. 5 X (v/v) H2, 4 X (v/v) C02 à 37 C. L'abréviation % (v/v) représente un pourcentage exprimé en volume par volume.
Cette souche n'est pas thermophile. Elle présente un déve-
EMI18.2
loppement normal après incubation en milieu MYE à 20 C, 30 C, 37 C et 45 C, par contre elle ne se développe pas à 50 C et 55 C. Elle présente un développement normal après incubation en milieu MYE tamponné avec le tampon phosphate aux pH suivants pH 4,0, pH 4,5, pH 5,0 et pH 5,5, par contre elle ne se développe pas à pH 7,0. Elle présente un développement normal après incubation en milieu MYE en présence de NaCl aux concentrations de 2,0 X (p/v) et 3,5 % (p/v), présente un développement faible en présence de 5,0 X (p/v) de NaCl et ne se développe pas en présence de 7,0 X (p/v) de NaCl. L'abréviation % (p/v) représente un pourcentage exprimé en poids par volume.
Cette souche n'hydrolyse pas la caséine : en effet aucune zone de lyse n'a pu être observée après plus de 2 semaines d'incubation à 37 C. Elle décompose la tyrosine faiblement, ne produit pas d'acétoine à partir de pyruvate et ne réduit pas le nitrate en nitrite ou en N2'
La souche de Bacillus deramificans T89.117D selon l'invention est taxonomiquement différente de la souche de Bacillus acidopullulyticus décrite dans le brevet européen 0 063 909 et de la souche de Bacillus naganoensis décrite dans le brevet U. S. 5,055, 403. La souche de Bacillus deramificans T89.117D présente une croissance à un pH compris entre 4,7 et 5,5, ne présente pas de croissance à un pH de 7,0, se développe en présence de 3,5 % (p/v) de NaCl, décompose la tyrosine et ne réduit pas le nitrate en nitrite.
La souche de Bacillus deramificans T89.117D a été déposée à la collection nommée BELGIAN COORDINATED COLLECTIONS 0F MICRORGANISMS (LMG culture collection) sous le numéro LMG P-13056.
Exemple 2 Préparation de la pullulanase
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La souche de Bacillus deramificans T89.117D est mise en culture dans un milieu (MYA) liquide dont la composition est identique à celle du milieu MYE à l'exception de la teneur en extrait de levure et du glucose remplacé par de l'amidon, c'est-à-dire : Extrait de levure 2,5 % (p/v) Amidon de pomme de terre 2,5 X (p/v).
La culture est réalisée sous agitation, avec une aération efficace, à une température de 37 C.
Après 68 heures de culture, on sépare la pullulanase et la biomasse cellulaire par centrifugation (5000 tours par minutes pendant 30 minutes, BECKMAN JA-10). La pullulanase produite par la souche de Bacillus deramificans T89.117D est extracellulaire.
Puis on concentre la pullulanase par ultrafiltration (Membrane AMICON S10 Y10), en vue d'obtenir une solution aqueuse concentrée de pullulanase.
On mesure l'activité enzymatique de la solution obtenue.
Une unité enzymatique de la pullulanase (PUN) est définie comme la quantité d'enzyme qui, à un pH de 4,5, à une température de 60 OC et en présence de pullulane, catalyse la libération de sucres réducteurs à raison de 1 uM d'équivalent glucose par minute.
La mesure de l'activité enzymatique pullulanase est réalisée selon le protocole suivant. 1 ml d'une solution de pullulane à 1 X dans un tampon acétate 50 mM à pH 4,5 est incubée à 60 OC pendant 10 minutes. 0,1 ml d'une solution de pullulanase correspondant à une activité comprise entre 0,2 et 1 PUN/ml y est ajoutée. La réaction est stoppée après 15 minutes par addition de 0,4 ml de Na0H 0,5 M. Le dosage des sucres réducteurs libérés se fait par la méthode de SOMOGYI-NELSON [J. Biol. Chem., 153 (1944) p. 375-380 ; J. Biol. Chem., 160 (1945), p. 61-68], et comme dans les autres exemples de cette demande.
Une deuxième méthode est utilisée pour effectuer les dosages de la pullulanase. La réaction enzymatique en présence de pullulane est effectuée selon les conditions de l'essai, puis est arrêtée par l'addition d'acide sulfurique (0,1 N). Les produits
<Desc/Clms Page number 20>
d'hydrolyse du pullulane sont ensuite soumis à une chromatographie HPLC (colonne HPX-87H de BIO-RAD ; la phase mobile est constituée de H2S04 10 mM) afin de séparer les différents constituants. La quantité de maltotriose formé est estimée par mesure de la surface du pic obtenu.
L'activité dite débranchante, c'est-à-dire l'hydrolyse des liaisons glucosidiques a-1, 6 présentes dans l'amylopectine, peut être quantifiée par l'augmentation de la coloration bleue provoquée, en présence d'iode, par la libération d'amylose à partir d'amylopectine.
La mesure de l'activité enzymatique débranchante est réalisée selon le protocole suivant. 0,4 ml d'une solution
EMI20.1
d'amylopectine à 1 % contenant un tampon acétate 50 mM à pH 4, 5 est incubée à 60 C pendant 10 minutes. La réaction est démarrée par l'addition de 0,2 ml de pullulanase et elle est arrêtée après 30 minutes par addition de 0,4 ml d'HCl 0,3 M. 0,8 ml d'une solution d'iode à 0,0025 % (v/v) est ensuite ajoutée à 0,2 ml de ce mélange réactionnel et la densité optique est mesurée à 565 nm.
En vue de purifier la pullulanase, on diafiltre la solution aqueuse concentrée de pullulanase par 6 fois 500 ml d'une solution aqueuse de NaCl à 9 g/l et on ajuste le pH de la solution aqueuse, ainsi obtenue, à pH 3,5 par addition d'HCl 25 % (v/v) à température ambiante. La diafiltration consiste à mélanger la solution de pullulanase avec la solution de NaCl, puis à ultrafiltrer la solution obtenue.
Le précipité obtenu est éliminé par centrifugation (5000 tours par minutes pendant 30 minutes, BECKMAN JA-10), on récupère le surnageant de centrifugation. Le pH de ce surnageant est ajusté à pH 6,0 par addition de Na0H 5 M. Le précipité obtenu est éliminé par centrifugation.
On récupère le surnageant de centrifugation, que l'on chauffe jusqu'à 55 C pendant 15 minutes.
Le précipité formé est à nouveau éliminé par centrifugation (5000 tours par minutes pendant 30 minutes, BECKMAN JA-10). On récupère le surnageant de centrifugation.
<Desc/Clms Page number 21>
EMI21.1
On ajoute à ce surnageant de l'acétone à une concentration finale de 60 X (v/v), la suspension formée est mise à 4 C durant 2 heures. Le précipité formé à 4 C est mis en solution dans un tampon MES (acide 2 (N-morpholino) éthanesulfonique) 20 mM, CaCl2 1 mM (pH 6,0). Cette solution de pullulanase est nommée solution A.
On concentre de nouveau cette solution A par chromatographie d'échange ionique en vue de la purifier. Une colonne d'environ
EMI21.2
20 ml de volume interne, vendue sous la marque
EMI21.3
S-SEPHAR0SEHP HI LOAD 16/10, est préalablement équilibrée par
EMI21.4
un tampon CH3COONa 50 mM, NaCl 100 mM (pH 4, 0) à un débit de 5 ml/minute. La solution A est diluée 10 fois dans le tampon acétate et 15 ml de cette solution diluée sont déposés sur la colonne. Une phase isocratique est assurée par élution de 80 ml du tampon acétate (100 mM NaCl), suivie d'une élution par 200 ml du tampon acétate 50 mM (pH = 4, 0) contenant un gradient linéaire en NaCl (100-500 mM).
L'activité pullulanase est mesurée dans chaque fraction.
Les fractions les plus actives sont rassemblées en une solution nommée B (12 ml contenant 0,025 mg/ml de protéines et ayant une activité pululanase de 0,7 PUN/ml).
A partir de cette solution B on effectue une précipitation par de l'acétone à une concentration finale de 80 % (v/v). Le précipité obtenu est mis en solution dans une volume de 0,6 ml du tampcn MES 20 mM, CaCl2 1 mM (pH 6, 0).
Cette solution de pullulanase est nommée solution C.
La solution C a une teneur en protéines de 0,4 mg/ml, une activité enzymatique de 12 PUN/ml et une activité spécifique de 30 PUN/mg.
Les résultats sont rassemblés dans le tableau 1.
<Desc/Clms Page number 22>
TABLEAU 1
EMI22.1
<tb>
<tb> Fractions <SEP> Volume <SEP> Protéines <SEP> Activité <SEP> pullulanase <SEP> Activité
<tb> spécifique
<tb> ml <SEP> mg/ml <SEP> Total <SEP> % <SEP> PUN/ml <SEP> Total <SEP> % <SEP> PUN/mg
<tb> Solution <SEP> A <SEP> 1,5 <SEP> 6,48 <SEP> 9,7 <SEP> 100 <SEP> 17,5 <SEP> 26,3 <SEP> 100 <SEP> 2,7
<tb> Solution <SEP> B <SEP> 12 <SEP> 0,025 <SEP> 0,3 <SEP> 3 <SEP> 0,7 <SEP> 8,4 <SEP> 32 <SEP> 28
<tb>
Le tableau 1 montre que cette étape de la purification a augmenté d'un facteur 10 l'activité spécifique pullulanase de la solution enzymatique.
L'activité débranchante, c'est-à-dire l'activité d'hydrolyse des liens alpha-1,6 dans l'amylopectine, de la pullulanase a également été mesurée comme décrit ci-dessus, par coloration à l'iode après hydrolyse de l'amylopectine. Les résultats montrent que l'activité débranchante a également été enrichie.
Exemple 3 Détermination du poids moléculaire
On effectue sur la solution C, telle qu'obtenue à l'exemple 2, une précipitation au moyen d'acide trichloroacétique (10 % (v/v) final). Le précipité obtenu est repris dans un tampon composé de 10 mM TRIS/HCl (pH=8, 0), lmM EDTA, 2,5 % (w/v) SDS (sodium dodécyl sulfate), 5 X (v/v) P-mercaptoéthanol et 0,01 % (p/v) de bleu de bromophenol.
4 pl du précipité repris dans le tampon sont déposés sur sur un gel de polyacrylamide. Le système de gel utilisé est le système PHASTS7STEM de PHARMACIA LKB BIOTECHNOLOGY, avec des gels contenant un gradient de polyacrylamide de 10-15 % (v/v) en présence de SDS. Les conditions d'électrophorèse sont celles prescrites par le fournisseur. Une coloration du gel au bleu de Coomassie fait apparaître un polypeptide d'un poids moléculaire d'environ 105 KDaltons, qui est le composant majeur de la solution C.
Ceci est confirmé par l'estimation faite à partir de la
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séquence en acides aminés de la forme mature de la pullulanase (sans la séquence signal), comme décrit à l'exemple 4, on déduit par calcul un poids moléculaire de 102 KDaltons.
Exemple 4 1. Détermination de la séquence N-terminale
A partir du gel décrit à l'exemple 3, on identifie la séquence N-terminale de la pullulanase en suivant la technique décrite par Bauw et al., (1987), Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 84, p. 4806-4810.
Cette séquence (SEQ ID NO : 1), ainsi determinée, est la suivante dans le sens amino-carboxy et de gauche à droite : Asp Gly Asn Thr Thr Thr Ile Ile Val His Tyr Phe Cys Pro Ala Gly Asp Tyr Gln Pro 2. Détermination de la séquence en acides aminés de la pullulanase
La séquence nucléotidique (SEQ ID N0 : 8) du fragment BamHI-PstI d'environ 4, 5 Kb du plasmide pUBCDEBRA11, contenant le gène codant pour la pullulanase, tel qu'obtenu à l'exemple 21, a été déterminée par la méthode de terminaison de chaînes utilisant des dideoxy-nucléotides, de SANGER et al. (1977) Proc. Natl.
Acad. Sci. USA 74, p. 5463-5467.
Les oligonucléotides synthétiques utilisés pour initier les réactions d'élongation par la T7 DNA polymérase ont été synthétisés par la méthode de BEAUCAGE et al. (1981) Tetrahedron letters 22 : 1859-1882. Le séquençage a été effectué suivant le protocole donné par le fournisseur du kit de séquençage (PHARMACIA), en procédant à une dénaturation de l'ADN double brin par traitement avec du Na0H.
La stratégie de séquençage est décrite par SAMBROOK, 1989, p 13.15 et 13.17. Les gels de polyacrylamide pour le séquençage ont été effectués suivant la technique décrite par SAMBROOK,
1989, p 13. 45-13. 58.
La séquence nucléotidique (SEQ ID NO : 8) du fragment d'ADN, depuis le site BamHI jusqu'au site PstI de pUBCDEBRA11, ainsi que la traduction en acides aminés (SEQ ID NO : 9) des séquences signal
<Desc/Clms Page number 24>
et mature de la pullulanase, a été identifiée (figure 5). Les nucléotides qui n'ont pas été déterminés avec certitude, ont été représentés par le symbole N.
L'analyse de cette séquence montre la présence d'une phase ouverte de lecture qui code pour la pullulanase. On identifie la séquence en nucléotides codant pour la pullulanase mature (SEQ ID NO : 10). On déduit ainsi la séquence en acides aminés de la pullulanase mature (SEQ ID NO : 11), par traduction de cette phase ouverte de lecture. La figure 4 représente la séquence de nucléotides codant pour la pullulanase mature ainsi que sa traduction en acides aminés.
On vérifie que la séquence N-terminale, déterminée expérimentalement à partir de la protéine tel que décrit ci-dessus, correspond à celle traduite à partir de la séquence d'ADN.
Ceci montre que la pullulanase est synthétisée sous forme d'un précurseur contenant une séquence additionnelle de 29 acides aminés (préséquence). Cette séquence de 29 acides aminés est identifiée (SEQ ID NO : 12), ainsi que la séquence de nucléotides (SEQ ID NO : 13) correspondante. Cette séquence additionnelle montre les caractéristiques typiques d'une séquence signal de sécrétion qui est éliminée lors de l'exportation de l'enzyme vers l'extérieur de la cellule (Freudl, (1992), Journal of Biotechnology, 23, p. 231-240).
Cette séquence de 29 acides aminés est la suivante :
ATG GCT AAA AAA CTA ATT TAT GTG TGT
Met Ala Lys Lys Leu Ile Tyr Val Cys - 25 TTA AGT GTT TGT TTA GTG TTG ACC TGG GCT TTT AAT GTA Leu Ser Val Cys Leu Val Leu Thr Trp Ala Phe Asn Val - 20-15-10 AAA GGG CAA TCT GCT CAT GCT Lys Gly Gln Ser Ala His Ala - 5-1
<Desc/Clms Page number 25>
Exemple 5 Distribution en acides aminés
La distribution en acides aminés de la pullulanase mature, déterminée à partir de la séquence en acides aminés de la pullulanase (exemple 4), est résumée dans le tableau 2.
TABLEAU 2
EMI25.1
<tb>
<tb> x
<tb> Symbole <SEP> Acides <SEP> aminés <SEP> Nombre <SEP> (en <SEP> poids
<tb> moléculaire)
<tb> D <SEP> acide <SEP> aspartique <SEP> 75 <SEP> 8,5
<tb> N <SEP> asparagine <SEP> 69 <SEP> 7,7
<tb> V <SEP> valine <SEP> 72 <SEP> 7,0
<tb> T <SEP> thréonine <SEP> 70 <SEP> 6,9
<tb> Y <SEP> tyrosine <SEP> 42 <SEP> 6,7
<tb> L <SEP> leucine <SEP> 60 <SEP> 6,7
<tb> K <SEP> lysine <SEP> 48 <SEP> 6,0
<tb> S <SEP> serine <SEP> 64 <SEP> 5,5
<tb> l <SEP> isoleucine <SEP> 47 <SEP> 5,2
<tb> E <SEP> acide <SEP> glutamique <SEP> 40 <SEP> 5,1
<tb> Q <SEP> glutamine <SEP> 39 <SEP> 4,9
<tb> A <SEP> alanine <SEP> 69 <SEP> 4,8
<tb> p <SEP> proline <SEP> 46 <SEP> 4,4
<tb> G <SEP> glycine <SEP> 75 <SEP> 4,2
<tb> F <SEP> phénylalanine <SEP> 27 <SEP> 3,9
<tb> W <SEP> tryptophane <SEP> 18 <SEP> 3,3
<tb> M <SEP> méthionine <SEP> 23 <SEP> 3,
0
<tb> H <SEP> histidine <SEP> 22 <SEP> 3, <SEP> 0
<tb> R <SEP> arginine <SEP> 18 <SEP> 2, <SEP> 8
<tb> X <SEP> inconnu <SEP> 3 <SEP> 0,3
<tb> C <SEP> cystéine <SEP> 1 <SEP> 0,1
<tb>
Exemple 6 Détermination du point isoélectrique
On effectue sur la solution C, telle qu'obtenue à l'exemple
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2, une électrophorèse IEF (iso electro focusing) dans un gradient de pH variant de 4,0 à 6,5.
On dépose un volume correspondant à 0,12 unités de pullulanase en triple sur gel. Après migration, un tiers du gel est coloré au bleu de Coomassie.
Les deux autres parties du gel sont recouvertes par des gels d'agar (1 % poids/volume) tamponnés par CH3COONa 100 mM, CaCl2 1 mM, MgCl2 1 mM (pH 4,5) contenant respectivement 0,1 % (p/v) d'AZCL-pullulane ou 1 % (p/v) d'amylopectine.
L'ensemble (gel d'acrylamide-gel d'agar) ainsi obtenu est ensuite incubé à 60 C en atmosphère saturée en humidité relative durant 16 heures. Le gel recouvert de la surcouche d'amylopectine est ensuite incubé à température ambiante dans une solution contenant de 3 mM 12'50 mM KI afin de révéler l'activité débranchante par apparition de la coloration bleue.
La révélation à l'iode du gel amylopectine révèle un halo bleu foncé, signe d'une activité débranchante, à un point iso- électrique compris entre environ 4,1 et environ 4,5 pour l'enzyme de la présente invention. La révélation de l'activité pullulanase indique le même résultat.
Ceci démontre que la pullulanase de la présente invention présente une activité pullulanase et une activité débranchante.
Ceci démontre que la pullulanase de la présente invention est capable d'hydrolyser les liens de type a-1, 6, aussi bien dans le pullulane que dans l'amylopectine. Ceci démontre une spécificité faible de la pullulanase de la présente invention vis-àvis de son substrat.
Ceci est confirmé par l'estimation faite à partir de la séquence en acides aminés de la forme mature de la pullulanase (sans la séquence signal), comme décrit à l'exemple 4, on déduit par calcul un point isoélectrique de 4,5.
Exemple 7 Profil d'activité en fonction du pH et de la température pour la pullulanase produite par la souche naturelle (Bacillus deramificans)
On mesure l'activité enzymatique de la pullulanase à
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différentes températures (55,60 et 65 C) et à différents pH (de 3,25 à 7) en tampon citrate-phosphate 50 mM par la mesure des sucres réducteurs libérés. On met en oeuvre la solution C de pullulanase, telle qu'obtenue à l'exemple 2, diluée à environ 1 PUN/ml.
Les résultats sont rassemblés dans le tableau 3.
Au cours de cet essai l'activité enzymatique maximale a été mesurée, par la mesure des sucres réducteurs libérés, pour l'échantillon placé à un pH d'environ 4,3 et à une température d'environ 60 C durant 15 minutes. Par définition on a donc attribué à cet échantillon une activité enzymatique relative de 100 %.
Cet exemple montre que la pullulanase selon l'invention présente une activité enzymatique optimale mesurée à une température d'environ 60 C dans une gamme de pH comprise entre 4,0 et 4,8.
Cet exemple montre également que la pullulanase selon l'invention présente une activité enzymatique optimale, mesurée à un pH d'environ 4,3, dans une gamme de température comprise entre 55 et 65 C.
De plus, cet exemple montre que la pullulanase selon l'invention développe une activité enzymatique de plus de 80 % de l'activité enzymatique maximale dans une gamme de pH compris entre environ 3,8 et environ 4,9.
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TABLEAU 3
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<tb>
<tb> Activité <SEP> relative <SEP> de <SEP> l'enzyme <SEP> %
<tb> pH <SEP> Température <SEP> OC
<tb> 55 <SEP> 60 <SEP> 65
<tb> 3,25 <SEP> 5,7 <SEP> 2,2 <SEP> 4,3
<tb> 3,75 <SEP> 80,8 <SEP> 83,7 <SEP> 11,5
<tb> 4,30 <SEP> 87,9 <SEP> 100 <SEP> 84,1
<tb> 4,90 <SEP> 82,4 <SEP> 87,1 <SEP> 68
<tb> 5,50 <SEP> 50,6 <SEP> 39,6 <SEP> 13,5
<tb> 6, <SEP> 00 <SEP> 7,5 <SEP> 2,9 <SEP> 0
<tb> 6,40 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0
<tb>
Exemple 8 Stabilité vis-à-vis du pH de la pullulanase produite par la souche naturelle (Bacillus deramificans)
On dilue la solution A de la pullulanase, telle qu'obtenue à l'exemple 2,
de telle sorte qu'elle développe une activité enzymatique d'environ 0,7 PUN/ml, dans différents tampons citratephosphate 100 mM à des pH variants entre pH 3,0 et 7,0. On incube les différentes solutions diluées contenant la pullulanase pendant 60 minutes à 60 C.
Ensuite on mesure l'activité enzymatique de ces différentes solutions après incubation pendant 60 minutes à pH 4,2 à 60 OC en présence de 1,6 % (poids/volume) de pullulane. La quantité de maltotriose formée est mesurée par chromatographie HPLC (comme décrit à l'exemple 2). Les résultats sont rassemblés dans le tableau 4.
Au cours de cet essai l'activité enzymatique maximale a été mesurée, pour l'échantillon placé à un pH d'environ 4,5 et à une température d'environ 60 C. Par définition on a donc attribué à cet échantillon une activité enzymatique relative de 100 %.
Cet exemple montre que la pullulanase selon l'invention est
<Desc/Clms Page number 29>
EMI29.1
stable dans une large gamme de pH acide, en effet elle présente une activité enzymatique relative d'au moins 85 % mesurée après une incubation de 60 minutes à une température d'environ 60 C en l'absence de substrat et dans une gamme de pH compris entre environ 3,5 et environ 5,8. Cet exemple montre également qu'elle présente une activité enzymatique relative supérieure à 90 % mesurée dans une gamme de pH compris entre environ 3,8 et environ 5 sous ces mêmes conditions et qu'elle n'est inactivée qu'à un pH inférieur ou égale à 3 ou supérieur ou égale à 7.
TABLEAU 4
EMI29.2
<tb>
<tb> pH <SEP> Activité <SEP> relative <SEP> X
<tb> 3 <SEP> 0
<tb> 3,5 <SEP> 90
<tb> 4 <SEP> 98
<tb> 4,5 <SEP> 100
<tb> 5 <SEP> 96
<tb> 5,5 <SEP> 92
<tb> 6 <SEP> 89
<tb> 6,5 <SEP> 75
<tb> 7 <SEP> 0
<tb>
Exemple 9 Détermination de la demi-vie de la pullulanase produite par la souche naturelle (Bacillus deramificans) 0n dilue la solution C de la pullulanase, telle qu'obtenue à l'exemple 2, de telle sorte qu'elle développe une activité enzymatique d'environ 0,7 PUN/ml dans un tampon acétate de sodium 100 mM à un pH de 4,5. On incube la solution diluée contenant la pullulanase à 60 C et des échantillons sont prélevés à des temps différents.
Une mesure de l'activité enzymatique par la méthode des sucres réducteurs (méthode de SOMOGYI décrite ci-dessus) est ensuite réalisée.
Au cours de cet essai l'activité enzymatique maximale a été
<Desc/Clms Page number 30>
mesurée pour l'échantillon au temps 0. Par définition on a donc attribué à cet échantillon une activité enzymatique relative de 100 %.
Les résultats sont rassemblés dans le tableau 5.
TABLEAU 5
EMI30.1
<tb>
<tb> Temps <SEP> Activité <SEP> relative
<tb> heures <SEP> %
<tb> 0 <SEP> 100
<tb> 16 <SEP> 76
<tb> 24 <SEP> 74
<tb> 40 <SEP> 57
<tb> 48 <SEP> 54
<tb> 64 <SEP> 47
<tb>
Cet exemple montre que la pullulanase est thermostable à pH acide.
Cet exemple montre que la demi-vie de la pullulanase est d'environ 55 heures dans ces conditions. En effet la pullulanase présente une activité enzymatique relative d'au moins 50 % mesurée après une incubation de 55 heures à une température d'environ 60 C dans une solution tamponnée à un pH d'environ 4,5 et en l'absence de substrat.
Cet exemple montre de plus que la pullulanase selon l'invention présente une activité enzymatique relative d'au moins 55 % mesurée après une incubation de 40 heures à une température d'environ 60 C dans une solution tamponnée à un pH d'environ 4,5 et en l'absence de substrat. Cet exemple montre également
EMI30.2
qu'elle présente une activité enzymatique relative d'au moins 70 % mesurée après une incubation de 24 heures sous ces mêmes conditions.
Exemple 10 et exemple llR (de comparaison) Saccharification
On prépare un milieu de saccharification en mettant en suspension de l'amidon de maïs à une concentration de 35 %
<Desc/Clms Page number 31>
(poids/poids) en poids de matières sèches d'amidon et du chlorure de calcium à une concentration de 0,02 X (poids/volume).
EMI31.1
On liquéfie cette suspension d'amidon de maïs en présence
EMI31.2
d'a-amylase, vendue sous la marque TAKATHERM (jL-340 par
EMI31.3
SOLVAY ENZYMES, à 105 C pendant 5 minutes à pH 6, 0.
On refroidit rapidement l'amidon liquéfié, ainsi obtenu, à une température de 95 C et on continue l'hydrolyse pendant 120 minutes à 95 C sous agitation. A ce stade le degré d'hydrolyse est compris entre 10 et 12 DE (DE représente l'unité de"Dextrose Equivalents", c'est-à-dire le nombre d'extrémités réductrices exprimées en équivalent glucose).
L'amidon liquéfié ainsi obtenu est dilué à une concentration finale de 32 g de poids sec par 100 g de milieu de saccharification.
On refroidit le milieu de saccharification obtenu à une température de 60 C.
On ajuste le pH de ce milieu de saccharification à différentes valeurs avec de l'acide acétique, depuis 3,9 jusqu'à 4,8 et on le maintient constant au cours de la saccharification.
On ajoute au milieu de saccharification une quantité de glucoamylase correspondante à 0,176 DU/g. ds. (unité enzymatique glucoamylase par g de matières sèches de milieu de saccharification), la glucoamylase utilisée est vendue sous la marque DIAZYME L-200 par SOLVAY ENZYMES.
Pour l'exemple 10 selon l'invention, on ajoute également au milieu de saccharification une quantité de pullulanase, correspondante à 0,075 PUN/g. ds., sous forme de solution aqueuse concentrée de pullulanase (solution A), telle que décrite à l'exemple 2.
L'exemple 11R de comparaison est réalisé, comme décrit cidessus pour l'exemple 10, mais sans addition de pullulanase.
Après 48 heures, on arrête la saccharification et on analyse les produits obtenus par chromatographie (comme décrit à l'exemple 2).
Les résultats sont rassemblés dans le tableau 6.
Cet exemple montre que la pullulanase de l'invention est
<Desc/Clms Page number 32>
efficace en saccharification. La pullulanase de l'invention possède donc toutes les propriétés adéquates compatibles avec les conditions industrielles réelles de saccharification de l'amidon.
Cet exemple montre que le taux de conversion de l'amidon est supérieur en présence de la pullulanase selon l'invention, à différents pH, et ceci jusqu'à un pH très acide, c'est-à-dire au moins 3,9.
TABLEAU 6
EMI32.1
<tb>
<tb> pH <SEP> Exemples <SEP> Produits <SEP> obtenus <SEP> en <SEP> %
<tb> Glucose <SEP> DP2 <SEP> DP3 <SEP> > <SEP> DP3
<tb> 3,9 <SEP> llR <SEP> 94,18 <SEP> 2,92 <SEP> 0,54 <SEP> 2,37
<tb> 10 <SEP> 95, <SEP> 63 <SEP> 2,90 <SEP> 0,73 <SEP> 0,73
<tb> 4,2 <SEP> llR <SEP> 94, <SEP> 18 <SEP> 2,98 <SEP> 0,56 <SEP> 2,29
<tb> 10 <SEP> 94,79 <SEP> 4,30 <SEP> 0,56 <SEP> 0,38
<tb> 4,5 <SEP> llR <SEP> 93,72 <SEP> 2,88 <SEP> 0,57 <SEP> 2,83
<tb> 10 <SEP> 95,49 <SEP> 3,00 <SEP> 0,75 <SEP> 0,76
<tb> 4,8 <SEP> llR <SEP> 93, <SEP> 32 <SEP> 2,79 <SEP> 0,60 <SEP> 3,30
<tb> 10 <SEP> 95,25 <SEP> 2,70 <SEP> 0,87 <SEP> 1,18
<tb>
DP2 représente les oligosaccharides contenant deux unités de glucose (dimère de glucose), DP3 les oligosaccharides contenant trois unités de glucose (trimère de glucose), > DP3 les oligosaccharides contenant plus de 3 unités de glucose.
Exemple 12 et exemple 13R (de comparaison) Saccharification
On répète l'exemple 10, mais en fixant le pH de milieu de saccharification à un pH de 4,2.
On ajoute au milieu de saccharification une quantité de glucoamylase correspondante à 0,17 DU/g. ds. (unité enzymatique par g de matières sèches de milieu de saccharification), la
<Desc/Clms Page number 33>
glucoamylase utilisée est vendue sous la marque DIAZYME L-200 par SOLVAY ENZYMES.
Pour l'exemple 12 selon l'invention, on ajoute également au milieu de saccharification diverses quantités de pullulanase, correspondantes respectivement à 0,0325 PUN/g. ds., 0,050 PUN/g. ds., 0,075 PUN/g. ds. et 0,10 PUN/g. ds. (unité enzymatique pullulanase par gramme de matières sèches de milieu de saccharification), sous forme de solution aqueuse concentrée de pullulanase (solution A), telle que décrite à l'exemple 2.
L'exemple 13R de comparaison est réalisé, comme décrit ci-dessus pour l'exemple 12, mais sans addition de pullulanase.
Les résultats sont rassemblés dans le tableau 7.
Cet exemple montre que la quantité de pullulanase qu'il faut mettre en oeuvre pour observer une augmentation du pourcentage de glucose produit est inférieure à 0,0325 PUN/g. ds.
TABLEAU 7
EMI33.1
<tb>
<tb> Exemples <SEP> Pullulanase <SEP> Produits <SEP> obtenus <SEP> en <SEP> %
<tb> PUN/g. <SEP> ds.
<tb>
Glucose <SEP> DP2 <SEP> DP3 <SEP> > DP3
<tb> 13R <SEP> 0 <SEP> 94,78 <SEP> 3,55 <SEP> 0,73 <SEP> 0,94
<tb> 12 <SEP> 0,0325 <SEP> 95,16 <SEP> 3,45 <SEP> 0,78 <SEP> 0,61
<tb> 0,050 <SEP> 95,30 <SEP> 3,39 <SEP> 0,74 <SEP> 0,56
<tb> 0,075 <SEP> 95,25 <SEP> 3,47 <SEP> 0,74 <SEP> 0,55
<tb> 0,10 <SEP> 95,27 <SEP> 3,49 <SEP> 0,70 <SEP> 0,53
<tb>
Exemple 14 Construction du plasmide pUBDEBRA1
EMI33.2
Le plasmide pUBDEBRA1 (figure 1) contient le gène qui code pour la pullulanase de la souche de Bacillus deramificans T 89.117D sous le contrôle de son propre promoteur de transcription, introduit dans le vecteur pUB131. La construction du plasmide pUBDEBRA1 est décrite ci-après.
L'ADN chromosomique est extrait et purifié à partir d'une
<Desc/Clms Page number 34>
culture de la souche de Bacillus deramificans T 89.117D (identifié sous le numéro LMG P-13056).
Pour ce faire, une culture de 200 ml de ce bacille est réalisée en milieu liquide MYE (exemple 1).
Lorsque cette culture est réalisée et qu'elle est en phase stationnaire, elle est centrifugée (rotor BECKMAN JA-10) à 5000 tours par minute pendant 10 minutes. Le culot de centrifugation ainsi obtenu est repris dans 9 ml de tampon TRIS-CL (tris (hydroxyméthyl) aminométhane acidifié avec HCl) 0,1 M, à un pH de 8, EDTA (acide éthylènediaminetétraacétique)
EMI34.1
0, 1 M, NaCl 0, 15 M contenant 18 mg de lysozyme, la suspension ainsi obtenue est incubée 15 minutes à 37 C.
Le lysat ainsi obtenu est ensuite traité par 200 ul d'une solution de RNAse à 10 mg/ml pendant 20 minutes à 50 C. 1 ml d'une solution de SDS (sodium dodécyl sulfate) à 10 % est alors ajoutée à ce lysat. Ensuite on incube ce lysat durant 30 minutes à 70 C.
Puis le lysat est refroidi aux environ de 45 C, on y ajoute ensuite 0,5 ml d'une solution de protéinase K à 20 mg/ml (préparée extemporanément).
Le lysat est incubé à 45 OC sous agitation manuelle jusqu'à l'obtention d'une solution transparente.
On effectue à partir de cette solution transparente plusieurs extractions au phénol sous les conditions et en suivant les procédures décrites dans Molecular Cloning-a laboratory manual-SAMBROOK, FRITSCH, MANIATIS-second édition, 1989, à la page E. 3, jusqu'à l'obtention d'une interface propre, comme cela y est décrit.
L'ADN est précipité par 20 ml d'éthanol. Le précipité est récupéré par centrifugation à 5000 tours par minute pendant 5 minutes, puis mis en suspension dans 2 ml de tampon TE à pH 8,0 (10 mM TRIS-HCl, lmM EDTA à pH 8,0).
L'ADN ainsi obtenu est ensuite clivé partiellement par l'enzyme de restriction Sau3AI. Les conditions de restriction dans cet exemple, et dans tous les autres exemples de cette demande, sont celles décrites par SAMBROOK et al
<Desc/Clms Page number 35>
(page 5.28-5. 32), à part que ces conditions de restriction sont augmentées d'un facteur 10, afin d'obtenir une quantité d'ADN suffisante pour les étapes de purification suivantes.
Le rapport entre la quantité d'ADN mise en oeuvre et la quantité d'enzyme est ajusté afin d'obtenir un maximum de fragments de taille comprise entre 5 et 10 kpb (kpb : 103 paires de bases).
L'ensemble des fragments ainsi obtenus est ensuite soumis à une électrophorèse en gel d'agarose (0,8 %) comme décrit par SAMBROOK et al (page 6.01-6. 19) et les fragments de taille comprise entre 5 et 10 kpb sont isolés et purifiés par la méthode GENE CLEAN. Ils sont ensuite ligaturés avec le plasmide pBR322 qui est vendu par la société BIOLABS, [CLONTECH LABORATORIES (U. S. A. ) catalogue n 6210-1] coupé au site BamHl et déphospho- rylé comme décrit par SAMBROOK et al (page 1.60-1. 61). Cette même technique est utilisée dans les autres exemples.
La ligation ainsi obtenue est transformée dans des cellules de E. coli MC1061 [CLONTECH LABORATORIES, catalogue n C-1070-1] par électroporation (SAMBROOK et al, page 1.75-1. 81) ; les souches transformées sont sélectionnées sur boîte de Pétri contenant le milieu LB (Luria-Bertani) gélosé et 100 pg/ml d'ampicilline, après croissance à 37 C pendant environ 18 heures. Le milieu LB est décrit par SAMBROOK et al (page A. 4). Ce milieu contient 10 g/l de tryptone, 5 g/l d'extrait de levure et 10 g/l de chlorure de sodium.
Les colonies obtenues sur ces boîtes sont ensuite répliquées sur deux boîtes du même milieu.
Une des deux boîtes est recouverte d'un milieu gélosé contenant 1 X (p/v) d'agar, 100 mM d'acétate de sodium (pH 4,5) et 0,1 x (p/v) d'AZCL-pullulane. Après incubation à 60 C durant 18 heures, la colonie montrant une zone d'hydrolyse de l'AZCLpullulane la plus importante est repérée, et la colonie correspondante est isolée sur l'autre boîte répliquée.
0n obtient ainsi une souche dont on extrait le plasmide qui est dénommé pBRDEBRA3. Le fragment EcoRI-BamHI d'environ 4,6 Kpb du plasmide pBRDEBRA3 est obtenu par une double digestion du
<Desc/Clms Page number 36>
plasmide pBRDEBRA3 avec BamHI et EcoRI, puis une purification par électrophorèse en gel d'agarose (0,8 % p/v). Ce fragment est ensuite ligaturé avec le vecteur pUB131, (décrit dans la demande de brevet européen 0 415 296), qui a préalablement fait l'objet d'une double digestion avec BamHI et EcoRI, aux sites BamHI et EcoRI, en utilisant la souche de Bacillus subtilis PSL1 comme hôte.
La souche de Bacillus subtilis PSL1 peut être obtenue à la collection B. G. S. C. sous le numéro 1A510 (BACILLUS GENETIC STOCK CENTER, Ohio State University, Etats-Unis).
Le plasmide pUBDEBRA1, ainsi obtenu, est isolé et purifié à partir des cellules transformées PSL1 par la technique de la lyse alcaline (SAMBROOK et al, page 1.25-1. 28). Cette même technique est utilisée dans les autres exemples.
Toutes les souches de Bacillus subtilis transformées sont capables d'exprimer le gène de la pullulanase et de sécréter la pullulanase.
Les souches PSL1 transformées contenant le plasmide pUBDEBRAl sont repiquées sur une boîte de Pétri contenant le milieu LB avec 25 pg/ml de kanamycine.
Les colonies obtenues sont recouvertes d'une surcouche d'agarose (1 % poids/volume) contenant de l'AZCL-pullulane (0,1 X poids/volume) et de l'acétate de sodium (100 mM, pH 4,5).
Après une incubation à 60 C durant 18 heures, on observe que toutes les colonies des souches transformées sont entourées d'un halo d'hydrolyse de l'AZCL-pullulane.
Exemple 15 Préparation de la souche de Bacillus licheniformis SE2 delapl.
Identification des parties terminales du gène de la protéase alcaline de la souche hôte de Bacillus licheniformis SE2.
Cet exemple concerne l'identification des parties terminales du gène de la protéase alcaline de la souche hôte de Bacillus licheniformis, afin de préparer le plasmide de délétion pour déléter ledit gène du Bacillus licheniformis SE2.
1. Extraction de l'ADN chromosomique à partir de
B. lichenformis SE2.
<Desc/Clms Page number 37>
En vue d'isoler le gène de la protéase alcaline de l'ADN chromosomique du Bacillus licheniformis SE2, on extrait d'abord l'ADN chromosomique, en suivant la méthode décrite à l'exemple 14 pour l'extraction de l'ADN chromosomique, à l'exception du milieu de culture constitué du milieu LB, et on le purifie.
2. Identification de la partie C-terminale du gène de la protéase alcaline.
L'ADN chromosomique extrait est soumis à une analyse par restriction, analyse décrite dans Molecular Cloning-SAMBROOK et al. (page 1.85) et Molecular Cloning, a laboratory Manual.
MANIATIS et al, 1982 Cold Spring Harbor Laboratory, pages 374-379). Les fragments d'ADN obtenus à partir de ces digestions sont séparés selon leur taille sur un gel d'agarose à 0,8 X (poids/volume).
Le gel d'agarose est alors soumis à une analyse par la technique du SOUTHERN BLOT (Technique décrite par SAMBROOK et al - page 9.31), en vue d'identifier les fragments qui contiennent les séquences de nucléotides de la partie C-terminale du gène de la protéase alcaline.
La sonde construite qui est utilisée pour les hybridations, est un oligonucléotide synthétique correspondant à la partie C-terminale du gène de la protéase alcaline. La technique utilisée pour construire l'oligonucléotide synthétique est décrite dans BEAUCAGE, S. L. et al. (1981), Tetrahedron Letters, 22 : 1859-1882 et en utilisant des $-cyanoéthyl phosphoramidites dans un appareil de BIOSEARCH CYCLONE SYNTHESIZER. La séquence de l'oligonucléotide synthétique qui a été construit est la suivante (SEQ ID N0 : 2) :
5'-GGCGGAGCAAGCTTTGTGG-3'
Ces résultats montrent que la partie C-terminale du gène de la protéase alcaline est localisée sur le fragment PstI d'environ 2,7 kpb.
L'hybridation avec les sondes d'ADN est effectuée en suivant la technique décrite dans Molecular Cloning-SAMBROOK et al.- page 9.52-9. 55. Cette même technique est utilisée dans les
<Desc/Clms Page number 38>
autres exemples.
La préparation d'ADN chromosomique extrait provenant de la souche de Bacillus licheniformis SE2 est ensuite digérée avec l'enzyme PstI et les fragments obtenus sont séparés selon leur taille par électrophorèse de gel d'agarose (0,8 %).
Les fragments PstI obtenus d'environ 2,7 kpb sont extraits des gels et purifiés par la technique dite"GENE CLEAN"mettant en oeuvre des billes de verre et mise sur le marché par la Société BI0101 (U. S. A.).
Les fragments PstI de 2,7 kpb sont ensuite ligaturés (SAMBROOK et al, page 1.68-1. 69) avec le plasmide pUC18 (CLONTECH Laboratories, n 6110-1), qui a été préalablement digéré au site PstI et déphosphorylé. La ligation ainsi obtenue a été ensuite transformée dans des cellules d'Escherichia coli MC1061 par la technique au CaCl2 (SAMBROOK et al-page 1.82-1. 84). La technique permettant de déphosphoryler les fragments d'ADN ou de linéariser les vecteurs est décrite par SAMBROOK et al (page 1.60-1. 61). La technique de la ligation est également décrite par SAMBR00K et al (page 1.68-1. 69).
Les souches transformées sont sélectionnées sur boites de Pétri contenant le milieu LB gélosé et supplémenté de 100 pg/ml d'ampicilline. Les souches transformées à partir d'E. coli MC1061 ainsi obtenues sont ensuite sélectionnées par hybridation avec l'oligonucléotide synthétique marqué en utilisant la sonde C-terminale utilisée dans l'étude du SOUTHERN et le plasmide pKC1 est isolé.
L'oligonucléotide synthétique est marqué par phosphorylation avec de l'ATP [y-32p] en utilisant la T4-polynucléotide kinase du phage T4 et en suivant la technique décrite par SAMBROOK et al (page 11.31-11. 33).
3. Identification de la partie N-terminale du gène de la protéase alcaline.
* L'ADN chromosomique extrait est soumis à une analyse par restriction. Les fragments d'ADN obtenus à partir de ces digestions sont séparés selon leur taille sur un gel d'agarose à 0,8 X.
<Desc/Clms Page number 39>
Le gel d'agarose est alors soumis à une analyse par la technique du SOUTHERN BLOT, en vue d'identifier les fragments qui contiennent les séquences de nucléotides de la partie N-terminale du gène de la protéase alcaline.
La sonde qui est utilisée pour les hybridations, est un oligonucléotide synthétique correspondant à la partie N-terminale du gène de la protéase alcaline. La séquence de l'oligonucléotide synthétique qui a été construite est la suivante (SEQ ID N0 : 3) :
5'-ATGGCTCCTGGCGCAGGC-3'
Ces résultats montrent que la partie N-terminale du gène de la protéase alcaline est localisée sur le fragment PstI d'environ 5,5 kpb et également sur un fragment BclI-PstI, plus petit, d'environ 2 kpb. Ce fragment ne contient pas les sites de restriction XbaI, ClaI, HpaI et SphI.
La préparation d'ADN chromosomique extrait provenant de la souche de Bacillus licheniformis SE2 est ensuite digérée avec l'enzyme PstI et les fragments obtenus sont séparés selon leur taille par électrophorèse de gel d'agarose (0,8 %).
Les fragments obtenus d'environ 5,5 kpb sont extraits des gels et purifiés par la technique dite"GENE CLEAN".
Les fragments PstI de 5,5 kpb ainsi obtenus sont ensuite soumis à une série de digestions avec BclI, XbaI, ClaI, HpaI et SphI. Les fragments d'ADN ainsi produits sont ligaturés avec le plasmide pMK4 (tel que décrit dans SULLIVAN et al., (1984), Gene 29 : 21-26), qui a été préalablement linéarisé par BamHI et PstI.
Le plasmide pMK4 peut être obtenu à la collection B. G. S. C.
(Bacillus Genetic Stock Center (Ohio State University) Columbus, Ohio, U. S. A. ) sous le numéro 1E29.
Les ligations ainsi obtenues ont été ensuite transformées dans des cellules d'Escherichia coli MC1061 par la technique au Cal2.
Les souches transformées sont sélectionnées sur boîtes de Pétri contenant le milieu LB gélosé et supplémenté de 100 pg/ml d'ampicilline. Les souches transformées à partir d'E. coli
<Desc/Clms Page number 40>
MC1061 ainsi obtenues sont ensuite sélectionnées par hybridation avec l'oligonucléotide synthétique marqué en utilisant la sonde N-terminale dans l'étude du SOUTHERN et le plasmide pKP1 est isolé.
Exemple 16 Séquences de la protéase alcaline 0n détermine les séquences des fragments introduits dans les plasmides pKP1 et pKC1 à partir des sites Pst1 jusqu'aux sites SacI, en suivant la technique décrite par SAMBROOK et al (pages 13.15 et 13.17 et figure 13.3B).
Exemple 17 Construction du plasmide pLD1
Le plasmide pLD1 (figure 2) est construit dans le but de préparer la souche de Bacillus licheniformis SE2 delapl. La construction du plasmide pLD1 est décrite ci-après.
Le plasmide pKP1 (tel qu'obtenu à l'exemple 15) est instable dans E. coli MC1061. C'est pourquoi le fragment d'ADN chromosomique contenant-la partie N-terminale du gène de la protéase alcaline de B. licheniformis SE2 a été introduit dans le vecteur pACYC184 (BIOLABS, U. S. A., sous le numéro #401-M). Cette introduction a été effectuée en introduisant le fragment EcoRI-EcoRI de 1849 bp du plasmide pKP1 dans le site EcoRI du plasmide pACYC184 et la ligation est utilisée pour transformer les cellules d'E. coli MC1061. Le plasmide pKPN11 est ainsi obtenu.
Les souches transformées sont sélectionnées sur boîte de Pétri contenant le milieu LB gélosé et supplémenté de 12,5 ug/ml de tétracycline. L'orientation du fragment EcoRI-EcoRI de 1849 bp dans le plasmide pKPN11 est déterminée par l'analyse de restriction (SAMBROOK et al.-page 1.85 et MANIATIS et alpage 374-379).
Le plasmide pKPN12 est obtenu de la façon suivante : on ôte le fragment StyI-StyI de 1671 bp du plasmide pKPN11 par digestion avec StyI, suivie du remplacement de ce fragment par l'ADN double brin synthétique suivant, qui a été produit préalablement :
<Desc/Clms Page number 41>
5'-CTTG GAGCTC GTTAAC AGATCT-3' (SEQ ID N0 : 4) 3'-CTCGAG CAATTG TCTAGA GTTC-5' (SEQ ID N0 : 5) (StyI) SacI HpaI BalII (StyI)
La digestion des plasmides avec des enzymes de restriction est effectuée en suivant la technique décrite par SAMBROOK et al.
- 1989-chapitres 5.28-5. 32.
Le fragment d'ADN venant du plasmide pUB131 qui code pour la résistance à la kanamycine et à la bléomycine ou à la phléomycine a été obtenu comme suit :
Le fragment PstI-TaqI de 2666 bp, qui porte les gènes qui codent pour la résistance à la kanamycine et à la bléomycine ou à la phléomycine, est obtenu par double digestion PstI-TaqI du plasmide pUB131. Ce fragment est introduit dans les sites PstI-AccI du plasmide pBS- (STRATAGENE, U. S. A., sous le numéro 211202). On obtient ainsi le plasmide pBSKMPM.
Durant la préparation du plasmide pBSKMPM, une petite délétion dans la région de la liaison avec le plasmide pBSapparaît, cela entraîne la perte des sites SphI et PstI dans le plasmide pBSKMPM. Le plasmide pBSKMPM est utilisé pour produire un ADN simple brin mis en oeuvre pour effectuer une mutagénèse dirigée en vue d'introduire les deux nucléotides synthétiques dont les sites SmaI sont identifiés ci-après, l'un est situé en amont et l'autre en aval des gènes de résistance à la kanamycine et à la phléomycine.
La technique de la mutagénèse dirigée est décrite par SAMBROOK et al-page 15,74-15, 79. Elle utilise le kit de mutagénèse vendue par BIO-RAD (nO 170-3576).
Les séquences des oligonucléotides synthétiques mis en oeuvre pour la mutagénèse sont les suivantes (respectivement SEQ ID N0 : 6 et SEQ ID N0 : 7) :
5'-CATCTAATCTTCAACACCCGGGCCCGTTTGTTGAAC-3'
SmaI
5'-CAAAATAAAAAAGATACAACCCGGGTCTCTCGTATCTTTTAT-3'
SmaI
<Desc/Clms Page number 42>
Le plasmide obtenu par cette mutagénèse en présence des deux oligonucléotides est le plasmide pBSKMPM1. Ce plasmide contient deux sites de restriction SmaI qui permettent l'isolement du fragment d'ADN contenant les gènes qui codent pour la résistance à la kanamycine et la phléomycine.
Le fragment SmaI-SmaI de 1597 bp du plasmide pBSKMPM1 est ensuite introduit dans le site SmaI du plasmide pKPN12, le plasmide pKPN14 est ainsi obtenu.
La bonne orientation du fragment introduit dans le plasmide pKPN14 est vérifiée en effectuant une sélection sur les préparations d'ADN plasmidique par l'analyse de restriction (SAMBROOK et al-page 1.85).
Le fragment d'ADN, présent sur le plasmide pKCl et localisé en aval de la séquence N-terminale de la protéase alcaline, est isolé sur le fragment SacI-HindIII de 1,2 kpb du plasmide pKCl (tel qu'obtenu à l'exemple 15) par digestion, d'abord avec HindIII.
L'extrémité 5'saillante de HindIII est rendue à bouts droits par un traitement avec le fragment Klenow de l'ADN polymérase (SAMBROOK et al-page F. 2-F. 3). La restriction SacI est alors effectuée en vue de produire le fragment souhaité SacI-HindIII à bouts droits. Ce fragment est introduit dans les sites HpaI et SacI du plasmide pKPN14, en produisant le plasmide pLID1.
Toutes ces constructions sont effectuées par transformation de la souche d'E. coli MC1061 en présence de tétracycline (12 pg/ml) pour la sélection des souches transformées.
Un plasmide capable de se multiplier dans B. subtilis et dans B. licheniformis, est construit à partir du plasmide pLID1 en remplaçant les fonctions de réplication d'E. coli, qui sont portées par le fragment BglII-BglII de 3623 bp du plasmide pLID1, par le fragment qui porte les fonctions de réplication de Bacillus : fragment BglII-BamHI de 2238 bp isolé à partir du plasmide pUB131.
Ce remplacement des fonctions de réplication d'E. coli par celles de Bacillus a été effectué en isolant d'abord le fragment
<Desc/Clms Page number 43>
BglII-BglII de 3,6 kpb à partir du plasmide pLIDI par digestion du plasmide pLIDI avec BglII et BamHI. Une digestion BamHI supplémentaire a été nécessaire, en effet une digestion BglII seule résulterait en fragments de taille identique qui ne pourraient pas être séparés par électrophorèse sur gel d'agarose.
EMI43.1
Le fragment BglII-BglII de 3, 6 kpb est alors cloné, dans la souche de Bacillus subtilis SE3, dans le fragment BglII-BamHI de 2238 bp qui a été isolé du plasmide pUB131, en produisant le plasmide pLD1 (figure 2).
La souche de Bacillus subtilis SE3 a été déposée le 21 juin 1993 à la collection nommée BELGIAN COORDINATED COLLECTIONS 0F MICROORGANISM conformément au Traité de Budapest sous le numéro LMG P-14035.
Exemple 18 Construction de Bacillus licheniformis SE2 delapl
Les modifications souhaitées dans l'ADN chromosomique de la souche de Bacillus licheniformis SE2 sont effectuées par les techniques basées sur la recombinaison homologue. Les modification sont effectuées pour produire la souche de Bacillus licheniformis SE2 delapl.
Le plasmide pLD1 est transformé dans B. licheniformis SE2 par la technique des protoplastes décrite par MANIATIS et al (pages 150-151) et sous les conditions définies à l'exception des modifications suivantes : la poudre de lysozyme est ajoutée à 5 mg/ml dans le SMP, au lieu de 1 mg/ml comme définie à l'étape 7 de la procédure décrite, l'incubation pour obtenir une lyse maximale avec le lysozyme est de 60 minutes, la régénération est faite dans le milieu DM3 (décrit par Molecular Biological Methods for Bacillus (Harwood et al, eds) John Wiley and Sons (1990) (pages 150-151) contenant 200 pg/ml de kanamycine.
Une souche transformée est isolée et la carte de restriction du plasmide pLD1, introduit dans cette souche, est vérifiée.
La souche transformée est mise en culture dans 50 ml d'un milieu LB supplémenté de 2 g/l de glucose et de 25 ug/ml de kanamycine, pendant 18 heures à 37 C.
Un échantillon de culture (0,1 ml) est prélevé et sert à
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inoculer un erlenmeyer contenant 50 ml de même milieu LB. La culture est incubée à 37 C pendant 18 heures. Un échantillon de cette culture est prélevé et testé sur boîte de Pétri contenant le milieu LB gélosé et supplémenté de 25 pg/ml de kanamycine et de 1 % (poids/volume) de lait écrémé (DIFCO), pour détecter la présence de protéase.
L'absence de halo d'hydrolyse autour des colonies qui présentent une croissance sur ces boîtes de Pétri indiquent que ces colonies sont incapables de produire une protéase alcaline.
Les cultures et les tests sont répétés jusqu'à l'obtention d'une souche (apr-, Kmr), c'est-à-dire à la fois ne produisant plus de protéase alcaline (apr-) et résistante à la kanamycine (Kmr).
Le plasmide pLD1 présent dans cette souche de Bacillus licheniformis SE2 delapl est ensuite ôté de celle-ci par culture sur un milieu de croissance à 37 C en absence d'antibiotique.
Cette souche est mise en culture dans 50 ml de milieu LB supplémenté de 2 g/l de glucose, pendant 18 heures à 37"C. Un volume de 0,1 ml de cette culture est prélevé et sert à inoculer un autre erlenmeyer contenant également 50 ml d'un même milieu, la culture dure 18 heures à 37 C. Un échantillon est alors prélevé et est étalé sur boîte de Pétri de milieu LB. Les colonies isolées sont repiquées sur une seconde boîte de milieu LB supplémenté de 25 pg/ml de kanamycine. Une souche sensible à
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la kanamycine (KmS) est isolée. On confirme son phénotype (apr-, KmS).
L'ADN chromosomique de cette souche est alors isolé et purifié et la structure de la délétion chromosomique est vérifiée par la technique du SOUTHERN BLOT. Les délétions identifiées sont correctes quant à leur position, ayant eu lieu par une double recombinaison homologue dans les séquences situées en amont (5') et en aval (3') du gène de la protéase alcaline.
Le souche obtenue est appelée B. licheniformis SE2 delapl.
Elle ne produit pas de protéase alcaline.
Exemple 19
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Transformation de Bacillus licheniformis SE2 delapl avec le vecteur d'expression
Le plasmide pUBDEBRA1 (figure 1), décrit à l'exemple 14, est extrait de son hôte, isolé et purifié (SAMBROOK et al., 1989, p. 1.25-1. 28).
On prépare une culture de la souche de B. licheniformis SE2 delapl, décrite à l'exemple 18, puis on transforme cette souche avec ce plasmide selon la technique des protoplastes décrite par MANIATIS et al (pages 150-151).
La souche transformée est sélectionnée sur boîte de Pétri, isolée et purifiée par criblage.
Exemple 20 Production de la pullulanase par B. licheniformis SE2 delapl (pUBDEBRA1)
La souche de B. licheniformis SE2 delapl transformée par le plasmide pUBDEBRA1, telles qu'obtenue à l'exemple 19, est mise en culture pendant 17 heures à 37 C dans un milieu de préculture LB supplémenté de 0,5 X (p/v) de glucose et 20 ug/ml de kanamycine.
Cette préculture est transférée (5 X v/v) dans 50 ml de milieu M2 supplémenté de 20 pg/ml de kanamycine. Le milieu M2 contient 30 g de farine de soja, 75 g d'amidon soluble, 2 g de sulfate de sodium, 5 mg de chlorure de magnésium, 3 g de NaH2P04, 0,2 g de CaCl2. H20 et 1000 ml d'eau. Le pH de ce milieu M2 est ajusté à 5,8 avec Na0H 10 N avant sa stérilisation. La culture est incubée sous agitation pendant 80 heures à 37 C. Après 80 heures, la biomasse est éliminée par centrifugation à 5000 tours par minutes pendant 10 minutes. Le surnageant de centrifugation est conservé. On mesure l'activité enzymatique sur ce surnageant et on note la présence d'une activité pullulanase.
Exemple 21 Construction de Bacillus licheniformis SE2 delapl (pUBCDEBRA11DNSI) - Intégration chromosomique
Cet exemple concerne l'intégration du gène codant pour la pullulanase dans le chromosome de la souche Bacillus licheniformis SE2 delapl.
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Pour ce faire, le fragment EcoRI-BamHI de 4,6 kb du plasmide pBRDEBRA3 est cloné dans les sites EcoRI et BamHI du vecteur pUBC131 par transformation de la souche E. coli MC1061, générant ainsi le plasmide pUBCDEBRA11.
Le vecteur d'intégration pUBCDEBRA11DNSI (figure 3) est ensuite construit en délétant le fragment NsiI-Nsil de 886 bp du plasmide pUBCDEBRA11. Le plasmide ainsi obtenu a perdu la possibilité de se répliquer dans Bacillus, par la perte du fragment NsiI de 886 bp.
Pour effectuer cette construction, le plasmide pUBCDEBRA11 est clivé par l'enzyme de restriction NsiI, et le fragment NsiI-NsiI d'environ 9,4 Kbp est purifié par électrophorèse en gel d'agarose. Ce fragment est ensuite soumis à une ligation afin de le recirculariser. La ligation est transformée dans E. coli MC1061, et le plasmide pUBCDEBRA11DNSI1 est obtenu.
Afin d'intégrer le plasmide pUBCDEBRA11DNSI1 dans la souche B. licheniformis SE2 delapl, il est nécessaire que ce plasmide porte un fragment d'ADN homologue à l'ADN chromosomique. 0n a donc cloné dans le site BamHI du vecteur d'intégration pUBCDEBRAUDNSIl, des fragments chromosomiques Sau3AI provenant de B. licheniformis.
Pour ce faire, l'ADN chromosomique extrait de la souche Bacillus licheniformis SE2 delapl est clivé partiellement par l'enzyme de restriction Sau3AI. Les fragments d'ADN de taille comprise entre 1,5 et 3 kb sont ensuite purifiés par gel d'agarose et ligaturés avec le plasmide pUBCDEBRA11DNSI clivé par l'enzyme de restriction BamHI et déphosphorylé. La ligation ainsi obtenue est transformée dans des cellules de MC1061 par électroporation. Après sélection sur milieu LB gélosé contenant 100 ug/ml d'ampicilline, environ 3000 colonies sont obtenues.
L'ensemble de ces colonies est mis en suspension dans du milieu LB et une extraction des plasmides est effectuée par la technique de la lyse alcaline (SAMBROOK et al, page 1.25-1. 28).
La préparation de plasmides ainsi obtenue est alors introduite par transformation par la technique des protoplastes dans la souche de Bacillus licheniformis SE2 delapl. Les cellules
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transformées sont sélectionnées sur le milieu de régénération DM3 (décrit dans Molecular Biological Methods for Bacillus (Harwood, C. R. and Cutting, S. M., Eds) J. Wiley and sons, 1990, 150-151) pour leur résistance à la phléomycine (17 pg/ml), celle-ci ne pouvant leur être conférée que par intégration chromosomique d'un des plasmides construits ci-dessus.
Les colonies ainsi obtenues sont repiquées sur milieu LB gélosé supplémenté de 5 pg/ml de phléomycine et 0,06 % d'AZCL-pullulane. La colonie présentant le halo d'hydrolyse d'AZCL-pullulane le plus grand est alors isolée et repiquée sur milieu LB gélosé.
Une extraction du contenu plasmidique de cette souche est alors effectuée. La préparation ainsi obtenue est soumise à une analyse par gel d'électrophorèse en agarose, qui montre l'absence de plasmide.
L'ADN chromosomique est extrait et purifié comme décrit à l'exemple 14 et soumis à une analyse par la technique de SOUTHERN, qui montre que le plasmide pUBCDEBRA11DNSI s'est intégré dans l'ADN chromosomique par recombinaison homologue dans un fragment Sau3AI d'environ 3 kb.
Ceci démontre que le gène codant pour la pullulanase de B. deramificans s'exprime dans B. licheniformis, à l'état intégré dans le chromosome.
Exemple 22 Procédé de production de la pullulanase par la souche de Bacillus licheniformis SE2 delapl (pUBCDEBRA11DNSI)
La souche de B. licheniformis SE2 delapl contenant le gène de la pullulanase sous forme intégrée dans l'ADN chromosomique, telle qu'obtenue à l'exemple 21, est mise en culture pendant 17 heures à 37 OC dans un milieu de préculture LB supplémenté de 0,5 X (p/p) de glucose et de 5 pg/ml de phléomycine. Un volume de 10 ml de cette préculture est inoculé dans 250 ml de milieu M2 (décrit à l'exemple 20), supplémenté de 5 ug/ml de phléomycine, dans des fioles à chicane.
Après 24 heures d'incubation sous agitation à 37 C, la totalité de la culture ainsi obtenue est introduite dans un
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fermenteur contenant 6,5 l de milieu M2. La fermentation est prolongée pendant 72 heures à 37 C. Le pH est maintenu à une valeur inférieure à 7,0 par addition d'acide phosphorique concentré, le débit d'air est maintenu à 4 litres/minute, et l'agitation est ajustée de façon à obtenir une teneur en oxygène
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dissous supérieure à 30 % (v/v) de saturation.
Après addition de 50 ml d'un agent de floculation, à base de
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polyamine vendu sous la marque OPTIFLOC JFC 205 par cllci SOLVAY DEUTSCHLAND, à la culture obtenue, la biomasse est éliminée par centrifugation (BECKMAN JA-10) à 5.000 tours/minute pendant 15 minutes et le surnageant obtenu est acidifié à pH 4,5 avec une solution d'HCl 1 M. La solution obtenue est à nouveau centrifugée à 8.000 tours/minute pendant 15 minutes (BECKMAN JA-10).
Le surnageant est ensuite concentré, jusqu'à un volume final de 1 l, par ultrafiltration en utilisant une unité d'ultrafiltration équipée d'une membrane avec une limite de résolution de 5.000 Daltons.
Puis, on ajoute à cette solution concentrée, de l'acétone à une concentration finale de 60 % (v/v). La suspension formée est incubée à 4 C pendant 2 heures, puis centrifugée à 8.000 tours/minute pendant 15 minutes (BECKMAN JA-10). Le culot de
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centrifugation obtenu est mis en suspension dans 100 ml d'une solution aqueuse contenant 30 X (p/v) d'amidon de marque
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MALTRINQ250 (GRAIN PROCESSING CORPORATION), 0. 3 % (p/v) de
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benzoate de sodium, et 0. 15 % (p/v) de sorbate de potassium, à un pH de 4,5. La préparation purifiée de la pullulanase produite par la souche recombinante, ainsi obtenue, est appelée solution D.
L'activité de la solution D de pullulanase, mesurée par la méthode des sucres réducteurs, est de 150 PUN/ml.
Exemple 23 Stabilité de la pullulanase produite par la souche de Bacillus licheniformrs SE2 delapl (pUBCDEBRA11DNSI) vis-à-vis de la température
On dilue la solution D de pullulanase, telle qu'obtenue à l'exemple 22, de telle sorte qu'elle développe une activité
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enzymatique comprise entre 10 et 15 PUN/ml, dans un tampon citrate-phosphate 0,05 M à un pH de 4,75.
On repartit cette solution diluée contenant la pullulanase dans 9 tubes à raison de 5 ml de solution diluée par tube.
On incube les différents tubes contenant la solution diluée dans des bain-maries à des températures comprises entre 40 et 80 C pendant 75 minutes.
Suite à cette incubation, on les place dans un bain de glace pour les refroidir rapidement.
Ensuite on mesure l'activité enzymatique des différentes solutions (conditions de la mesure : température de 60 oC, pH de 4,5, durée d'incubation de 15 minutes).
Au cours de cet essai l'activité enzymatique maximale a été mesurée pour l'échantillon placé à un pH d'environ 4,75 et à une température d'environ 55 C. Par définition on a donc attribué à cet échantillon une activité enzymatique relative de 100 X.
Les résultats sont rassemblés dans le tableau 12.
TABLEAU 12
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<tb>
<tb> Activité <SEP> enzymatique
<tb> Température <SEP> relative
<tb> %
<tb> 40 <SEP> 99
<tb> 45 <SEP> 99
<tb> 50 <SEP> 100
<tb> 55 <SEP> 100
<tb> 60 <SEP> 96
<tb> 65 <SEP> 83
<tb> 70 <SEP> 2
<tb> 80 <SEP> 1
<tb>
Cet exemple montre que la pullulanase selon l'invention présente une activité enzymatique relative d'au moins 80 % mesurée après une incubation de 75 minutes à un pH de 4,75 en l'absence de substrat et dans une gamme de températures inférieures ou égales à 65 QC.
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Pullulanase, microorganisms producing it, processes for preparing this pullulanase and uses thereof
The invention relates to a new pullulanase. The invention also relates to a new strain of microorganisms producing this pullulanase and the methods for preparing this pullulanase. The invention also relates to the uses and compositions comprising it. The invention also relates to a DNA molecule containing the gene for this pullulanase and an expression vector containing this DNA molecule, useful for expressing pullulanase in strains of Bacillus.
Starch, the essential constituents of which are amylose and amylopectin, can be converted into simple sugars by an enzymatic process carried out in two stages: a stage of liquefaction of starch and a stage of saccharification of liquefied starch . In order to achieve a high starch conversion rate, it has already been proposed to add, during the saccharification of the liquefied starch, an enzyme which hydrolyzes the glucosidic bonds. <x-l, 6, such as, for example, a pullulanase.
In European patent 0 063 909, a so-called debranching enzyme is described, that is to say capable of hydrolyzing the glucosidic bonds α-1, 6 in amylopectin, which exhibits pullulanase activity and has an optimum of activity at a pH of 4-5 at 60 C. This enzyme is derived from a strain of Bacillus acidopullulyticus.
Furthermore, in US Pat. No. 5,055,403, a pullulanase has been proposed having an enzymatic activity in an acid medium and derived from a strain of Bacillus naganoensis.
This enzyme has maximum activity at a pH of around 5
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measured at 60 oC and a maximum of activity at a temperature of approximately 62.5 C measured at a pH of 4.5.
Although active at acidic pH and at a temperature of around
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60 C and therefore usable during the saccharification of liquefied starch, the pullulanases of the prior art have the drawback of being very unstable under such temperature and pH conditions, their half-life duration at a temperature of 60 C and a pH of about 4.5 in the absence of substrate not exceeding a few tens of minutes.
Consequently, there is currently a need for a pullulanase which can be used during the saccharification of liquefied starch, which is very stable over a wide range of temperature and pH, and in particular at a temperature of around 60 ° C. and at a pH d 'about 4.5.
The present invention aims to provide a new pullulanase, active at acidic pH, having a thermostability at acidic pH very much greater than that of the pullulanases of the prior art and a half-life of several hours under the above conditions.
The present invention also aims to identify, isolate and provide a strain, and in particular a strain of Bacillus, which naturally produces said pullulanase.
The present invention also aims to isolate and provide a nucleotide sequence coding for said pullulanase.
The present invention also aims to prepare and provide an expression vector and a chromosomal integration vector containing the nucleotide sequence coding for said pullulanase.
The present invention also aims to prepare and provide a Bacillus host transformed with the expression vector or the integration vector containing the nucleotide sequence of the Bacillus strain coding for said pullulanase.
To this end, the invention relates to a pullulanase produced by a Bacillus, and more particularly by an aerobic and non-thermophilic microorganism such as Bacillus deramificans. Preferably, Bacillus deramificans T 89.117D or a derivative or mutant of this strain is used.
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Preferably the isolated and purified pullulanase consists of a single type of polypeptide, having a molecular weight of approximately 100 (10) kDa.
In addition, the N-terminal sequence (SEQ ID NO: 1) of said pullulanase is as follows in the amino-carboxy direction and from left to right:
Asp Gly Asn Thr Thr Thr Ile Ile Val His
1 5 10
Tyr Phe Cys Pro Ala Gly Asp Tyr Gln Pro
15 20
The invention relates to an isolated and purified pullulanase comprising the amino acid sequence from 1 to 928 amino acids (SEQ ID NO: 11) or a modified sequence derived therefrom.
This sequence is the complete amino acid sequence of said pullulanase, as illustrated in FIG. 4 (4a to 4f).
The complete nucleotide sequence (SEQ ID NO: 10) coding for pullulanase, as well as its translation into amino acids, is given in FIG. 4.
In a particularly preferred manner, said pullulanase has an isoelectric point between 4.1 and 4.5.
The pullulanase according to the invention is thermostable and active over a wide temperature range. Pullulanase is active at acidic pH.
Said pullulanase is capable of catalyzing the hydrolysis of the glucosidic bonds a-1, 6 present both in amylopectin and in pullulan. It is therefore an enzyme called debranching or debranching. Preferably said pullulanase is capable of hydrolyzing the glucosidic bonds of the oc-1, 6 type in amylopectin.
Preferably, the pullulanase according to the invention degrades the pullulan to maltotriose and the amylopectin to amylose.
In addition, the pullulanase of the present invention hydrolyzes amylopectin to form oligosaccharides (maltooligosaccharides). During this hydrolysis, the formation of oligosaccharides consisting of approximately 13 glucose units is observed.
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(degree of polymerization of 13, this molecule is also called "chain A"), followed by the formation of oligosaccharides made up of approximately 47 units of glucose (degree of polymerization of 47, this molecule is also called "chain B") .
The definition of oligosaccharides with chains A and B is made with reference to DJ MANNERS ("Structural Analysis of Starch components by Debranching Enzymes" in "New Approaches to research on Cereal Carbohydrates", Amsterdam, 1985, p. 45-54) and BE ENEVOLDSEN ("Aspects of the fine structure of starch" in in "New Approaches to research on Cereal Carbohydrates", Amsterdam, 1985, p. 55-60).
Preferably, the pullulanase of the present invention hydrolyzes potato amylopectin. This hydrolysis can be carried out with an aqueous suspension of amylopectin in the presence of pullulanase under the optimal conditions of activity of the pullulanase, that is to say at a temperature of approximately 60 C and at a pH of approximately 4.3.
The pullulanase of the present invention catalyzes the condensation reaction of maltose by forming tetraholosides (oligosaccharides having 4 glucose units).
The pullulanase of the invention has a half-life of approximately 55 hours measured at a temperature of approximately 60 C in a buffered solution at a pH of approximately 4.5 and in the absence of substrate.
The term half-life is understood to mean that pullulanase shows
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a relative enzymatic activity of at least 50% measured after an incubation of 55 hours at a temperature of approximately 60 C in a buffered solution at a pH of approximately 4.5, and in the absence of substrate.
The pullulanase according to the invention is thermostable at acidic pH. Indeed, the pullulanase according to the invention shows a relative enzymatic activity of at least 55% measured after an incubation of 40 hours at a temperature of 60 C in a solution buffered to a pH of about 4.5 and in absence of substrate. It shows a relative enzymatic activity of at least 70% measured after an incubation of 24 hours under these
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same conditions.
By relative enzymatic activity is meant the ratio between the enzymatic activity, measured during a test carried out under given conditions of pH, temperature, substrate and duration, and the maximum enzymatic activity measured during this same test, the enzymatic activity being measured from the hydrolysis of pullulan and the maximum enzymatic activity being arbitrarily fixed at the value of 100.
The pullulanase according to the invention is moreover stable over a wide range of acidic pHs.
Under the conditions described below, it is active at a pH greater than or equal to 3. In fact, said pullulanase shows a relative enzymatic activity of at least 85% measured after an incubation of 60 minutes at a temperature of approximately 60 C in the absence of substrate and in a pH range greater than or equal to about 3.5.
Under the conditions described below, it is active at a pH less than or equal to 7. Indeed, said pullulanase shows a
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relative enzymatic activity of at least 85% measured after an incubation of 60 minutes at a temperature of approximately 60 C in the absence of substrate and in a pH range less than or equal to approximately 5.8.
Preferably, it shows a relative enzymatic activity greater than 90% measured in a pH range of between approximately 3.8 and approximately 5 under these same conditions.
The pullulanase according to the invention develops an optimal enzymatic activity measured at a temperature of around 60 oC in a pH range greater than 4.0. The pullulanase according to the invention develops an optimal enzymatic activity measured at a temperature of around 60 ° C. in a pH range below 4.8. Preferably said pullulanase develops an optimal enzymatic activity measured at a temperature of approximately 60 C at a pH of approximately 4.3.
The pullulanase according to the invention also develops an optimal enzymatic activity, measured at a pH of about 4.3, in a temperature range between 55 and 65 OC, and more
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particularly at 60 C.
The pullulanase according to the invention develops an enzymatic activity of more than 80% of the maximum enzymatic activity (the maximum enzymatic activity being measured at a temperature
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at 60 C and at a pH of 4.3) in a pH range of between about 3.8 and about 4.9 for a temperature of around 60 C.
The pullulanase according to the invention also has all the suitable properties compatible with the real industrial conditions for saccharification of starch. These properties are an optimum pH below 5, an optimum temperature around 60 C and good stability of the enzyme under these conditions of acidic pH and high temperature. The acid medium is imposed by the simultaneous use of glucoamylase and pullulanase during the industrial saccharification of starch. In fact, the glucoamylase used for the saccharification of starch is generally produced by a fungus and in particular by a strain of Aspergillus, such as Aspergillus niger, Aspergillus awamori or Aspergillus foetidus.
The ideal conditions suitable for the saccharification of liquefied starch in the presence of a glucoamylase are a temperature
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about 60 C and a pH of about 4.0 to 4.5. This is particularly the case for the glucoamylase sold under the brands
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DIAZYMEL-200 by SOLVAY ENZYMES (Elkhart, USA) and 0PTIDEX by S0LVAY ENZYMES (Hanover, Germany). otherwise
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the saccharification stage lasts several hours, in general from 40 to 60 hours, it is essential that the enzymes used are stable, active and effective throughout this stage, these enzymes must therefore exhibit high thermostability in an acid medium and a longest half-life possible.
This is why the pullulanase of the present invention is more effective than the known pullulanases.
The present invention also relates to a process for the production of a pullulanase comprising the cultivation of an aerobic (and not thermophilic) bacterium capable of producing the pullulanase in a suitable nutritive medium containing sources of carbon and nitrogen and mineral salts under condition
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aerobiosis and the harvest of the pullulanase thus obtained. This culture medium can be solid or liquid. Preferably the culture medium is liquid.
The present invention also relates to a process for the production of a pullulanase comprising the culture of the strain of Bacillus deramificans T 89.117D (LMG P-13056) or a derivative of this strain capable of producing pullulanase in an appropriate nutritive medium containing sources of carbon and nitrogen and mineral salts under aerobic conditions and the harvest of the pullulanase thus obtained.
The culture conditions of these bacteria such as components of the culture medium, culture parameters, temperature, pH, aeration, agitation, are well known to those skilled in the art.
The carbon sources of the culture medium are usually chosen from starch, partially hydrolyzed starch, soluble starch, oligosaccharides, glucose, amylose, amylopectin or a mixture of two or more of these. this. The carbon sources of the culture medium are preferably chosen from partially hydrolyzed starch, pullulan, glucose or a mixture of these. Good results have been obtained with glucose and partially hydrolyzed starch. The sources of nitrogen in the culture medium are usually chosen from yeast extract, soy flour, cottonseed meal, fish meal, gelatin, potato flour or a mixture of two. or more of these.
The sources of nitrogen in the culture medium are preferably chosen from yeast extract, soy flour or a mixture of these. Good results have been obtained with yeast extract. The mineral salts of the culture medium are generally chosen for the anions from chloride, carbonate, phosphate, sulfate and for the cations from potassium, sodium, ammonium, magnesium, calcium or a mixture of two or more of these. Good results have been obtained with a mixture of the following salts KH2PO4, K2HPO4. 3H20, (NH4) 2SO4, MgC12. 6H20 and CaCl2. 2H20.
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The culture is generally carried out at a temperature between 20 and 45 C. and preferably between 25 and 40 C.
The culture is generally carried out at a pH of between 3.5 and 6 and preferably between 4 and 6.
The culture is carried out under aerobic conditions in the presence of air or oxygen and with stirring.
The techniques for harvesting the produced pullulanase are well known to those skilled in the art. Usually, centrifugation, ultrafiltration, evaporation, precipitation, filtration, microfiltration, crystallization or a combination of one or the other of these techniques such as centrifugation followed by ultrafiltration are used. .
The pullulanase can then be purified, if necessary.
Enzyme purification techniques are known to those skilled in the art, such as in particular precipitation using a salt, such as ammonium sulfate, or a solvent, such as mainly acetone.
Pullulanase can also be spray dried or freeze dried.
The present invention also relates to the identification and supply of a new isolated aerobic bacterium producing pullulanase. Generally it belongs to the family of Bacillaceae. Preferably it belongs to the genus Bacillus.
In a particularly preferred manner, said Bacillus is the strain of Bacillus deramificans T 89.117D or a derivative or mutant of this strain.
By derivative or mutant of this strain is meant any naturally or artificially modified bacteria. The derivatives of this strain can be obtained by known modification techniques such as ultraviolet radiation, X-rays, mutagens or genetic engineering.
The strain of Bacillus deramificans T 89.117D was deposited in the collection named BELGIAN COORDINATED COLLECTIONS 0F MICRCRGANISMS (LMG culture collection, University of Ghent, Laboratory of Microbiology-KL Ledeganckstraat 35, B-9000 Ghent, Belgium) in accordance with the Budapest Treaty under the
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LMG number P-13056 June 21, 1993. The invention therefore relates to an isolated and purified culture of Bacillus deramificans T 89.117D and a culture derived or mutated therefrom.
The strain of the present invention has been identified by its biochemical characteristics: Gram positive, aerobic bacteria which is in the form of rod, it forms an endospore.
The invention also relates to the isolation and supply of a DNA molecule comprising a nucleotide sequence (SEQ ID NO: 10) encoding Bacillus deramificans T 89.117D pullulanase (LMG P-13056) or a modified sequence derived from it. Preferably, this DNA molecule comprises the entire pullulanase gene from Bacillus deramificans T 89.117D. By the whole pullulanase gene is meant at least the transcription promoter (s), the signal sequence (s), the coding nucleotide sequence. for mature pullulanase and the transcription terminator (s).
The DNA molecule according to the invention comprises at least the nucleotide sequence (SEQ ID NO: 10) coding for the mature pullulanase of Bacillus deramificans T 89.117D (LMG P-13056) and its signal sequence (presequence) ( SEQ ID NO: 13). Preferably, this DNA molecule comprises the entire pullulanase gene from Bacillus deramificans T 89.117D. Good results have been obtained with a DNA molecule comprising the nucleotide sequence (SEQ ID NO: 8).
The nucleotide sequence (SEQ ID NO: 8) consists of, in the amino-carboxy direction and from left to right, the nucleotide sequence (SEQ ID NO: 14), the nucleotide sequence (SEQ ID NO: 13) , the nucleotide sequence (SEQ ID NO: 10) and the nucleotide sequence (SEQ ID NO: 15).
The pullulanase of the invention is synthesized in the form of a precursor containing an additional sequence of 29 amino acids (SEQ ID NO: 12).
The invention also relates to a modified pullulanase, i.e. an enzyme with a different amino acid sequence
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that of the wild-type enzyme by at least one amino acid. These changes can be achieved by conventional DNA mutagenesis techniques, such as exposure to ultraviolet radiation, chemicals such as sodium nitrite or o-methylhydroxylamine, or by engineering techniques. genetics such as site-directed mutagenesis or random mutagenesis.
The invention also relates to a mutated pullulanase obtained by modification of the nucleotide sequence of the gene which codes for the pullulanase defined above. The techniques for obtaining such mutated pullulanases are known to those skilled in the art and are in particular described in Molecular Cloning-a laboratory manual-SAMBROOK, FRITSCH, MANIATIS-second edition, 1989, in chapter 15.
The invention also relates to the preparation and supply of an expression vector containing the DNA molecule which comprises the nucleotide sequence which codes for the pullulanase of Bacillus deramificans T 89.117D. Preferably, the DNA molecule comprises the structural gene which codes for the mature pullulanase from Bacillus deramificans T 89. 117D. In a particularly preferred manner, this vector is the vector pUBDEBRA1. Good results have also been obtained with the vector pUBCDEBRA11.
By expression vector is meant any DNA sequence which comprises a replicon and other regions of DNA (nucleotide sequences) and which is functional independently of the host as a complete gene expression unit.
By complete gene expression unit is meant the structural gene and the region (s) of the promoter and the regulatory region (s) necessary for transcription and translation. By structural gene is meant the coding sequence which is used for transcription into RNA and allows the synthesis of the protein by the host.
The preferred expression vector is the vector pUBDEBRA1.
This vector contains the gene which codes for the pullulanase of the strain of Bacillus deramificans T 89.117D according to the invention. This vector can be introduced into an appropriate host. Usually
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this host is a strain of Bacillus. Preferably this host is a strain of Bacillus licheniformis. In a particularly preferred manner, this host is a strain of Bacillus licheniformis SE2. Excellent results have been obtained with this vector when it is introduced into the strain of Bacillus licheniformis SE2 delapl, used as a host.
The invention also relates to the preparation and supply of a chromosomal integration vector containing the DNA molecule which comprises the nucleotide sequence which codes for the pullulanase of Bacillus deramificans T 89.117D. Preferably the DNA molecule comprises the structural gene which codes for the mature pullulanase from Bacillus deramificans T 89.117D. In a particularly preferred manner, this chromosomal integration vector is the vector pUBCDEBRAllDNSI.
The present invention also relates to recombinant strains in which said gene coding for pullulanase is introduced by genetic engineering techniques. The gene can be introduced onto a plasmid by an expression vector or integrated into the host chromosome in one or more copies by a chromosomal integration vector.
The invention also relates to strains of microorganisms different from the initial producer organism, into which the nucleotides coding for pullulanase are introduced by transformation, either in an integrated form into chromosomal DNA, or in a self-replicating form (plasmid).
The invention relates to the transformed strain of Bacillus licheniformis comprising the DNA molecule described above.
The invention relates to the transformed strain of Bacillus licheniformis comprising the expression vector or the chromosomal integration vector which comprises this DNA molecule. Preferably the invention relates to the transformed strain of Bacillus
EMI11.1
licheniformis comprising the expression vector pUBDEBRAl or the chromosomal integration vector pUBCDEBRAllDNSI.
The invention also relates to a method for the preparation of a pullulanase from a recombinant organism, the method comprising the isolation of a DNA fragment coding for the
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pullulanase, the insertion of this DNA fragment into an appropriate vector, the introduction of this vector into an appropriate host or the introduction of this DNA fragment into the chromosome of an appropriate host, the culture of this host , expression of pullulanase and harvesting of pullulanase. The appropriate host is generally chosen from the group consisting of the microorganisms Escherichia coli, Bacillus or Aspergillus. Usually the host is chosen from Bacillus. Preferably, the host is chosen from microorganisms of the genus Bacillus (aerobic).
In a particularly preferred manner, the host is chosen from the microorganisms Bacillus subtilis, Bacillus licheniformis, Bacillus alcalophilus, Bacillus pumilus, Bacillus lentus, Bacillus amyloliquefaciens or Bacillus deramificans T 89.117D (LMG P-13056).
Good results have been obtained when the host for the expression of the pullulanase according to the present invention is a recombinant strain derived from Bacillus licheniformis, and preferably the strain of Bacillus licheniformis SE2 delapl.
The Bacillus licheniformis SE2 strain was deposited on June 21, 1993 in the collection named BELGIAN COORDINATED COLLECTIONS 0F MICROORGANISM (LMG culture collection, Ghent, Belgium) in accordance with the Budapest Treaty under number LMG P-14034.
The transformed strain SE2 delapl thus obtained from Bacillus licheniformis SE2 differs from the parent strain by the only fact that it does not contain in its chromosome the DNA sequence which codes for the mature protease.
The invention also relates to a pullulanase produced, heterologously, by a microorganism of the genus Bacillus which contains a gene coding for an alkaline protease when it is in the wild state. Preferably, this microorganism is a strain of Bacillus licheniformis comprising the DNA molecule which comprises the nucleotide sequence which codes for the pullulanase of Bacillus deramificans T 89.117D. In a particularly preferred manner, the gene coding for the alkaline protease has been deleted from this strain of Bacillus. This strain is preferably the
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Bacillus licheniformis SE2 delapl.
By heterologously produced is meant a production which is not carried out by the natural microorganism, that is to say the microorganism which contains in the wild the gene which codes for pullulanase.
The pullulanase according to the invention has multiple outlets in various industries, such as, for example, the food industries, the pharmaceutical industries or the chemical industries.
Pullulanase can in particular be used in baking as an "anti-staling", that is to say as an additive to prevent the bread from becoming stale during its conservation or in brewery during the manufacture of beers with low calorie content .
Pullulanase can also be used when preparing low-calorie foods in which amylose is used as a fat substitute.
Pullulanase can also be used to hydrolyze amylopectin and form oligosaccharides from this amylopectin.
Pullulanase can also be used to form tetraholosides from maltose.
Pullulanase can also be used to condense mono or oligo-saccharides by creating alpha-1, 6 type bonds.
Pullulanase can, for example, be used to clarify fruit juices.
Pullulanase can be used for the liquefaction of starch.
For food applications, pullulanase can be immobilized on a support. Enzyme immobilization techniques are well known to those skilled in the art.
The pullulanase according to the invention is particularly suitable for the treatment of starch and pullulan.
The invention relates to the use of pullulanase for the saccharification of liquefied starch.
The present invention also relates to the use of the
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pullulanase during a process for degrading starch or partially hydrolyzed starch comprising a step of saccharification of starch or partially hydrolyzed starch in the presence of a pullulanase. Generally this process is carried out in the presence of one or more other enzymes such as glucoamylase, a-amylase, 5-amylase, a-glucosidase or other saccharifying enzymes.
Given its biochemical properties, the pullulanase of the present invention makes it possible to carry out the saccharification step under strongly acid conditions, that is to say up to at least a pH of 3.9. This pH is more acidic than that acceptable by known pullulanases.
Given its biochemical properties, the pullulanase of the present invention allows the saccharification step to be carried out at relatively high temperatures, that is to say up to at least a temperature of 65 C.
The addition of the pullulanase of the present invention in the saccharification medium makes it possible to increase the glucose content in the final composition obtained and therefore to increase the yield of the reaction.
In addition, the addition of the pullulanase of the present invention to the saccharification medium makes it possible to reduce the duration of the saccharification.
The pullulanase of the present invention achieves a high starch conversion rate.
Furthermore, during the saccharification step, it is possible to replace a large part (at least 60%) of the glucoamylase, normally used, with the pullulanase of the present invention, and this without affecting the glucose yield. This replacement is particularly advantageous, in fact it makes it possible to significantly reduce the quantity of by-products usually obtained.
Glucoamylase being in small proportion, it is unable to catalyze the synthesis reaction of oligosaccharides (containing bonds <x-1.6) from glucose; under normal conditions, glucoamylase catalyzes this reverse reaction of oligosaccharide synthesis
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when high concentrations of dextrose are reached in the saccharification medium, which limits the conversion rate of starch.
In addition, the pullulanase of the present invention makes it possible to use a concentrated saccharification medium, that is to say a medium having a high content of liquefied starch. This is advantageous from an economic point of view, in fact this makes it possible to reduce the costs of evaporation.
The present invention also relates to enzyme compositions comprising the pullulanase according to the invention.
The compositions comprising the pullulanase of the present invention can be used in solid or liquid form.
Pullulanase is formulated according to the intended uses.
Stabilizers or preservatives can also be added to the enzyme compositions comprising the pullulanase according to the invention. For example, the pullulanase can be stabilized by the addition of propylene glycol, ethylene glycol, glycerol, starch, pullulan, a sugar such as glucose and sorbitol, a salt such as chloride sodium, calcium chloride, potassium sorbate and sodium benzoate or a mixture of two or more of these. Good results have been obtained with propylene glycol. Good results have been obtained with a mixture of starch, sodium benzoate and potassium sorbate.
The enzymatic compositions according to the invention can also comprise, in addition to the pullulanase, one or more other enzymes. Such enzymes are in particular carbohydrate hydrolases, such as, for example, glucoamylase, a-amylase, ss-amylase, oc-glucosidase, isoamylase, cyclomaltodextrin-glucotransferase, ss-glucanase, a-glucosidase, glucoseisomerase, saccharifying enzymes, enzymes that cut glucose links or a mixture of two or more of these.
The present invention preferably relates to an enzyme composition comprising a glucoamylase and a pullulanase.
FIG. 1 represents the restriction map of the plasmid
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pUBDEBRA1.
FIG. 2 represents the restriction map of the plasmid pLD1.
FIG. 3 represents the restriction map of the plasmid pUBCDEBRAllDNSI.
FIG. 4 (FIGS. 4a to 4f) represents the nucleotide sequence (SEQ ID NO: 10) coding for mature pullulanase, as well as its translation into amino acids (SEQ ID NO: 11).
FIG. 5 (FIGS. 5a to 5g) represents the nucleotide sequence (SEQ ID NO: 8) of the DNA fragment, from the BamHI site to the PstI site of the plasmid pUBCDEBRAll, as well as the translation into amino acids (SEQ ID N0 : 9) signal and mature sequences of pullulanase. Nucleotides which have not been determined with certainty have been represented by the symbol N.
The meaning of the symbols and abbreviations used in these figures is collated in the following table.
EMI16.1
<tb>
<tb>
Symbol <SEP> Meaning
<tb> Abbreviation
<tb> ORIEC <SEP> origin <SEP> from <SEP> replication <SEP> in <SEP> E. <SEP> coli
<tb> REP <SEP> protein <SEP> required <SEP> for <SEP> the <SEP> replication
<tb> ORI + <SEP> origin <SEP> from <SEP> replication <SEP> from <SEP> strand <SEP> +
<tb> ORI-origin <SEP> from <SEP> replication <SEP> from <SEP> brinKMR <SEP> gene <SEP> bringing <SEP> the <SEP> resistance <SEP> to <SEP> the <SEP> kanamycin
<tb> BLMR <SEP> gene <SEP> bringing <SEP> the <SEP> resistance <SEP> to <SEP> the <SEP> bleomycin
<tb> AMPR <SEP> gene <SEP> bringing <SEP> the <SEP> resistance <SEP> to <SEP> ampicillin
<tb> PP <SEP> pre-sequence
<tb> BLIAPR <SEP> sequence <SEP> encoding <SEP> for <SEP> the <SEP> protease <SEP> alkaline <SEP> from
<tb> B.
<SEP> licheniformis
<tb> 5'BLIAPR <SEP> sequence <SEP> 5'slocated <SEP> in <SEP> upstream <SEP> from <SEP> the <SEP> sequence <SEP> encoding
<tb> for <SEP> the <SEP> protease <SEP> alkaline <SEP> from <SEP> B. <SEP> licheniformis
<tb> 3'BLIAPR <SEP> sequence <SEP> 3'slocated <SEP> in <SEP> downstream <SEP> from <SEP> the <SEP> sequence <SEP> encoding
<tb> for <SEP> the <SEP> protease <SEP> alkaline <SEP> from <SEP> B. <SEP> licheniformis
<tb> BDEPUL <SEP> sequence <SEP> encoding <SEP> for <SEP> the <SEP> pullulanase <SEP> from
<tb> B. <SEP> deramificans
<tb>
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The present invention is illustrated by the following examples.
Example 1 Isolation and Characterization of the Bacillus Deramificans Strain
The strain of Bacillus deramificans T89.117D was isolated from the soil on an agar nutrient medium and selected for its capacity to degrade a colored derivative of pullulan known under the name of AZCL-pullulane and sold by the company MEGAZYME.
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This strain was cultured at 37 ° C. in the MYE growth medium, the composition of which is as follows: KHZP04 33 mM; KHPOHO 6 mM; (NHSO 45 mM; MgClHO 1 mM; CaCl2. 2H20 1 mM; Yeast extract 0, 5% (weight / volume); Glucose 0, 5 X (weight / volume). The pH of the medium is adjusted to pH 4.5 with H3PO4.
The agar medium (MYE / agar) contains 2% (weight / volume) more agar.
The strain of the present invention has been identified by its biochemical characteristics: Gram positive, aerobic bacteria which is in the form of rod, it forms an endospore. It therefore belongs to the genus Bacillus.
The vegetative cells of this strain in culture on the
EMI17.2
MYE medium at 37 C have a bacillus size of 0.7 x 3.0, 3.5-3 µm. The mobility of vegetative cells is low.
After growth for three days at 37 oC on the MYE medium, microscopic observation reveals the presence of (sub) terminal sporangia slightly deformed and in the shape of an ellipse.
The catalase test is weakly positive in the presence of 10% hydrogen peroxide. The oxidase test is positive in the presence of 1% tetramethyl-1,4-phenylene-diammoniumdichloride.
This strain is aerobic, that is to say it develops aerobically. It does not develop anaerobically, i.e. under an atmosphere of 84% (v / v) N2, 8% (v / v) C02, 8 X (v / v) H2 at 37 oC, on the other hand develops in
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microanaerobiosis, i.e. under an atmosphere of 82.5% (v / v) N2, 6 X (v / v) 02, 7.5 X (v / v) H2, 4 X (v / v ) C02 to 37 C. The abbreviation% (v / v) represents a percentage expressed in volume by volume.
This strain is not thermophilic. It presents a development
EMI18.2
normal development after incubation in MYE medium at 20 C, 30 C, 37 C and 45 C, on the other hand it does not develop at 50 C and 55 C. It exhibits normal development after incubation in MYE medium buffered with phosphate buffer at pH following pH 4.0, pH 4.5, pH 5.0 and pH 5.5, however it does not develop at pH 7.0. It presents a normal development after incubation in MYE medium in the presence of NaCl at concentrations of 2.0 X (w / v) and 3.5% (w / v), presents a weak development in the presence of 5.0 X (w / v) NaCl and does not grow in the presence of 7.0 X (w / v) NaCl. The abbreviation% (w / v) represents a percentage expressed by weight per volume.
This strain does not hydrolyze casein: indeed no lysis zone could be observed after more than 2 weeks of incubation at 37 C. It decomposes tyrosine weakly, does not produce acetoin from pyruvate and does not reduce nitrate to nitrite or N2 '
The strain of Bacillus deramificans T89.117D according to the invention is taxonomically different from the strain of Bacillus acidopullulyticus described in European patent 0 063 909 and of the strain of Bacillus naganoensis described in US patent 5,055,403. The strain of Bacillus deramificans T89.117D shows growth at pH 4.7 to 5.5, shows no growth at pH 7.0, develops in the presence of 3.5% (w / v) NaCl, breaks down tyrosine and does not reduce nitrate to nitrite.
The strain of Bacillus deramificans T89.117D was deposited in the collection named BELGIAN COORDINATED COLLECTIONS 0F MICRORGANISMS (LMG culture collection) under the number LMG P-13056.
Example 2 Preparation of Pullulanase
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The strain of Bacillus deramificans T89.117D is cultured in a liquid medium (MYA) whose composition is identical to that of MYE medium with the exception of the content of yeast extract and glucose replaced by starch, that is to say: Yeast extract 2.5% (w / v) Potato starch 2.5 X (w / v).
The culture is carried out with stirring, with effective aeration, at a temperature of 37 C.
After 68 hours of culture, the pullulanase and the cell biomass are separated by centrifugation (5000 revolutions per minute for 30 minutes, BECKMAN JA-10). The pullulanase produced by the Bacillus deramificans T89.117D strain is extracellular.
Then the pullulanase is concentrated by ultrafiltration (AMICON S10 Y10 membrane), in order to obtain a concentrated aqueous solution of pullulanase.
The enzymatic activity of the solution obtained is measured.
A pullulanase enzymatic unit (PUN) is defined as the quantity of enzyme which, at a pH of 4.5, at a temperature of 60 OC and in the presence of pullulan, catalyzes the release of reducing sugars at the rate of 1 μM glucose equivalent per minute.
The measurement of the pullulanase enzymatic activity is carried out according to the following protocol. 1 ml of a 1 × pullulan solution in 50 mM acetate buffer at pH 4.5 is incubated at 60 ° C. for 10 minutes. 0.1 ml of a pullulanase solution corresponding to an activity between 0.2 and 1 PUN / ml is added thereto. The reaction is stopped after 15 minutes by adding 0.4 ml of 0.5 M NaOH. The determination of the reducing sugars released is done by the method of SOMOGYI-NELSON [J. Biol. Chem., 153 (1944) p. 375-380; J. Biol. Chem., 160 (1945), p. 61-68], and as in the other examples of this request.
A second method is used to perform the pullulanase assays. The enzymatic reaction in the presence of pullulan is carried out according to the conditions of the test, then is stopped by the addition of sulfuric acid (0.1 N). Products
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hydrolysis of the pullulan are then subjected to HPLC chromatography (HPX-87H column of BIO-RAD; the mobile phase consists of 10 mM H 2 SO 4) in order to separate the different constituents. The amount of maltotriose formed is estimated by measuring the area of the peak obtained.
The so-called debranching activity, that is to say the hydrolysis of the glucosidic bonds a-1, 6 present in amylopectin, can be quantified by the increase in the blue coloring caused, in the presence of iodine, by the release of amylose from amylopectin.
The measurement of the disconnecting enzymatic activity is carried out according to the following protocol. 0.4 ml of a solution
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of 1% amylopectin containing a 50 mM acetate buffer at pH 4.5 is incubated at 60 ° C. for 10 minutes. The reaction is started by the addition of 0.2 ml of pullulanase and it is stopped after 30 minutes by the addition of 0.4 ml of 0.3 M HCl 0.8 ml of an iodine solution at 0 0.0025% (v / v) is then added to 0.2 ml of this reaction mixture and the optical density is measured at 565 nm.
In order to purify the pullulanase, the concentrated aqueous pullulanase solution is diafiltered with 6 times 500 ml of an aqueous NaCl solution at 9 g / l and the pH of the aqueous solution thus obtained is adjusted to pH 3.5 by addition of 25% HCl (v / v) at room temperature. Diafiltration consists in mixing the pullulanase solution with the NaCl solution, then in ultrafiltering the solution obtained.
The precipitate obtained is eliminated by centrifugation (5000 revolutions per minute for 30 minutes, BECKMAN JA-10), the centrifugation supernatant is recovered. The pH of this supernatant is adjusted to pH 6.0 by addition of 5 M NaOH. The precipitate obtained is removed by centrifugation.
The centrifugation supernatant is recovered, which is heated to 55 ° C. for 15 minutes.
The precipitate formed is again removed by centrifugation (5000 revolutions per minute for 30 minutes, BECKMAN JA-10). The centrifugation supernatant is recovered.
<Desc / Clms Page number 21>
EMI21.1
Acetone is added to this supernatant to a final concentration of 60 X (v / v), the suspension formed is brought to 4 ° C. for 2 hours. The precipitate formed at 4 ° C. is dissolved in a MES buffer (2 (N-morpholino) ethanesulfonic acid) 20 mM, CaCl 2 1 mM (pH 6.0). This pullulanase solution is called solution A.
This solution A is again concentrated by ion exchange chromatography in order to purify it. A column of about
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20 ml of internal volume, sold under the brand
EMI21.3
S-SEPHAR0SEHP HI LOAD 16/10, is previously balanced by
EMI21.4
50 mM CH3COONa buffer, 100 mM NaCl (pH 4.0) at a flow rate of 5 ml / minute. Solution A is diluted 10 times in the acetate buffer and 15 ml of this diluted solution are deposited on the column. An isocratic phase is ensured by elution of 80 ml of acetate buffer (100 mM NaCl), followed by elution with 200 ml of 50 mM acetate buffer (pH = 4.0) containing a linear NaCl gradient (100-500 mM ).
The pullulanase activity is measured in each fraction.
The most active fractions are combined into a solution called B (12 ml containing 0.025 mg / ml of protein and having a pululanase activity of 0.7 PUN / ml).
From this solution B, precipitation is carried out with acetone at a final concentration of 80% (v / v). The precipitate obtained is dissolved in a volume of 0.6 ml of 20 mM MES buffer, 1 mM CaCl 2 (pH 6.0).
This pullulanase solution is called solution C.
Solution C has a protein content of 0.4 mg / ml, an enzymatic activity of 12 PUN / ml and a specific activity of 30 PUN / mg.
The results are collated in Table 1.
<Desc / Clms Page number 22>
TABLE 1
EMI22.1
<tb>
<tb> Fractions <SEP> Volume <SEP> Proteins <SEP> Activity <SEP> pullulanase <SEP> Activity
<tb> specific
<tb> ml <SEP> mg / ml <SEP> Total <SEP>% <SEP> PUN / ml <SEP> Total <SEP>% <SEP> PUN / mg
<tb> Solution <SEP> A <SEP> 1.5 <SEP> 6.48 <SEP> 9.7 <SEP> 100 <SEP> 17.5 <SEP> 26.3 <SEP> 100 <SEP> 2.7
<tb> Solution <SEP> B <SEP> 12 <SEP> 0.025 <SEP> 0.3 <SEP> 3 <SEP> 0.7 <SEP> 8.4 <SEP> 32 <SEP> 28
<tb>
Table 1 shows that this purification step increased by a factor of 10 the specific pullulanase activity of the enzyme solution.
The debranching activity, that is to say the hydrolysis activity of the alpha-1,6 bonds in amylopectin, of pullulanase was also measured as described above, by iodine staining after hydrolysis of amylopectin. The results show that the unplugging activity has also been enriched.
Example 3 Determination of the molecular weight
Is carried out on solution C, as obtained in Example 2, a precipitation using trichloroacetic acid (10% (v / v) final). The precipitate obtained is taken up in a buffer composed of 10 mM TRIS / HCl (pH = 8.0), lmM EDTA, 2.5% (w / v) SDS (sodium dodecyl sulfate), 5 X (v / v) P -mercaptoethanol and 0.01% (w / v) bromophenol blue.
4 μl of the precipitate taken up in the buffer are deposited on a polyacrylamide gel. The gel system used is the PHASTS7STEM system from PHARMACIA LKB BIOTECHNOLOGY, with gels containing a polyacrylamide gradient of 10-15% (v / v) in the presence of SDS. The electrophoresis conditions are those prescribed by the supplier. Coomassie blue staining of the gel reveals a polypeptide with a molecular weight of approximately 105 KDaltons, which is the major component of solution C.
This is confirmed by the estimate made from the
<Desc / Clms Page number 23>
amino acid sequence of the mature form of pullulanase (without the signal sequence), as described in Example 4, a molecular weight of 102 KDaltons is deduced by calculation.
Example 4 1. Determination of the N-terminal sequence
From the gel described in Example 3, the N-terminal sequence of pullulanase is identified by following the technique described by Bauw et al., (1987), Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 84, p. 4806-4810.
This sequence (SEQ ID NO: 1), thus determined, is as follows in the amino-carboxy direction and from left to right: Asp Gly Asn Thr Thr Thr Ile Ile Val His Tyr Phe Cys Pro Ala Gly Asp Tyr Gln Pro 2. Determination of the amino acid sequence of pullulanase
The nucleotide sequence (SEQ ID NO: 8) of the BamHI-PstI fragment of approximately 4.5 Kb of the plasmid pUBCDEBRA11, containing the gene coding for pullulanase, as obtained in example 21, was determined by the method chain termination using dideoxy-nucleotides, from SANGER et al. (1977) Proc. Natl.
Acad. Sci. USA 74, p. 5463-5467.
The synthetic oligonucleotides used to initiate the elongation reactions with T7 DNA polymerase were synthesized by the method of BEAUCAGE et al. (1981) Tetrahedron letters 22: 1859-1882. The sequencing was carried out according to the protocol given by the supplier of the sequencing kit (PHARMACIA), by proceeding to denaturation of the double-stranded DNA by treatment with NaOH.
The sequencing strategy is described by SAMBROOK, 1989, p 13.15 and 13.17. The polyacrylamide gels for sequencing were carried out according to the technique described by SAMBROOK,
1989, p 13. 45-13. 58.
The nucleotide sequence (SEQ ID NO: 8) of the DNA fragment, from the BamHI site to the PstI site of pUBCDEBRA11, as well as the translation into amino acids (SEQ ID NO: 9) of the signal sequences
<Desc / Clms Page number 24>
and mature pullulanase, was identified (Figure 5). Nucleotides which have not been determined with certainty have been represented by the symbol N.
Analysis of this sequence shows the presence of an open reading phase which codes for pullulanase. The nucleotide sequence coding for the mature pullulanase is identified (SEQ ID NO: 10). The amino acid sequence of the mature pullulanase is thus deduced (SEQ ID NO: 11), by translation of this open reading phase. FIG. 4 represents the nucleotide sequence coding for mature pullulanase as well as its translation into amino acids.
It is verified that the N-terminal sequence, determined experimentally from the protein as described above, corresponds to that translated from the DNA sequence.
This shows that pullulanase is synthesized in the form of a precursor containing an additional sequence of 29 amino acids (presequence). This sequence of 29 amino acids is identified (SEQ ID NO: 12), as well as the corresponding nucleotide sequence (SEQ ID NO: 13). This additional sequence shows the typical characteristics of a secretory signal sequence which is eliminated during the export of the enzyme towards the outside of the cell (Freudl, (1992), Journal of Biotechnology, 23, p. 231- 240).
This sequence of 29 amino acids is as follows:
ATG GCT AAA AAA CTA ATT TAT GTG TGT
Met Ala Lys Lys Leu Ile Tyr Val Cys - 25 TTA AGT GTT TGT TTA GTG TTG ACC TGG GCT TTT AAT GTA Leu Ser Val Cys Leu Val Leu Thr Trp Ala Phe Asn Val - 20-15-10 AAA GGG CAA TCT GCT CAT GCT Lys Gly Gln Ser Ala His Ala - 5-1
<Desc / Clms Page number 25>
EXAMPLE 5 Distribution in Amino Acids
The amino acid distribution of mature pullulanase, determined from the amino acid sequence of pullulanase (Example 4), is summarized in Table 2.
TABLE 2
EMI25.1
<tb>
<tb> x
<tb> Symbol <SEP> Acids <SEP> amines <SEP> Number <SEP> (in <SEP> weight
<tb> molecular)
<tb> D <SEP> acid <SEP> aspartic <SEP> 75 <SEP> 8.5
<tb> N <SEP> asparagine <SEP> 69 <SEP> 7.7
<tb> V <SEP> valine <SEP> 72 <SEP> 7.0
<tb> T <SEP> threonine <SEP> 70 <SEP> 6.9
<tb> Y <SEP> tyrosine <SEP> 42 <SEP> 6.7
<tb> L <SEP> leucine <SEP> 60 <SEP> 6.7
<tb> K <SEP> lysine <SEP> 48 <SEP> 6.0
<tb> S <SEP> serine <SEP> 64 <SEP> 5.5
<tb> l <SEP> isoleucine <SEP> 47 <SEP> 5.2
<tb> E <SEP> acid Glutamic <SEP> <SEP> 40 <SEP> 5.1
<tb> Q <SEP> glutamine <SEP> 39 <SEP> 4.9
<tb> A <SEP> alanine <SEP> 69 <SEP> 4.8
<tb> p <SEP> proline <SEP> 46 <SEP> 4.4
<tb> G <SEP> wisteria <SEP> 75 <SEP> 4.2
<tb> F <SEP> phenylalanine <SEP> 27 <SEP> 3.9
<tb> W <SEP> tryptophan <SEP> 18 <SEP> 3.3
<tb> M <SEP> methionine <SEP> 23 <SEP> 3,
0
<tb> H <SEP> histidine <SEP> 22 <SEP> 3, <SEP> 0
<tb> R <SEP> arginine <SEP> 18 <SEP> 2, <SEP> 8
<tb> X <SEP> unknown <SEP> 3 <SEP> 0.3
<tb> C <SEP> cysteine <SEP> 1 <SEP> 0.1
<tb>
Example 6 Determination of the isoelectric point
We carry out on solution C, as obtained in the example
<Desc / Clms Page number 26>
2, an electrophoresis IEF (iso electro focusing) in a pH gradient varying from 4.0 to 6.5.
A volume corresponding to 0.12 units of pullulanase is deposited in triplicate on the gel. After migration, one third of the gel is stained with Coomassie blue.
The other two parts of the gel are covered with agar gels (1% w / v) buffered with 100 mM CH3COONa, 1 mM CaCl2, 1 mM MgCl2 (pH 4.5) containing 0.1% (w / v respectively). ) AZCL-pullulan or 1% (w / v) amylopectin.
The whole (acrylamide gel-agar gel) thus obtained is then incubated at 60 ° C. in a saturated atmosphere in relative humidity for 16 hours. The gel coated with the amylopectin overlay is then incubated at room temperature in a solution containing 3 mM 12'50 mM KI in order to reveal the unplugging activity by the appearance of the blue coloration.
The revelation with iodine of the amylopectin gel reveals a dark blue halo, sign of an unplugging activity, at an isoelectric point ranging between approximately 4.1 and approximately 4.5 for the enzyme of the present invention. The revelation of pullulanase activity indicates the same result.
This demonstrates that the pullulanase of the present invention exhibits pullulanase activity and debranching activity.
This demonstrates that the pullulanase of the present invention is capable of hydrolyzing the a-1, 6 type bonds, both in pullulan and in amylopectin. This demonstrates a low specificity of the pullulanase of the present invention vis-à-vis its substrate.
This is confirmed by the estimation made from the amino acid sequence of the mature form of pullulanase (without the signal sequence), as described in Example 4, an isoelectric point of 4.5 is calculated.
Example 7 Activity Profile as a Function of the pH and of the Temperature for the Pullulanase Produced by the Natural Strain (Bacillus deramificans)
The enzymatic activity of pullulanase is measured at
<Desc / Clms Page number 27>
different temperatures (55.60 and 65 C) and at different pH (3.25 to 7) in 50 mM citrate-phosphate buffer by measuring the reducing sugars released. Solution C of pullulanase is used, as obtained in Example 2, diluted to approximately 1 PUN / ml.
The results are collated in Table 3.
During this test, the maximum enzymatic activity was measured, by measuring the reducing sugars released, for the sample placed at a pH of approximately 4.3 and at a temperature of approximately 60 C for 15 minutes. By definition, therefore, a relative enzyme activity of 100% was assigned to this sample.
This example shows that the pullulanase according to the invention has an optimal enzymatic activity measured at a temperature of around 60 ° C. in a pH range between 4.0 and 4.8.
This example also shows that the pullulanase according to the invention has an optimal enzymatic activity, measured at a pH of about 4.3, in a temperature range between 55 and 65 C.
In addition, this example shows that the pullulanase according to the invention develops an enzymatic activity of more than 80% of the maximum enzymatic activity in a pH range of between approximately 3.8 and approximately 4.9.
<Desc / Clms Page number 28>
TABLE 3
EMI28.1
<tb>
<tb> Activity <SEP> relative <SEP> from <SEP> the enzyme <SEP>%
<tb> pH <SEP> Temperature <SEP> OC
<tb> 55 <SEP> 60 <SEP> 65
<tb> 3.25 <SEP> 5.7 <SEP> 2.2 <SEP> 4.3
<tb> 3.75 <SEP> 80.8 <SEP> 83.7 <SEP> 11.5
<tb> 4.30 <SEP> 87.9 <SEP> 100 <SEP> 84.1
<tb> 4.90 <SEP> 82.4 <SEP> 87.1 <SEP> 68
<tb> 5.50 <SEP> 50.6 <SEP> 39.6 <SEP> 13.5
<tb> 6, <SEP> 00 <SEP> 7.5 <SEP> 2.9 <SEP> 0
<tb> 6.40 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0
<tb>
EXAMPLE 8 Stability with respect to the pH of the Pullulanase Produced by the Natural Strain (Bacillus deramificans)
The solution A of the pullulanase is diluted, as obtained in Example 2,
so that it develops an enzymatic activity of about 0.7 PUN / ml, in different 100 mM citratephosphate buffers at pH variants between pH 3.0 and 7.0. The various dilute solutions containing the pullulanase are incubated for 60 minutes at 60 C.
Then the enzymatic activity of these different solutions is measured after incubation for 60 minutes at pH 4.2 to 60 OC in the presence of 1.6% (weight / volume) of pullulan. The amount of maltotriose formed is measured by HPLC chromatography (as described in Example 2). The results are collated in Table 4.
During this test, the maximum enzymatic activity was measured, for the sample placed at a pH of approximately 4.5 and at a temperature of approximately 60 C. By definition, therefore, this sample was assigned an enzymatic activity 100% relative.
This example shows that the pullulanase according to the invention is
<Desc / Clms Page number 29>
EMI29.1
stable in a wide range of acid pH, in fact it has a relative enzymatic activity of at least 85% measured after an incubation of 60 minutes at a temperature of around 60 C in the absence of substrate and in a pH range between about 3.5 and about 5.8. This example also shows that it has a relative enzymatic activity greater than 90% measured in a pH range of between approximately 3.8 and approximately 5 under these same conditions and that it is inactivated only at a lower pH or equal to 3 or greater than or equal to 7.
TABLE 4
EMI29.2
<tb>
<tb> pH <SEP> Activity <SEP> relative <SEP> X
<tb> 3 <SEP> 0
<tb> 3.5 <SEP> 90
<tb> 4 <SEP> 98
<tb> 4.5 <SEP> 100
<tb> 5 <SEP> 96
<tb> 5.5 <SEP> 92
<tb> 6 <SEP> 89
<tb> 6.5 <SEP> 75
<tb> 7 <SEP> 0
<tb>
Example 9 Determination of the half-life of the pullulanase produced by the natural strain (Bacillus deramificans) 0n the solution C of the pullulanase, as obtained in example 2, so that it develops an enzymatic activity d '' about 0.7 PUN / ml in 100 mM sodium acetate buffer at pH 4.5. The diluted solution containing the pullulanase is incubated at 60 ° C. and samples are taken at different times.
A measurement of the enzymatic activity by the method of reducing sugars (SOMOGYI method described above) is then carried out.
During this test the maximum enzymatic activity was
<Desc / Clms Page number 30>
measured for the sample at time 0. By definition, this sample was therefore assigned a relative enzymatic activity of 100%.
The results are collated in Table 5.
TABLE 5
EMI30.1
<tb>
<tb> Time <SEP> Activity <SEP> relative
<tb> hours <SEP>%
<tb> 0 <SEP> 100
<tb> 16 <SEP> 76
<tb> 24 <SEP> 74
<tb> 40 <SEP> 57
<tb> 48 <SEP> 54
<tb> 64 <SEP> 47
<tb>
This example shows that pullulanase is thermostable at acidic pH.
This example shows that the half-life of pullulanase is approximately 55 hours under these conditions. Indeed, pullulanase has a relative enzymatic activity of at least 50% measured after an incubation of 55 hours at a temperature of approximately 60 C in a buffered solution at a pH of approximately 4.5 and in the absence of substrate .
This example further shows that the pullulanase according to the invention has a relative enzymatic activity of at least 55% measured after an incubation of 40 hours at a temperature of approximately 60 ° C. in a solution buffered at a pH of approximately 4, 5 and in the absence of substrate. This example also shows
EMI30.2
that it has a relative enzymatic activity of at least 70% measured after an incubation of 24 hours under these same conditions.
Example 10 and example llR (comparison) Saccharification
A saccharification medium is prepared by suspending corn starch at a concentration of 35%
<Desc / Clms Page number 31>
(weight / weight) by weight of dry matter of starch and calcium chloride at a concentration of 0.02 X (weight / volume).
EMI31.1
This suspension of corn starch is liquefied in the presence
EMI31.2
of a-amylase, sold under the brand TAKATHERM (jL-340 by
EMI31.3
SOLVAY ENZYMES, at 105 ° C for 5 minutes at pH 6.0.
The liquefied starch thus obtained is rapidly cooled to a temperature of 95 ° C. and the hydrolysis is continued for 120 minutes at 95 ° C. with stirring. At this stage the degree of hydrolysis is between 10 and 12 DE (DE represents the unit of "Dextrose Equivalents", that is to say the number of reducing ends expressed in glucose equivalent).
The liquefied starch thus obtained is diluted to a final concentration of 32 g of dry weight per 100 g of saccharification medium.
The saccharification medium obtained is cooled to a temperature of 60 C.
The pH of this saccharification medium is adjusted to different values with acetic acid, from 3.9 to 4.8 and is kept constant during saccharification.
A quantity of glucoamylase corresponding to 0.176 DU / g is added to the saccharification medium. ds. (glucoamylase enzyme unit per g of dry matter in the saccharification medium), the glucoamylase used is sold under the brand DIAZYME L-200 by SOLVAY ENZYMES.
For example 10 according to the invention, a quantity of pullulanase is also added to the saccharification medium, corresponding to 0.075 PUN / g. ds., in the form of a concentrated aqueous solution of pullulanase (solution A), as described in Example 2.
Comparative Example 11R is carried out, as described above for Example 10, but without the addition of pullulanase.
After 48 hours, the saccharification is stopped and the products obtained are analyzed by chromatography (as described in Example 2).
The results are collated in Table 6.
This example shows that the pullulanase of the invention is
<Desc / Clms Page number 32>
effective in saccharification. The pullulanase of the invention therefore has all the suitable properties compatible with the real industrial conditions for starch saccharification.
This example shows that the conversion rate of starch is higher in the presence of the pullulanase according to the invention, at different pHs, and this up to a very acidic pH, that is to say at least 3.9 .
TABLE 6
EMI32.1
<tb>
<tb> pH <SEP> Examples <SEP> Products <SEP> obtained <SEP> in <SEP>%
<tb> Glucose <SEP> DP2 <SEP> DP3 <SEP>> <SEP> DP3
<tb> 3.9 <SEP> llR <SEP> 94.18 <SEP> 2.92 <SEP> 0.54 <SEP> 2.37
<tb> 10 <SEP> 95, <SEP> 63 <SEP> 2.90 <SEP> 0.73 <SEP> 0.73
<tb> 4.2 <SEP> llR <SEP> 94, <SEP> 18 <SEP> 2.98 <SEP> 0.56 <SEP> 2.29
<tb> 10 <SEP> 94.79 <SEP> 4.30 <SEP> 0.56 <SEP> 0.38
<tb> 4.5 <SEP> llR <SEP> 93.72 <SEP> 2.88 <SEP> 0.57 <SEP> 2.83
<tb> 10 <SEP> 95.49 <SEP> 3.00 <SEP> 0.75 <SEP> 0.76
<tb> 4.8 <SEP> llR <SEP> 93, <SEP> 32 <SEP> 2.79 <SEP> 0.60 <SEP> 3.30
<tb> 10 <SEP> 95.25 <SEP> 2.70 <SEP> 0.87 <SEP> 1.18
<tb>
DP2 represents the oligosaccharides containing two glucose units (glucose dimer), DP3 the oligosaccharides containing three glucose units (glucose trimer),> DP3 the oligosaccharides containing more than 3 glucose units.
Example 12 and example 13R (comparison) Saccharification
Example 10 is repeated, but setting the pH of saccharification medium to a pH of 4.2.
A quantity of glucoamylase corresponding to 0.17 DU / g is added to the saccharification medium. ds. (enzymatic unit per g of dry matter of saccharification medium), the
<Desc / Clms Page number 33>
Glucoamylase used is sold under the brand name DIAZYME L-200 by SOLVAY ENZYMES.
For example 12 according to the invention, various amounts of pullulanase are also added to the saccharification medium, corresponding respectively to 0.0325 PUN / g. ds., 0.050 PUN / g. ds., 0.075 PUN / g. ds. and 0.10 PUN / g. ds. (pullulanase enzymatic unit per gram of dry matter of saccharification medium), in the form of a concentrated aqueous solution of pullulanase (solution A), as described in Example 2.
Comparative Example 13R is carried out, as described above for Example 12, but without the addition of pullulanase.
The results are collated in Table 7.
This example shows that the amount of pullulanase that must be used to observe an increase in the percentage of glucose produced is less than 0.0325 PUN / g. ds.
TABLE 7
EMI33.1
<tb>
<tb> Examples <SEP> Pullulanase <SEP> Products <SEP> obtained <SEP> in <SEP>%
<tb> PUN / g. <SEP> ds.
<tb>
Glucose <SEP> DP2 <SEP> DP3 <SEP>> DP3
<tb> 13R <SEP> 0 <SEP> 94.78 <SEP> 3.55 <SEP> 0.73 <SEP> 0.94
<tb> 12 <SEP> 0.0325 <SEP> 95.16 <SEP> 3.45 <SEP> 0.78 <SEP> 0.61
<tb> 0.050 <SEP> 95.30 <SEP> 3.39 <SEP> 0.74 <SEP> 0.56
<tb> 0.075 <SEP> 95.25 <SEP> 3.47 <SEP> 0.74 <SEP> 0.55
<tb> 0.10 <SEP> 95.27 <SEP> 3.49 <SEP> 0.70 <SEP> 0.53
<tb>
Example 14 Construction of the plasmid pUBDEBRA1
EMI33.2
The plasmid pUBDEBRA1 (FIG. 1) contains the gene which codes for the pullulanase of the strain of Bacillus deramificans T 89.117D under the control of its own transcription promoter, introduced into the vector pUB131. The construction of the plasmid pUBDEBRA1 is described below.
Chromosomal DNA is extracted and purified from a
<Desc / Clms Page number 34>
culture of the strain of Bacillus deramificans T 89.117D (identified under the number LMG P-13056).
To do this, a culture of 200 ml of this bacillus is carried out in a MYE liquid medium (example 1).
When this culture is carried out and it is in the stationary phase, it is centrifuged (BECKMAN JA-10 rotor) at 5000 rpm for 10 minutes. The centrifugation pellet thus obtained is taken up in 9 ml of TRIS-CL buffer (tris (hydroxymethyl) aminomethane acidified with HCl) 0.1 M, at a pH of 8, EDTA (ethylenediaminetetraacetic acid)
EMI34.1
0.1 M, 0.15 NaCl containing 18 mg of lysozyme, the suspension thus obtained is incubated for 15 minutes at 37 C.
The lysate thus obtained is then treated with 200 μl of a 10 mg / ml RNAse solution for 20 minutes at 50 C. 1 ml of a 10% SDS (sodium dodecyl sulfate) solution is then added to this lysate . Then this lysate is incubated for 30 minutes at 70 C.
Then the lysate is cooled to approximately 45 ° C., 0.5 ml of a proteinase K solution at 20 mg / ml is then added thereto (prepared immediately).
The lysate is incubated at 45 ° C. with manual shaking until a transparent solution is obtained.
Several phenol extractions are carried out from this transparent solution under the conditions and following the procedures described in Molecular Cloning-a laboratory manual-SAMBROOK, FRITSCH, MANIATIS-second edition, 1989, on page E. 3, up to obtaining a clean interface, as described there.
The DNA is precipitated with 20 ml of ethanol. The precipitate is recovered by centrifugation at 5000 revolutions per minute for 5 minutes, then suspended in 2 ml of TE buffer at pH 8.0 (10 mM TRIS-HCl, 1 mM EDTA at pH 8.0).
The DNA thus obtained is then partially cleaved by the restriction enzyme Sau3AI. The restriction conditions in this example, and in all the other examples of this application, are those described by SAMBROOK et al.
<Desc / Clms Page number 35>
(pages 5.28-5.32), except that these restriction conditions are increased by a factor of 10, in order to obtain a sufficient quantity of DNA for the following purification steps.
The ratio between the quantity of DNA used and the quantity of enzyme is adjusted in order to obtain a maximum of fragments of size between 5 and 10 kbp (kbp: 103 base pairs).
All the fragments thus obtained are then subjected to an agarose gel electrophoresis (0.8%) as described by SAMBROOK et al (page 6.01-6. 19) and the fragments of size between 5 and 10 kbp are isolated and purified by the GENE CLEAN method. They are then ligated with the plasmid pBR322 which is sold by the company BIOLABS, [CLONTECH LABORATORIES (USA) catalog no 6210-1] cut at the BamHI site and dephosphorylated as described by SAMBROOK et al (page 1.60-1. 61) . This same technique is used in the other examples.
The ligation thus obtained is transformed into E. coli MC1061 cells [CLONTECH LABORATORIES, catalog no C-1070-1] by electroporation (SAMBROOK et al, page 1.75-1. 81); the transformed strains are selected on a Petri dish containing LB medium (Luria-Bertani) agar and 100 μg / ml of ampicillin, after growth at 37 ° C. for approximately 18 hours. The LB medium is described by SAMBROOK et al (page A. 4). This medium contains 10 g / l of tryptone, 5 g / l of yeast extract and 10 g / l of sodium chloride.
The colonies obtained on these dishes are then replicated on two dishes of the same medium.
One of the two dishes is covered with an agar medium containing 1 × (w / v) of agar, 100 mM of sodium acetate (pH 4.5) and 0.1 × (w / v) of AZCL- pullulan. After incubation at 60 ° C. for 18 hours, the colony showing the most significant zone of hydrolysis of AZCLpullulane is identified, and the corresponding colony is isolated on the other replicated dish.
A strain is thus obtained from which the plasmid which is called pBRDEBRA3 is extracted. The EcoRI-BamHI fragment of approximately 4.6 Kbp of the plasmid pBRDEBRA3 is obtained by a double digestion of the
<Desc / Clms Page number 36>
plasmid pBRDEBRA3 with BamHI and EcoRI, then purification by agarose gel electrophoresis (0.8% w / v). This fragment is then ligated with the vector pUB131, (described in European patent application 0 415 296), which has previously been the subject of a double digestion with BamHI and EcoRI, at the BamHI and EcoRI sites, using the strain of Bacillus subtilis PSL1 as host.
The strain of Bacillus subtilis PSL1 can be obtained from the B. G. S. C. collection under the number 1A510 (BACILLUS GENETIC STOCK CENTER, Ohio State University, United States).
The plasmid pUBDEBRA1, thus obtained, is isolated and purified from the transformed PSL1 cells by the technique of alkaline lysis (SAMBROOK et al, pages 1.25-1. 28). This same technique is used in the other examples.
All transformed Bacillus subtilis strains are capable of expressing the pullulanase gene and secreting pullulanase.
The transformed PSL1 strains containing the plasmid pUBDEBRA1 are subcultured on a Petri dish containing the LB medium with 25 μg / ml of kanamycin.
The colonies obtained are covered with an agarose overlay (1% weight / volume) containing AZCL-pullulan (0.1 X weight / volume) and sodium acetate (100 mM, pH 4.5 ).
After an incubation at 60 ° C. for 18 hours, it is observed that all the colonies of the transformed strains are surrounded by a hydrolysis halo of AZCL-pullulan.
Example 15 Preparation of the strain of Bacillus licheniformis SE2 delapl.
Identification of the terminal parts of the alkaline protease gene of the host strain of Bacillus licheniformis SE2.
This example relates to the identification of the terminal parts of the alkaline protease gene of the Bacillus licheniformis host strain, in order to prepare the deletion plasmid to delete said Bacillus licheniformis SE2 gene.
1. Extraction of chromosomal DNA from
B. lichenformis SE2.
<Desc / Clms Page number 37>
In order to isolate the alkaline protease gene from the chromosomal DNA of Bacillus licheniformis SE2, the chromosomal DNA is first extracted, using the method described in Example 14 for the extraction of the chromosomal DNA , with the exception of the culture medium consisting of LB medium, and it is purified.
2. Identification of the C-terminal part of the alkaline protease gene.
The extracted chromosomal DNA is subjected to a restriction analysis, analysis described in Molecular Cloning-SAMBROOK et al. (page 1.85) and Molecular Cloning, a laboratory Manual.
MANIATIS et al, 1982 Cold Spring Harbor Laboratory, pages 374-379). The DNA fragments obtained from these digests are separated according to their size on an agarose gel at 0.8 X (weight / volume).
The agarose gel is then subjected to an analysis by the SOUTHERN BLOT technique (technique described by SAMBROOK et al - page 9.31), in order to identify the fragments which contain the nucleotide sequences of the C-terminal part of the gene alkaline protease.
The constructed probe which is used for the hybridizations is a synthetic oligonucleotide corresponding to the C-terminal part of the alkaline protease gene. The technique used to construct the synthetic oligonucleotide is described in BEAUCAGE, S. L. et al. (1981), Tetrahedron Letters, 22: 1859-1882 and using $ -cyanoethyl phosphoramidites in a BIOSEARCH CYCLONE SYNTHESIZER apparatus. The sequence of the synthetic oligonucleotide which has been constructed is as follows (SEQ ID N0: 2):
5'-GGCGGAGCAAGCTTTGTGG-3 '
These results show that the C-terminal part of the alkaline protease gene is located on the PstI fragment of approximately 2.7 kbp.
Hybridization with DNA probes is carried out according to the technique described in Molecular Cloning-SAMBROOK et al.- page 9.52-9. 55. This same technique is used in
<Desc / Clms Page number 38>
other examples.
The preparation of chromosomal DNA extracted from the strain of Bacillus licheniformis SE2 is then digested with the enzyme PstI and the fragments obtained are separated according to their size by agarose gel electrophoresis (0.8%).
The PstI fragments obtained of approximately 2.7 kbp are extracted from the gels and purified by the technique called "GENE CLEAN" using glass beads and placed on the market by the company BI0101 (U. S. A.).
The 2.7 kbp PstI fragments are then ligated (SAMBROOK et al, pages 1.68-1. 69) with the plasmid pUC18 (CLONTECH Laboratories, n 6110-1), which was previously digested at the PstI site and dephosphorylated. The ligation thus obtained was then transformed into cells of Escherichia coli MC1061 by the CaCl2 technique (SAMBROOK et al-page 1.82-1. 84). The technique for dephosphorylating DNA fragments or linearizing vectors is described by SAMBROOK et al (pages 1.60-1. 61). The ligation technique is also described by SAMBR00K et al (page 1.68-1. 69).
The transformed strains are selected on Petri dishes containing the agar LB medium and supplemented with 100 μg / ml of ampicillin. Strains transformed from E. coli MC1061 thus obtained are then selected by hybridization with the labeled synthetic oligonucleotide using the C-terminal probe used in the study of SOUTHERN and the plasmid pKC1 is isolated.
The synthetic oligonucleotide is labeled by phosphorylation with ATP [γ-32p] using the T4 phage T4 polynucleotide kinase and following the technique described by SAMBROOK et al (page 11.31-11. 33).
3. Identification of the N-terminal part of the alkaline protease gene.
* The extracted chromosomal DNA is subjected to restriction analysis. The DNA fragments obtained from these digests are separated according to their size on a 0.8 × agarose gel.
<Desc / Clms Page number 39>
The agarose gel is then subjected to an analysis by the SOUTHERN BLOT technique, in order to identify the fragments which contain the nucleotide sequences of the N-terminal part of the alkaline protease gene.
The probe which is used for the hybridizations is a synthetic oligonucleotide corresponding to the N-terminal part of the alkaline protease gene. The sequence of the synthetic oligonucleotide which has been constructed is as follows (SEQ ID N0: 3):
5'-ATGGCTCCTGGCGCAGGC-3 '
These results show that the N-terminal part of the alkaline protease gene is located on the PstI fragment of approximately 5.5 kbp and also on a smaller BclI-PstI fragment of approximately 2 kbp. This fragment does not contain the XbaI, ClaI, HpaI and SphI restriction sites.
The preparation of chromosomal DNA extracted from the strain of Bacillus licheniformis SE2 is then digested with the enzyme PstI and the fragments obtained are separated according to their size by agarose gel electrophoresis (0.8%).
The fragments obtained of approximately 5.5 kbp are extracted from the gels and purified by the technique called "GENE CLEAN".
The 5.5 kbp PstI fragments thus obtained are then subjected to a series of digests with BclI, XbaI, ClaI, HpaI and SphI. The DNA fragments thus produced are ligated with the plasmid pMK4 (as described in SULLIVAN et al., (1984), Gene 29: 21-26), which has been previously linearized with BamHI and PstI.
The plasmid pMK4 can be obtained from the collection B. G. S. C.
(Bacillus Genetic Stock Center (Ohio State University) Columbus, Ohio, U. S. A.) under number 1E29.
The ligations thus obtained were then transformed into cells of Escherichia coli MC1061 by the Cal2 technique.
The transformed strains are selected on petri dishes containing the agar LB medium and supplemented with 100 μg / ml of ampicillin. Strains transformed from E. coli
<Desc / Clms Page number 40>
MC1061 thus obtained are then selected by hybridization with the labeled synthetic oligonucleotide using the N-terminal probe in the study of SOUTHERN and the plasmid pKP1 is isolated.
Example 16 Sequences of the alkaline protease 0n determines the sequences of the fragments introduced into the plasmids pKP1 and pKC1 from the Pst1 sites to the SacI sites, following the technique described by SAMBROOK et al (pages 13.15 and 13.17 and FIG. 13.3B) .
Example 17 Construction of the plasmid pLD1
The plasmid pLD1 (FIG. 2) is constructed with the aim of preparing the strain of Bacillus licheniformis SE2 delapl. The construction of the plasmid pLD1 is described below.
The plasmid pKP1 (as obtained in Example 15) is unstable in E. coli MC1061. This is why the chromosomal DNA fragment containing the N-terminal part of the alkaline protease gene of B. licheniformis SE2 was introduced into the vector pACYC184 (BIOLABS, U. S. A., under the number # 401-M). This introduction was carried out by introducing the EcoRI-EcoRI fragment of 1849 bp of the plasmid pKP1 into the EcoRI site of the plasmid pACYC184 and the ligation is used to transform the cells of E. coli MC1061. The plasmid pKPN11 is thus obtained.
The transformed strains are selected on a Petri dish containing the agar LB medium and supplemented with 12.5 μg / ml of tetracycline. The orientation of the EcoRI-EcoRI fragment of 1849 bp in the plasmid pKPN11 is determined by restriction analysis (SAMBROOK et al.-page 1.85 and MANIATIS and alpage 374-379).
The plasmid pKPN12 is obtained in the following way: the StyI-StyI fragment of 1671 bp is removed from the plasmid pKPN11 by digestion with StyI, followed by replacement of this fragment with the following synthetic double strand DNA, which was produced beforehand:
<Desc / Clms Page number 41>
5'-CTTG GAGCTC GTTAAC AGATCT-3 '(SEQ ID N0: 4) 3'-CTCGAG CAATTG TCTAGA GTTC-5' (SEQ ID N0: 5) (StyI) SacI HpaI BalII (StyI)
The digestion of the plasmids with restriction enzymes is carried out according to the technique described by SAMBROOK et al.
- 1989-chapters 5.28-5. 32.
The DNA fragment coming from the plasmid pUB131 which codes for the resistance to kanamycin and to bleomycin or to phleomycin was obtained as follows:
The 2666 bp PstI-TaqI fragment, which carries the genes which code for resistance to kanamycin and bleomycin or to phleomycin, is obtained by double PstI-TaqI digestion of the plasmid pUB131. This fragment is introduced into the PstI-AccI sites of the plasmid pBS- (STRATAGENE, U. S. A., under the number 211202). The plasmid pBSKMPM is thus obtained.
During the preparation of the plasmid pBSKMPM, a small deletion in the region of the binding with the plasmid pBS appears, which leads to the loss of the SphI and PstI sites in the plasmid pBSKMPM. The plasmid pBSKMPM is used to produce a single-stranded DNA used to carry out site-directed mutagenesis with a view to introducing the two synthetic nucleotides whose SmaI sites are identified below, one is located upstream and the other in downstream of genes for resistance to kanamycin and phleomycin.
The technique of site-directed mutagenesis is described by SAMBROOK et al-page 15,74-15, 79. It uses the mutagenesis kit sold by BIO-RAD (no. 170-3576).
The sequences of the synthetic oligonucleotides used for the mutagenesis are the following (respectively SEQ ID N0: 6 and SEQ ID N0: 7):
5'-CATCTAATCTTCAACACCCGGGCCCGTTTGTTGAAC-3 '
SmaI
5'-CAAAATAAAAAAGATACAACCCGGGTCTCTCGTATCTTTTAT-3 '
SmaI
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The plasmid obtained by this mutagenesis in the presence of the two oligonucleotides is the plasmid pBSKMPM1. This plasmid contains two SmaI restriction sites which allow the isolation of the DNA fragment containing the genes which code for resistance to kanamycin and phleomycin.
The 1597 bp SmaI-SmaI fragment of the plasmid pBSKMPM1 is then introduced into the SmaI site of the plasmid pKPN12, the plasmid pKPN14 is thus obtained.
The correct orientation of the fragment introduced into the plasmid pKPN14 is verified by carrying out a selection on the plasmid DNA preparations by restriction analysis (SAMBROOK et al-page 1.85).
The DNA fragment, present on the plasmid pKCl and located downstream of the N-terminal sequence of the alkaline protease, is isolated on the 1.2 kbp SacI-HindIII fragment of the plasmid pKCl (as obtained at Example 15) by digestion, first with HindIII.
The 5 'protruding end of HindIII is made stretched by treatment with the Klenow fragment of DNA polymerase (SAMBROOK et al-page F. 2-F. 3). The SacI restriction is then performed in order to produce the desired SacI-HindIII stretch fragment. This fragment is introduced into the HpaI and SacI sites of the plasmid pKPN14, producing the plasmid pLID1.
All these constructions are carried out by transformation of the strain of E. coli MC1061 in the presence of tetracycline (12 pg / ml) for the selection of the transformed strains.
A plasmid capable of multiplying in B. subtilis and in B. licheniformis, is constructed from the plasmid pLID1 by replacing the replication functions of E. coli, which are carried by the BglII-BglII fragment of 3623 bp from the plasmid pLID1, by the fragment which carries the replication functions of Bacillus: BglII-BamHI fragment of 2238 bp isolated from the plasmid pUB131.
This replacement of the replication functions of E. coli by those of Bacillus was carried out by first isolating the fragment
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3.6 kbp BglII-BglII from the plasmid pLIDI by digestion of the plasmid pLIDI with BglII and BamHI. An additional BamHI digestion was necessary, indeed a BglII digestion alone would result in fragments of identical size which could not be separated by agarose gel electrophoresis.
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The 3.6 kbp BglII-BglII fragment is then cloned, into the Bacillus subtilis SE3 strain, into the 2238 bp BglII-BamHI fragment which was isolated from the plasmid pUB131, producing the plasmid pLD1 (FIG. 2).
The strain of Bacillus subtilis SE3 was deposited on June 21, 1993 in the collection named BELGIAN COORDINATED COLLECTIONS 0F MICROORGANISM in accordance with the Budapest Treaty under number LMG P-14035.
Example 18 Construction of Bacillus licheniformis SE2 delapl
The desired modifications in the chromosomal DNA of the strain of Bacillus licheniformis SE2 are carried out by techniques based on homologous recombination. The modifications are made to produce the Bacillus licheniformis SE2 delapl strain.
The plasmid pLD1 is transformed into B. licheniformis SE2 by the protoplast technique described by MANIATIS et al (pages 150-151) and under the conditions defined with the exception of the following modifications: the lysozyme powder is added at 5 mg / ml in the SMP, instead of 1 mg / ml as defined in step 7 of the procedure described, the incubation to obtain maximum lysis with lysozyme is 60 minutes, the regeneration is carried out in DM3 medium (described by Molecular Biological Methods for Bacillus (Harwood et al, eds) John Wiley and Sons (1990) (pages 150-151) containing 200 pg / ml kanamycin.
A transformed strain is isolated and the restriction map of the plasmid pLD1, introduced into this strain, is checked.
The transformed strain is cultured in 50 ml of LB medium supplemented with 2 g / l of glucose and 25 ug / ml of kanamycin, for 18 hours at 37 C.
A culture sample (0.1 ml) is taken and used to
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inoculate an Erlenmeyer flask containing 50 ml of the same LB medium. The culture is incubated at 37 ° C. for 18 hours. A sample of this culture is taken and tested on a Petri dish containing the agar LB medium and supplemented with 25 μg / ml of kanamycin and 1% (weight / volume) of skimmed milk (DIFCO), to detect the presence of protease.
The absence of a hydrolysis halo around the colonies which grow on these petri dishes indicates that these colonies are unable to produce an alkaline protease.
Cultures and tests are repeated until a strain (apr-, Kmr) is obtained, that is to say both no longer producing alkaline protease (apr-) and resistant to kanamycin ( Kmr).
The plasmid pLD1 present in this strain of Bacillus licheniformis SE2 delapl is then removed from the latter by culture on a growth medium at 37 ° C. in the absence of antibiotic.
This strain is cultured in 50 ml of LB medium supplemented with 2 g / l of glucose, for 18 hours at 37 "C. A volume of 0.1 ml of this culture is taken and used to inoculate another Erlenmeyer flask also containing 50 ml of the same medium, the culture lasts 18 hours at 37 C. A sample is then taken and spread on a Petri dish of LB medium. The isolated colonies are subcultured on a second dish of LB medium supplemented with 25 pg / ml of kanamycin. A strain sensitive to
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kanamycin (KmS) is isolated. We confirm its phenotype (apr-, KmS).
The chromosomal DNA of this strain is then isolated and purified and the structure of the chromosomal deletion is verified by the technique of SOUTHERN BLOT. The deletions identified are correct as to their position, having taken place by a homologous double recombination in the sequences located upstream (5 ') and downstream (3') of the alkaline protease gene.
The strain obtained is called B. licheniformis SE2 delapl.
It does not produce an alkaline protease.
Example 19
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Transformation of Bacillus licheniformis SE2 delapl with the expression vector
The plasmid pUBDEBRA1 (FIG. 1), described in Example 14, is extracted from its host, isolated and purified (SAMBROOK et al., 1989, p. 1.25-1. 28).
A culture of the strain of B. licheniformis SE2 delapl, described in Example 18, is prepared, then this strain is transformed with this plasmid according to the protoplast technique described by MANIATIS et al (pages 150-151).
The transformed strain is selected on a Petri dish, isolated and purified by screening.
Example 20 Production of Pullulanase by B. licheniformis SE2 delapl (pUBDEBRA1)
The B. licheniformis SE2 delapl strain transformed by the plasmid pUBDEBRA1, as obtained in Example 19, is cultured for 17 hours at 37 ° C. in an LB preculture medium supplemented with 0.5 X (w / v ) glucose and 20 µg / ml kanamycin.
This preculture is transferred (5 X v / v) in 50 ml of M2 medium supplemented with 20 μg / ml of kanamycin. Medium M2 contains 30 g of soy flour, 75 g of soluble starch, 2 g of sodium sulphate, 5 mg of magnesium chloride, 3 g of NaH2PO4, 0.2 g of CaCl2. H2O and 1000 ml of water. The pH of this M2 medium is adjusted to 5.8 with 10 N NaOH before sterilization. The culture is incubated with shaking for 80 hours at 37 C. After 80 hours, the biomass is eliminated by centrifugation at 5000 revolutions per minute for 10 minutes. The centrifugation supernatant is kept. The enzymatic activity is measured on this supernatant and the presence of pullulanase activity is noted.
Example 21 Construction of Bacillus licheniformis SE2 delapl (pUBCDEBRA11DNSI) - Chromosomal integration
This example concerns the integration of the gene coding for pullulanase into the chromosome of the Bacillus licheniformis SE2 delapl strain.
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To do this, the 4.6 kb EcoRI-BamHI fragment of the plasmid pBRDEBRA3 is cloned into the EcoRI and BamHI sites of the vector pUBC131 by transformation of the E. coli strain MC1061, thus generating the plasmid pUBCDEBRA11.
The integration vector pUBCDEBRA11DNSI (FIG. 3) is then constructed by deleting the NsiI-Nsil fragment of 886 bp from the plasmid pUBCDEBRA11. The plasmid thus obtained lost the possibility of replicating in Bacillus, by the loss of the NsiI fragment of 886 bp.
To carry out this construction, the plasmid pUBCDEBRA11 is cleaved by the restriction enzyme NsiI, and the NsiI-NsiI fragment of approximately 9.4 Kbp is purified by agarose gel electrophoresis. This fragment is then subjected to a ligation in order to recircularize it. The ligation is transformed into E. coli MC1061, and the plasmid pUBCDEBRA11DNSI1 is obtained.
In order to integrate the plasmid pUBCDEBRA11DNSI1 into the B. licheniformis SE2 delapl strain, it is necessary for this plasmid to carry a DNA fragment homologous to the chromosomal DNA. We therefore cloned into the BamHI site of the integration vector pUBCDEBRAUDNSIl, chromosomal fragments Sau3AI from B. licheniformis.
To do this, the chromosomal DNA extracted from the Bacillus licheniformis SE2 delapl strain is partially cleaved by the restriction enzyme Sau3AI. The DNA fragments of size between 1.5 and 3 kb are then purified by agarose gel and ligated with the plasmid pUBCDEBRA11DNSI cleaved by the restriction enzyme BamHI and dephosphorylated. The ligation thus obtained is transformed into MC1061 cells by electroporation. After selection on agar LB medium containing 100 μg / ml of ampicillin, approximately 3000 colonies are obtained.
All of these colonies are suspended in LB medium and an extraction of the plasmids is carried out by the alkaline lysis technique (SAMBROOK et al, pages 1.25-1. 28).
The plasmid preparation thus obtained is then introduced by transformation by the protoplast technique into the strain of Bacillus licheniformis SE2 delapl. Cells
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are selected on the DM3 regeneration medium (described in Molecular Biological Methods for Bacillus (Harwood, CR and Cutting, SM, Eds) J. Wiley and sons, 1990, 150-151) for their resistance to phleomycin (17 pg / ml), this can only be conferred on them by chromosomal integration of one of the plasmids constructed above.
The colonies thus obtained are subcultured on LB agar medium supplemented with 5 μg / ml of phleomycin and 0.06% of AZCL-pullulan. The colony exhibiting the largest hydrolysis halo of AZCL-pullulan is then isolated and subcultured on agar LB medium.
An extraction of the plasmid content of this strain is then carried out. The preparation thus obtained is subjected to an analysis by agarose electrophoresis gel, which shows the absence of plasmid.
The chromosomal DNA is extracted and purified as described in Example 14 and subjected to an analysis by the SOUTHERN technique, which shows that the plasmid pUBCDEBRA11DNSI was integrated into the chromosomal DNA by homologous recombination in a Sau3AI fragment of about 3 kb.
This demonstrates that the gene coding for the pullulanase of B. deramificans is expressed in B. licheniformis, in the integrated state in the chromosome.
Example 22 Process for the production of pullulanase by the strain of Bacillus licheniformis SE2 delapl (pUBCDEBRA11DNSI)
The B. licheniformis SE2 delapl strain containing the pullulanase gene in the form integrated into the chromosomal DNA, as obtained in example 21, is cultured for 17 hours at 37 ° C. in a supplemented LB preculture medium. 0.5 X (w / w) glucose and 5 µg / ml phleomycin. A volume of 10 ml of this preculture is inoculated in 250 ml of M2 medium (described in Example 20), supplemented with 5 μg / ml of phleomycin, in baffle flasks.
After 24 hours of incubation with shaking at 37 ° C., the whole of the culture thus obtained is introduced into a
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fermenter containing 6.5 l of M2 medium. The fermentation is extended for 72 hours at 37 C. The pH is kept below 7.0 by adding concentrated phosphoric acid, the air flow is maintained at 4 liters / minute, and the stirring is adjusted. so as to obtain an oxygen content
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dissolved more than 30% (v / v) saturation.
After adding 50 ml of a flocculating agent, based on
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polyamine sold under the brand OPTIFLOC JFC 205 by cllci SOLVAY DEUTSCHLAND, to the culture obtained, the biomass is eliminated by centrifugation (BECKMAN JA-10) at 5,000 rpm for 15 minutes and the supernatant obtained is acidified to pH 4.5 with a 1 M HCl solution. The solution obtained is again centrifuged at 8,000 rpm for 15 minutes (BECKMAN JA-10).
The supernatant is then concentrated, to a final volume of 1 l, by ultrafiltration using an ultrafiltration unit equipped with a membrane with a resolution limit of 5,000 Daltons.
Then, to this concentrated solution, acetone is added to a final concentration of 60% (v / v). The suspension formed is incubated at 4 ° C. for 2 hours, then centrifuged at 8,000 rpm for 15 minutes (BECKMAN JA-10). The pellet of
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centrifugation obtained is suspended in 100 ml of an aqueous solution containing 30 X (w / v) brand starch
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MALTRINQ250 (GRAIN PROCESSING CORPORATION), 0.3% (w / v)
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sodium benzoate, and 0.15% (w / v) potassium sorbate, at a pH of 4.5. The purified preparation of the pullulanase produced by the recombinant strain, thus obtained, is called solution D.
The activity of solution D of pullulanase, measured by the reducing sugar method, is 150 PUN / ml.
Example 23 Stability of the pullulanase produced by the strain of Bacillus licheniformrs SE2 delapl (pUBCDEBRA11DNSI) with respect to temperature
Solution D of pullulanase, as obtained in Example 22, is diluted so that it develops activity
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enzymatic between 10 and 15 PUN / ml, in a 0.05 M citrate-phosphate buffer at a pH of 4.75.
This diluted solution containing the pullulanase is distributed in 9 tubes at a rate of 5 ml of diluted solution per tube.
The various tubes containing the diluted solution are incubated in water baths at temperatures between 40 and 80 C for 75 minutes.
Following this incubation, they are placed in an ice bath to cool them quickly.
Then the enzymatic activity of the different solutions is measured (measurement conditions: temperature of 60 oC, pH 4.5, incubation time of 15 minutes).
During this test, the maximum enzymatic activity was measured for the sample placed at a pH of approximately 4.75 and at a temperature of approximately 55 C. By definition, therefore, this sample was assigned a relative enzymatic activity of 100 X.
The results are collated in Table 12.
TABLE 12
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<tb>
<tb> Activity <SEP> enzymatic
<tb> Temperature <SEP> relative
<tb>%
<tb> 40 <SEP> 99
<tb> 45 <SEP> 99
<tb> 50 <SEP> 100
<tb> 55 <SEP> 100
<tb> 60 <SEP> 96
<tb> 65 <SEP> 83
<tb> 70 <SEP> 2
<tb> 80 <SEP> 1
<tb>
This example shows that the pullulanase according to the invention has a relative enzymatic activity of at least 80% measured after an incubation of 75 minutes at a pH of 4.75 in the absence of substrate and in a range of temperatures lower or equal. at 65 QC.