DE102015016339A1 - Process for the preparation of halogenated indoxyl derivatives in transgenic plants - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine transgene Pflanzenzelle umfassend eine heterologe Tryptophanase (EC 4.1.99.1) und ein heterologes Cytochrom P450 (CYP450). Die vorliegende Erfindung betrifft auch die Verwendung einer solchen transgenen Pflanzenzelle, die die Aktivität einer Tryptophanase (EC 4.1.99.1) und die Aktivität eines Cytochrom P450 (CYP450) hat, zur Herstellung von halogenierten Indoxylderivaten aus Tryptophan. Die erfindungsgemäße transgene Pflanzenzelle ermöglicht es erstmals halogenierte Indoxylderivate in einer Pflanze herzustellen. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von halogenierten Indoxylderivaten aus Tryptophan als Substrat und enzymatischer Umsetzung von halogeniertem Tryptophan zu halogeniertem Indol durch eine Tryptophanase (EC 4.1.99.1) und enzymatischer Umsetzung des halogenierten Indols zu halogeniertem Indoxyl durch ein Cytochrom P450.The present invention relates to a transgenic plant cell comprising a heterologous tryptophanase (EC 4.1.99.1) and a heterologous cytochrome P450 (CYP450). The present invention also relates to the use of such a transgenic plant cell which has the activity of a tryptophanase (EC 4.1.99.1) and the activity of a cytochrome P450 (CYP450) for the preparation of halogenated indoxyl derivatives from tryptophan. The transgenic plant cell according to the invention makes it possible for the first time to produce halogenated indoxyl derivatives in a plant. The present invention further relates to a process for the preparation of halogenated indoxyl derivatives from tryptophan as substrate and enzymatic conversion of halogenated tryptophan to halogenated indole by a tryptophanase (EC 4.1.99.1) and enzymatic conversion of the halogenated indole to halogenated indoxyl by a cytochrome P450.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine transgene Pflanzenzelle umfassend eine heterologe Tryptophanase (EC 4.1.99.1) und ein heterologes Cytochrom P450 (CYP450). Die vorliegende Erfindung betrifft auch die Verwendung einer solchen transgenen Pflanzenzelle, die die Aktivität einer Tryptophanase (EC 4.1.99.1) und die Aktivität eines Cytochrom P450 (CYP450) hat, zur Herstellung von halogenierten Indoxylderivaten aus Tryptophan.The present invention relates to a transgenic plant cell comprising a heterologous tryptophanase (EC 4.1.99.1) and a heterologous cytochrome P450 (CYP450). The present invention also relates to the use of such a transgenic plant cell which has the activity of a tryptophanase (EC 4.1.99.1) and the activity of a cytochrome P450 (CYP450) for the preparation of halogenated indoxyl derivatives from tryptophan.
Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von halogenierten Indoxylderivaten aus Tryptophan als Substrat und enzymatischer Umsetzung von halogeniertem Tryptophan zu halogeniertem Indol durch eine Tryptophanase (EC 4.1.99.1) und enzymatischer Umsetzung des halogenierten Indols zu halogeniertem Indoxyl durch ein Cytochrom P450.Moreover, the present invention relates to a process for the preparation of halogenated indoxyl derivatives from tryptophan as substrate and enzymatic conversion of halogenated tryptophan to halogenated indole by a tryptophanase (EC 4.1.99.1) and enzymatic conversion of the halogenated indole to halogenated indoxyl by a cytochrome P450.
Der aus pflanzlichen Naturstoffen abgeleitet Farbstoff Indigo (IUPUC-Name: (2E)-2-(3-oxo-1H-indol-2-ylidene)-1H-indol-3-one) hat eine große historische Bedeutung, stellte er doch für lange Zeit die einzige Möglichkeit zur dauerhaften Blaufärbung von Textilien u. a. Gegenständen dar (
Indoxylderivate werden heute vor allem als Substrate für biochemische Nachweisreaktionen verwendet. Sie sind derzeit die am weitesten verbreiteten chromogenen Substrate für mikrobiologische Kulturmedien. Enzymatische Reaktionen, bei denen der Zuckerrest vom Indoxyl abgespalten wird, führen zur oxidativen Dimerisierung und Bildung des stark gefärbten Indigos (
Da es sich bei den halogenierten Derivaten des Indikans, wie zum Beispiel Magenta-Glc (5-Bromo-6-Chlor-3-Indolyl-β-D-Glucopyranosid) oder Salmon-Glu (6-Chlor-3-Indolyl-β-D-Glucopyranosid; IUPAC-Name: (2S,3R,4S,5R,6R)-2-(6-chloroindol-1-yl)oxy-6-(hydroxymethyl)oxane-3,4,5-triol) nicht um Naturstoffe handelt, muss für ihre Gewinnung auf komplexe chemische Synthesen zurückgegriffen werden.Since it is the halogenated derivatives of the indicator, such as magenta-Glc (5-bromo-6-chloro-3-indolyl-β-D-glucopyranoside) or Salmon-Glu (6-chloro-3-indolyl-β- D-glucopyranoside; IUPAC name: (2S, 3R, 4S, 5R, 6R) -2- (6-chloroindol-1-yl) oxy-6- (hydroxymethyl) oxanes-3,4,5-triol) Natural products, their extraction must be based on complex chemical syntheses.
Robertson (
Nach demselben Reaktionsschema synthetisierte Robertson im Jahre 1929 6-Brom-Indikan wobei der 6-Brom-Indoxylsäuremethylester eingesetzt wurde (
Über die Biosynthese von Indoxylderivaten in Pflanzen ist bis dato jedoch wenig bekannt. Im Jahr 2007 konnte zum ersten Mal gezeigt werden, dass durch Kombination verschiedener Gene in transgenen Pflanzen eine Indikanbiosynthese erreicht werden kann (
Es gibt einen Bedarf für umweltfreundliche, kostengünstige und einfache Verfahren zur Herstellung der vorstehend erwähnten halogenierten Verbindungen. Dieser Bedarf wird durch den Gegenstand erfüllt, wie er in den Ansprüchen aufgeführt ist.There is a need for environmentally friendly, inexpensive and simple processes for preparing the aforementioned halogenated compounds. This need is met by the subject matter as recited in the claims.
Demnach betrifft die vorliegende Erfindung in einem ersten Aspekt eine transgene Pflanzenzelle, umfassend eine heterologe Tryptophanase (EC 4.1.99.1) und ein heterologes Cytochrom P450 (CYP450). Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von halogenierten Indoxylderivaten aus Tryptophan als Substrat und enzymatischer Umsetzung von halogeniertem Tryptophan zu halogeniertem Indol durch eine Tryptophanase (EC 4.1.99.1) und enzymatischer Umsetzung des halogenierten Indols zu halogeniertem Indoxyl durch ein Cytochrom P450 (CYP450). Wie in Figur IC gezeigt, betrifft die vorliegende Erfindung einen artifiziellen Biosyntheseweg zur Herstellung von halogenierten Indoxylderivaten in transgenen Pflanzen. In einem ersten Schritt kann der Indolring des Tryptophans mittels einer hierin beschriebenen Halogenase, vorzugsweise einer Tryptophanhalogenase (EC 1.14.99.9) an der Position 4, 5, 6, oder 7 des Indolrings mit Chlor, Brom, Jod oder Fluor substituiert werden. In Figur IC sind hier exemplarisch die 6- und/oder 7-Position des Indolrings mit Chlor substitutiert. Anstelle des Chlor sind hier auch Brom-, Jod- und Fluor-Substitutionen möglich, gleichermaßen in 4- und/oder 5-Position sowie alle Kombinationen der verschiedenen Substituenten und Positionen. In einem zweiten Schritt wird halogeniertes Tryptophan mittels einer Tryptophanase (EC 4.1.99.1) in halogeniertes Indol umgesetzt. In einem dritten Schritt wird das halogenierte Indol mittels eines Cytochrom P450 (CYPP450) in (ein) halogenierte(s) Indoxylderivat(e) umgesetzt. Schließlich kann in einem vierten Reaktionsschritt durch eine Glycosyltransferasen, vorzugsweise (eine) endogene Glycosyltransferase(n), in ein halogenierte(s) Indikanderivat(e) umgesetzt werden.Accordingly, in a first aspect, the present invention relates to a transgenic plant cell comprising a heterologous tryptophanase (EC 4.1.99.1) and a heterologous cytochrome P450 (CYP450). In particular, the present invention relates to a process for the preparation of halogenated indoxyl derivatives from tryptophan as a substrate and enzymatic conversion of halogenated tryptophan to halogenated indole by a tryptophanase (EC 4.1.99.1) and enzymatic conversion of the halogenated indole to halogenated indoxyl by a cytochrome P450 (CYP450). , As shown in Figure 1C, the present invention relates to an artificial biosynthetic pathway for the production of halogenated indoxyl derivatives in transgenic plants. In a first step, the indole ring of the tryptophan may be substituted with chlorine, bromine, iodine or fluorine by means of a halogenase described herein, preferably a tryptophan haloase (EC 1.14.99.9) at
Der Begriff „Indoxylderivate” umfasst Verbindungen, die als „Halogenindikane” zusammengefasst werden können. Der Begriff „Halogenindikan” bezeichnet Indikan (d. h. (2R,3S,4S,5R,6S)-2-(Hydroxymethyl)-6-(1H-indol-3-yloxy)tetrahydropyran-3,4,5-triol), welches mit einem oder mehreren (bspw. 1 bis 4) Halogenatomen substituiert ist, die unabhängig voneinander aus Fluor, Chlor, Brom und Iod ausgewählt sind. Ein bevorzugtes „Halogenindikan” ist Indikan, welches an seinem Indolring mit 1 bis 4 Halogenatomen (stärker bevorzugt mit 1, 2 oder 3 Halogenatomen; noch stärker bevorzugt mit 1 Halogenatom) substituiert ist, wobei die Halogenatome unabhängig voneinander aus Fluor, Chlor, Brom und Iod ausgewählt sind. Bevorzugte Positionen zur Bindung des genannten Halogenatoms bzw. der genannten Halogenatome sind die Positionen 2, 4, 5, 6 und 7 des Indolringes des Indikans. Beispiele derartiger Halogenindikane sind (2R,3S,4S,5R,6S)-2-(Hydroxymethyl)-6-(4-fluor-1H-indol-3-yloxy)tetrahydropyran-3,4,5-triol, (2R,3S,4S,5R,6S)-2-(Hydroxymethyl)-6-(4-chlor-1H-indol-3-yloxy)tetrahydropyran-3,4,5-triol, (2R,3S,4S,5R,6S)-2-(Hydroxymethyl)-6-(4-brom-1H-indol-3-yloxy)tetrahydropyran-3,4,5-triol, (2R,3S,4S,5R,6S)-2-(Hydroxymethyl)-6-(4-iod-1H-indol-3-yloxy)tetrahydropyran-3,4,5-triol, (2R,3S,4S,5R,6S)-2-(Hydroxymethyl)-6-(5-fuor-1H-indol-3-yloxy)tetrahydropyran-3,4,5-triol, (2R,3S,4S,5R,6S)-2-(Hydroxymethyl)-6-(5-chlor-1H-indol-3-yloxy)tetrahydropyran-3,4,5-triol, (2R,3S,4S,5R,6S)-2-(Hydroxymethyl)-6-(5-brom-1H-indol-3-yloxy)tetrahydropyran-3,4,5-triol, (2R,3S,4S,5R,6S)-2-(Hydroxymethyl)-6-(5-iod-1H-indol-3-yloxy)tetrahydropyran-3,4,5-triol, (2R,3S,4S,5R,6S)-2-(Hydroxymethyl)-6-(6-fuor-1H-indol-3-yloxy)tetrahydropyran-3,4,5-triol, (2R,3S,4S,5R,6S)-2-(Hydroxymethyl)-6-(6-chlor-1H-indol-3-yloxy)tetrahydropyran-3,4,5-triol, (2R,3S,4S,5R,6S)-2-(Hydroxymethyl)-6-(6-brom-1H-indol-3-yloxy)tetrahydropyran-3,4,5-triol, (2R,3S,4S,5R,6S)-2-(Hydroxymethyl)-6-(6-iod-1H-indol-3-yloxy)tetrahydropyran-3,4,5-triol, (2R,3S,4S,5R,6S)-2-(Hydroxymethyl)-6-(7-fluor-1H-indol-3-yloxy)tetrahydropyran-3,4,5-triol, (2R,3S,4S,5R,6S)-2-(Hydroxymethyl)-6-(7-chlor-1H-indol-3-yloxy)tetrahydropyran-3,4,5-triol, (2R,3S,4S,5R,6S)-2-(Hydroxymethyl)-6-(7-brom-1H-indol-3-yloxy)tetrahydropyran-3,4,5-triol, sowie (2R,3S,4S,5R,6S)-2-(Hydroxymethyl)-6-(7-iod-1H-indol-3-yloxy)tetrahydropyran-3,4,5-triol. Exemplarische Indoxylderivate im Kontext der vorliegenden Erfindung sind 4-Chlorindikan, 5-Chlorindikan, 6-Chlorindikan, 7-Chlorindikan, 4-Bromindikan, 5-Bromindikan, 6-Bromindikan, 7-Bromindikan, 4,5-Dibromindikan, 4,6-Dibromindikan, 4,7-Dibromindikan, 5,6-Dibromindikan, 5,7-Dibromindikan, 6,7-Dibromindikan, 4,5-Dichlorindikan, 4,6-Dichlorindikan, 4,7-Dichlorindikan, 5,6-Dichlorindikan, 5,7-Dichlorindikan, 6,7-Dichlorindikan, 4,5,6-Trihalogenindikan, 5,6,7-Trihalogenindikan, 4,6,7-Trihalogenindikan, 4,5,7-Trihalogenindikan, 4,5,6,7-Tetrahalogenindikan, Isoindigo, 6,6'-Halogenindigo, oder 7,7'-Halogenindigo.The term "indoxyl derivatives" includes compounds that may be grouped together as "haloindicans". The term "haloindicene" refers to indicans (ie, (2R, 3S, 4S, 5R, 6S) -2- (hydroxymethyl) -6- (1H-indol-3-yloxy) -tetrahydropyran-3,4,5-triol) which is substituted with one or more (e.g., 1 to 4) halogen atoms independently selected from fluoro, chloro, bromo and iodo. A preferred "haloindicine" is indian, which is substituted at its indole ring with 1 to 4 halogen atoms (more preferably with 1, 2 or 3 halogen atoms, even more preferably with 1 halogen atom), wherein the halogen atoms independently of one another from fluorine, chlorine, bromine and Iodine are selected. Preferred positions for bonding said halogen atom (s) are
Der Begriff „Tryptophanase” bezieht sich im Kontext der vorliegenden Erfindung auf ein Enzym, das in der Lage ist, Tryptophan zu spalten und Indol freizusetzen, insbesondere gemäß dem exemplarisch anhand der „Tryptophanase” TmA (SEQ ID NOs: 1 (cDNA), 2 (Protein)) in
Im Kontext der vorliegenden Erfindung ist die Tryptophanase ein Enzym, das durch ein Nucleinsäuremolekül kodiert wird, das die Nukleotidsequenz der SEQ ID NO: 1 besteht. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Tryptophanase ein Enzym, das eine Aminosäuresequenz umfasst, die aus der SEQ ID NO: 2 umfasst oder aus einer Sequenz, die mindestens n% identisch zu der SEQ ID NO: 2 ist und eine Tryptophanase-Aktivität hat, wobei n eine Ganzzahl zwischen 10 und 100 ist, bevorzugt 10, 15, 20, 25, 30, 35, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98 oder 99.In the context of the present invention, tryptophanase is an enzyme encoded by a nucleic acid molecule comprising the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1. In a particularly preferred embodiment, the tryptophanase is an enzyme comprising an amino acid sequence comprising SEQ ID NO: 2 or a sequence which is at least n% identical to SEQ ID NO: 2 and has a tryptophanase activity, where n is an integer between 10 and 100, preferably 10, 15, 20, 25, 30, 35, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 76, 77, 78, 79, 80 , 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98 or 99.
Vorzugsweise wird der Grad der Identität durch Vergleichen der jeweiligen Sequenz mit der Aminosäuresequenz einer der oben genannten SEQ ID NOs. bestimmt. Wenn die Sequenzen, die verglichen werden, nicht dieselbe Länge haben, bezieht sich der Grad der Identität vorzugsweise entweder auf den Prozentsatz an Aminosäureresten in der kürzeren Sequenz, welche zu den Aminosäureresten in der längeren Sequenz identisch sind, oder auf den Prozentsatz an Aminosäureresten in der längeren Sequenz, welche zu den Aminosäureresten in der kürzeren Sequenz identisch sind. Der Grad der Sequenzidentität kann gemäß den auf dem Fachgebiet gut bekannten Verfahren, vorzugsweise unter Anwendung geeigneter Computeralgorithmen wie CLUSTAL, bestimmt werden.Preferably, the degree of identity is determined by comparing the respective sequence with the amino acid sequence of any of the above SEQ ID NOs. certainly. If the sequences being compared are not the same length, the degree of identity preferably refers to either the percentage of amino acid residues in the shorter sequence that are identical to the amino acid residues in the longer sequence, or the percentage of amino acid residues in the longer sequence longer sequence, which to the Amino acid residues in the shorter sequence are identical. The degree of sequence identity may be determined according to methods well known in the art, preferably using appropriate computer algorithms such as CLUSTAL.
Bei Anwendung des Clustal-Analyseverfahrens, um zu bestimmen, ob eine bestimmte Sequenz zum Beispiel 80% identisch zu einer Referenzsequenz ist, können Standardeinstellungen verwendet werden bzw. sind die Einstellungen vorzugsweise wie folgt: Matrix: BLOSUM 30; Open Gap Penalty: 10.0; Extend Gap Penalty: 0,05; Delay Divergent: 40; Gap Separation Distance: 8 für Vergleiche von Aminosäuresequenzen. Für Nucleotidsequenz-Vergleiche wird die Extend Gap Penalty vorzugsweise auf 5,0 eingestellt.When using the Clustal analysis method to determine whether a particular sequence is, for example, 80% identical to a reference sequence, default settings may be used, or preferably the settings are as follows: Matrix: BLOSUM 30; Open gap penalty: 10.0; Extend Gap Penalty: 0.05; Delay Divergent: 40; Gap Separation Distance: 8 for comparison of amino acid sequences. For nucleotide sequence comparisons, the extend gap penalty is preferably set to 5.0.
Vorzugsweise wird der Grad der Identität über die gesamte Länge der Sequenz berechnet.Preferably, the degree of identity is calculated over the entire length of the sequence.
Im Kontext der vorliegenden Erfindung umfasst die transgene Pflanzenzelle eine Tryptophanase, wobei die Tryptophanase durch ein Nucleinsäuremolekül kodiert wird, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus:
- (a) einem Nucleinsäuremolekül umfassend eine Nucleinsäuresequenz, die aus der Nucleotidsequenz der SEQ ID NO: 1 besteht;
- (b) einem Nucleinsäuremolekül umfassend eine Nucleinsäuresequenz, das ein Protein kodiert, welches aus der Aminosäuresequenz der SEQ ID NO: 2 besteht;
- (c) einem Nucleinsäuremolekül umfassend eine Nucleinsäuresequenz, das ein Protein kodiert, welches aus der Aminosäuresequenz der SEQ ID NO: 2 besteht, in
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39 oder 40 Aminosäurerest(e) deletiert, substituiert, inseriert und/oder hinzugefügt wurden, und eine Tryptophanase-Aktivität hat; undwelcher - (d) einem Nucleinsäuremolekül umfassend eine Nucleinsäuresequenz, das ein Protein codiert, welches eine
Aminosäuresequenz mit mindestens 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98 oder 99%iger Sequenzidentität zu der Aminosäuresequenz nach SEQ ID NO: 2 hat und eine Tryptophanase-Aktivität hat.
- (a) a nucleic acid molecule comprising a nucleic acid sequence consisting of the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1;
- (b) a nucleic acid molecule comprising a nucleic acid sequence encoding a protein consisting of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2;
- (c) a nucleic acid molecule comprising a nucleic acid sequence encoding a protein consisting of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2, in which 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39 or 40 amino acid residues (e) have been deleted, substituted, inserted and / or added, and have tryptophanase activity; and
- (d) a nucleic acid molecule comprising a nucleic acid sequence encoding a protein having an amino acid sequence of at least 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90 , 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98 or 99% sequence identity to the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 and having tryptophanase activity.
Die Tryptophanase, die gemäß der Erfindung verwendet wird, kann eine natürlich vorkommende Tryptophanase sein oder eine Tryptophanase, die von einer natürlich vorkommenden Tryptophanase z. B. durch Einführung von Mutationen oder anderen Veränderungen, welche z. B. die enzymatische Aktivität, die Stabilität etc. verändern oder verbessern, abgeleitet sein.The tryptophanase used according to the invention may be a naturally occurring tryptophanase or a tryptophanase derived from a naturally occurring tryptophanase, e.g. B. by introducing mutations or other changes, which z. As the enzymatic activity, the stability, etc. change or improve, be derived.
Der Ausdruck „Tryptophanase” oder „ein Protein/Enzym, das die Aktivität einer Tryptophanase aufweist” umfasst im Zusammenhang mit der vorliegenden Anmeldung auch Proteine/Enzyme, die von einer Tryptophanase abgeleitet sind, die fähig sind Indol und/oder halogenierte Indolderivate durch eine enzymatische Umsetzung von Tryptophan und/oder halogenierten Tryptophanderivate zu produzieren, die aber nur eine geringe Affinität zu (halogeniertem) Tryptophan als Substrat aufweisen oder Tryptophan nicht mehr als Substrat akzeptieren. Verfahren zur Modifizierung und/oder Verbesserung der gewünschten enzymatischen Aktivitäten von Proteinen/Enzymen sind dem Fachmann wohl bekannt und schließen z. B. eine zufällige Mutagenese oder eine gezielte Mutagenese und eine anschließende Selektion nach Enzymen mit den gewünschten Eigenschaften oder auch Methoden der sogenannten „gerichteten Evolution” ein. Zum Beispiel kann für eine Genmanipulation von prokaryontischen Zellen ein Nucleinsäuremolekül, das bspw. eine Tryptophanase kodiert, in Plasmide eingebracht werden, welche eine Mutagenese oder Sequenzmodifikation durch eine Rekombination von DNA-Sequenzen ermöglichen. Standardverfahren (vgl.
Die erfindungsgemäße transgene Pflanzenzelle ist ferner dadurch gekennzeichnet, dass sie ein heterologes Cytochrom P450 umfasst. Im Kontext der vorliegenden Erfindung umfasst die transgene Pflanzenzelle eine heterologe Tryptophanase wie hierin beschrieben und ein heterologes Cytochrom P450 (CYP450).The transgenic plant cell according to the invention is further characterized in that it comprises a heterologous cytochrome P450. In the context of the present invention, the transgenic plant cell comprises a heterologous tryptophanase as described herein and a heterologous cytochrome P450 (CYP450).
Der Begriff „Cytochrom P450 (CYP450)” oder „ein Protein, das die Aktivität eines Cytochrom P450 (CYP450) aufweist” bezieht sich im Kontext der vorliegenden Erfindung auf ein Protein, das in der Lage ist, eine Sauerstofffunktion (Hydroxyl) bspw. in einen Indolring des Tryptophans in 3-Position einzuführen; vgl. hierzu das in
Die Cytochrom P450(CYP450)-Aktivität kann wie in der
Im Kontext der vorliegenden Erfindung ist das Cytochrom P450 (CYP450) ein Protein, das durch ein Nucleinsäuremolekül kodiert wird, die aus der Nukelotidsequenz der SEQ ID NO: 3 oder einer der in Tabelle A genannten hinterlegten Nukleotidsequenz umfasst. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Cytochrom P450 (CYP450) ein Protein, das eine Aminosäuresequenz umfasst, die aus der SEQ ID NO: 4 oder aus einer der in Tabelle A genannten hinterlegten Proteinsequenz besteht, oder aus einer Sequenz, die mindestens n% identisch zu der SEQ ID NO: 4 oder die mindestens n% identisch zu einer der in Tabelle A genannten hinterlegten Proteinsequenzen ist und eine CYP450-Aktivität hat, wobei n eine Ganzzahl zwischen 10 und 100 ist, bevorzugt 10, 15, 20, 25, 30, 35, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98 oder 99.In the context of the present invention, cytochrome P450 (CYP450) is a protein encoded by a nucleic acid molecule comprising the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 3 or one of the deposited nucleotide sequences set forth in Table A. In a particularly preferred embodiment, the cytochrome P450 (CYP450) is a protein which comprises an amino acid sequence which consists of SEQ ID NO: 4 or one of the deposited protein sequence mentioned in Table A, or of a sequence which is at least n% identical to SEQ ID NO: 4 or at least n% is identical to one of the deposited protein sequences listed in Table A and has a CYP450 activity, where n is an integer between 10 and 100, preferably 10, 15, 20, 25, 30 , 35, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90 , 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98 or 99.
Vorzugsweise wird der Grad der Identität durch Vergleichen der jeweiligen Sequenz mit der Aminosäuresequenz einer der oben genannten SEQ ID NOs. bestimmt. Wenn die Sequenzen, die verglichen werden, nicht dieselbe Länge haben, bezieht sich der Grad der Identität vorzugsweise entweder auf den Prozentsatz an Aminosäureresten in der kürzeren Sequenz, welche zu den Aminosäureresten in der längeren Sequenz identisch sind, oder auf den Prozentsatz an Aminosäureresten in der längeren Sequenz, welche zu den Aminosäureresten in der kürzeren Sequenz identisch sind. Der Grad der Sequenzidentität kann gemäß den auf dem Fachgebiet gut bekannten Verfahren, vorzugsweise unter Anwendung geeigneter Computeralgorithmen wie CLUSTAL, bestimmt werden.Preferably, the degree of identity is determined by comparing the respective sequence with the amino acid sequence of any of the above SEQ ID NOs. certainly. If the sequences being compared are not the same length, the degree of identity preferably refers to either the percentage of amino acid residues in the shorter sequence that are identical to the amino acid residues in the longer sequence, or the percentage of amino acid residues in the longer sequence longer sequence, which are identical to the amino acid residues in the shorter sequence. The degree of sequence identity may be determined according to methods well known in the art, preferably using appropriate computer algorithms such as CLUSTAL.
Bei Anwendung des Clustal-Analyseverfahrens, um zu bestimmen, ob eine bestimmte Sequenz zum Beispiel 80% identisch zu einer Referenzsequenz ist, können Standardeinstellungen verwendet werden bzw. sind die Einstellungen vorzugsweise wie folgt: Matrix: BLOSUM 30; Open Gap Penalty: 10.0; Extend Gap Penalty: 0,05; Delay Divergent: 40; Gap Separation Distance: 8 für Vergleiche von Aminosäuresequenzen. Für Nucleotidsequenz-Vergleiche wird die Extend Gap Penalty vorzugsweise auf 5,0 eingestellt.When using the Clustal analysis method to determine whether a particular sequence is, for example, 80% identical to a reference sequence, default settings may be used, or preferably the settings are as follows: Matrix: BLOSUM 30; Open gap penalty: 10.0; Extend gap Penalty: 0.05; Delay Divergent: 40; Gap Separation Distance: 8 for comparison of amino acid sequences. For nucleotide sequence comparisons, the extend gap penalty is preferably set to 5.0.
Vorzugsweise wird der Grad der Identität über die gesamte Länge der Sequenz berechnet.Preferably, the degree of identity is calculated over the entire length of the sequence.
Das Cytochrom P450, das gemäß der Erfindung verwendet wird, kann ein natürlich vorkommende Cytochrom P450 sein oder ein Cytochrom P450, die von einem natürlich vorkommenden Cytochrom P450 z. B. durch Einführung von Mutationen oder anderen Veränderungen, welche z. B. die enzymatische Aktivität, die Stabilität etc. verändern oder verbessern, abgeleitet sein.
Im Kontext der vorliegenden Erfindung umfasst die transgene Pflanzenzelle neben der hierin beschriebenen Tryptophanase ein heterologes Cytochrom P450 (CYP450), wobei das Cytochrom P450 (CYP450) durch ein Nucleinsäuremolekül kodiert wird, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus:
- (a) einem Nucleinsäuremolekül umfassend eine Nucleinsäuresequenz, die aus der Nucleotidsequenz der SEQ ID NO: 3 besteht;
- (b) einem Nucleinsäuremolekül umfassend eine Nucleinsäuresequenz, das ein Protein kodiert, welches aus der Aminosäuresequenz der SEQ ID NO: 3 besteht;
- (c) einem Nucleinsäuremolekül umfassend eine Nucleinsäuresequenz, das ein Protein kodiert, welches aus der Aminosäuresequenz der SEQ ID NO: 4 besteht, in
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39 oder 40 Aminosäurerest(e) deletiert, substituiert, inseriert und/oder hinzugefügt wurden, und eine Cytochrom P450-Aktivität hat; undwelcher - (d) einem Nucleinsäuremolekül umfassend eine Nucleinsäuresequenz, das ein Protein codiert, welches eine
Aminosäuresequenz mit mindestens 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98 oder 99%iger Sequenzidentität zu der Aminosäuresequenz nach SEQ ID NO: 4 hat und eine Cytochrom P450-Aktivität hat.
- (a) a nucleic acid molecule comprising a nucleic acid sequence consisting of the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 3;
- (b) a nucleic acid molecule comprising a nucleic acid sequence encoding a protein consisting of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 3;
- (c) a nucleic acid molecule comprising a nucleic acid sequence encoding a protein consisting of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 4, in which 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39 or 40 amino acid residues (e) have been deleted, substituted, inserted and / or added, and have cytochrome P450 activity; and
- (d) a nucleic acid molecule comprising a nucleic acid sequence encoding a protein having an amino acid sequence of at least 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90 , 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98 or 99% sequence identity to the amino acid sequence of SEQ ID NO: 4 and having cytochrome P450 activity.
Die transgene Pflanzenzelle der vorliegenden Erfindung ist ferner dadurch gekennzeichnet, dass sie eine heterologe Halogenase umfasst. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die transgene Planzenzelle eine heterologe Tryptophanase wie hierin beschrieben ein heterologes Cytochrom P450 (CYP450), wie hierin vorstehend beschrieben, und eine heterologe Halogenase. Der Begriff „Halogenase” bezieht sich im Kontext der vorliegenden Erfindung auf ein Enzym, das in der Lage ist das Substrat Tryptophan in ein halogeniertes Tryptophanderivat umzusetzten, insbesondere gemäß dem in
Im Kontext der vorliegenden Erfindung kann im Prinzip jede Halogenase eingesetzt werden, insbesondere aus prokaryontischen oder eukaryontischen Organismen. Eukaryontische Halogenasen sind beschrieben, z. B. von Pilzen wie Pochonia (bspw. die Halogenase (Hinterlegungsnummer: HQ149729; Genkennung: GI: 306412957), Pflanzen wie z. B. Pisum sativum sowie Tieren. Beispiele für prokaryontische Tryptophanasen sind beschrieben in Bakterien der Gattung Lechevalieria, Streptomyces, Escherichia, Kutzneria, Pseudomonas, Acytostelium, Microbispora. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform stammt die Halogenase aus der Gattung Lechevalieria und/oder Streptomyces und stärker bevorzugt aus der Spezies Lechevalieria aerocolonigenes und/oder Streptomyces toxytricini.In the context of the present invention, in principle any halogenase can be used, in particular from prokaryotic or eukaryotic organisms. Eukaryotic halogenases are described, e.g. Examples of prokaryotic tryptophanases are described in bacteria of the genus Lechevalieria, Streptomyces, Escherichia, eg, fungi such as Pochonia (eg the halogenase (accession number: HQ149729; gene recognition: GI: 306412957), plants such as Pisum sativum and animals. Kutzneria, Pseudomonas, Acytostelium, Microbispora In a particularly preferred embodiment, the halogenase is derived from the genus Lechevalieria and / or Streptomyces, and more preferably from the species Lechevalieria aerocolonigenes and / or Streptomyces toxytricini.
In der folgenden Tabelle B sind einige Halogenasen von Prokaryonten aufgeführt, welche im Kontext der vorliegenden Erfindung verwendet werden können:
Im Kontext der vorliegenden Erfindung ist die Halogenase vorzugsweise eine Tryptophanhalogenase. Die Tryptophanhalogenase ist mit der EC-Nummer EC 1.14.19.9 klassifiziert. Eine Tryptophanhalogenase ist in der Tryptophan zu halogenieren. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform stammt die Tryptophanhalogenase aus der Gattung Lechevalieria oder Streptomyces und stärker bevorzugt aus der Spezies Lechevalieria aerocolonigenes und/oder Streptomyces toxytricini. Die durch die Tryptophanhalogenase katalysierte Reaktion ist in
Bevorzugt wird der Grad der Identität bestimmt indem man die jeweilige Sequenz mit der Aminosäuresequenz beliebigen der vorstehend erwähnten SEQ ID NOs: vergleicht. Wenn die Sequenzen, die verglichen werden, nicht dieselbe Länge haben, bezieht sich der Grad der Identität entweder auf den Prozentsatz der Aminosäurereste in der kürzeren Sequenz, die mit den Aminosäureresten in der längeren Sequenz identisch sind, oder auf den Prozentsatz von Aminosäureresten in der längeren Sequenz, die mit Aminosäureresten in der kürzeren Sequenz identisch sind. Der Grad der Sequenzidentität kann gemäß Verfahren bestimmt werden, die auf dem Fachgebiet wohlbekannt sind, wobei bevorzugt Computer-Algorithmen wie z. B. CLUSTAL eingesetzt werden.Preferably, the degree of identity is determined by comparing the particular sequence with the amino acid sequence of any of the aforementioned SEQ ID NOs:. If the sequences being compared do not have the same length, the degree of identity refers either to the percentage of amino acid residues in the shorter sequence that are identical to the amino acid residues in the longer sequence or to the percentage of amino acid residues in the longer one Sequence identical to amino acid residues in the shorter sequence. The degree of sequence identity can be determined according to methods well known in the art, with computer algorithms such as e.g. B. CLUSTAL be used.
Wenn man das CLUSTAL-Analyseverfahren verwendet um festzustellen, ob eine bestimmte Sequenz zum Beispiel 80% mit einer Referenz-Sequenz identisch ist, können die Standardeinstellungen verwendet werden, oder die Einstellungen sind bevorzugt wie folgt: Matrix: BLOSUM 30; Lückenstrafwert: 10,0; Lückenverlängerungs-Strafwert: 0,05; Delay Divergent: 40; Gap Separation Distance: 8 für Vergleiche von Aminosäuresequenzen. Für Vergleiche von Nucleotidsequenzen wird der Lückenverlängerungs-Strafwert bevorzugt auf 5,0 gesetzt. Using the CLUSTAL analysis method to determine if a particular sequence is, for example, 80% identical to a reference sequence, the default settings can be used, or the settings are preferably as follows: Matrix: BLOSUM 30; Gap penalty: 10.0; Gap extension penalty: 0.05; Delay Divergent: 40; Gap Separation Distance: 8 for comparison of amino acid sequences. For comparisons of nucleotide sequences, the gap extension penalty is preferably set to 5.0.
Im Kontext der vorliegenden Erfindung umfasst die transgene Pflanzenzelle eine, wie hierin definierte, heterologe Tryptophanase, ein, wie hierin definiertes, heterologes Cytochrom P450, und eine heterologe Tryptophanhalogenase, wobei die Tryptophanhalogenase durch ein Nucleinsäuremolekül kodiert wird, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus:
- (a) einem Nucleinsäuremolekül umfassend eine Nucleinsäuresequenz, die aus der Nucleotidsequenz der SEQ ID NO: 5 oder der SEQ ID NO: 7 besteht;
- (b) einem Nucleinsäuremolekül umfassend eine Nucleinsäuresequenz, das ein Protein kodiert, welches aus der Aminosäuresequenz der SEQ ID NO: 6 oder der SEQ ID NO: 8 besteht;
- (c) einem Nucleinsäuremolekül umfassend eine Nucleinsäuresequenz, das ein Protein kodiert, welches aus der Aminosäuresequenz der SEQ ID NO: 6, oder der Aminosäuresequenz der SEQ ID NO: 8 besteht, in
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39 oder 40 Aminosäurereste deletiert, substituiert, inseriert und/oder hinzugefügt wurden, und eine Tryptophanhalogenase-Aktivität hat; undwelcher - (d) einem Nucleinsäuremolekül umfassend eine Nucleinsäuresequenz, das ein Protein codiert, welches eine
Aminosäuresequenz mit mindestens 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98 oder 99%iger Sequenzidentität zu der Aminosäuresequenz nach SEQ ID NO: 6 oder zu der Aminosäuresequenz nach SEQ ID NO: 8 hat und eine Tryptophanhalogenase-Aktivität hat.
- (a) a nucleic acid molecule comprising a nucleic acid sequence consisting of the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 5 or SEQ ID NO: 7;
- (b) a nucleic acid molecule comprising a nucleic acid sequence encoding a protein consisting of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 6 or SEQ ID NO: 8;
- (c) a nucleic acid molecule comprising a nucleic acid sequence encoding a protein consisting of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 6, or the amino acid sequence of SEQ ID NO: 8, in which 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, or 40 amino acid residues have been deleted, substituted, inserted and / or added, and have tryptophan haloase activity; and
- (d) a nucleic acid molecule comprising a nucleic acid sequence encoding a protein having an amino acid sequence of at least 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90 , 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98 or 99% sequence identity to the amino acid sequence of SEQ ID NO: 6 or to the amino acid sequence of SEQ ID NO: 8 and having tryptophan haloacid activity.
In einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die transgene Pflanzenzelle eine, wie hierin definierte, heterologe Tryptophanase, ein, wie hierin definiertes, heterologes Cytochrom P450, und die hierin beschriebenen Tryptophanhalogenasen RebH aus Lechevalieria aerocolonigenes (SEQ ID NOs: 5 (cDNA), 6 (Protein)) und SttH aus Streptomyces toxytricini (SEQ ID NOs: 7 (cDNA), 8 (Protein)). Transgene Pflanzen, welche die hierin beschriebene Tryptophanhalogenase RebH umfassen können ferner dadurch gekennzeichnet sein, dass sie ein Enzym umfassen, welches die NADH-abhängige Reduktion von FAD zu FADH2 katalysiert. Ein Beispiel eines solchen Enzyms wäre die RebF aus Lechevalieria aerocolonigenes (wie in den SEQ ID NOs: 29 (cDNA) und 30 (Protein) gezeigt) oder ein strukturell nahe verwandtes Molekül. Wie in den hierin beschriebenen Beispielen gezeigt, besteht in der vorliegenden erfindungsgemäßen transgenen Pflanzenzellen keine Notwendigkeit bspw. die zu RebH korrespondierende Reduktase RebF zu co-exprimieren, da die für die hierin beschriebenen enzymatischen Reaktionen benötigten Reduktionsäquivalente in ausreichender Menge endogen in der hierin beschriebenen Pflanzenzelle vorkommen. Im Kontext der vorliegenden Erfindung ist die hierin beschriebene transgene Pflanzenzelle ferner dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Glycosyltransferase umfasst. Im Kontext der vorliegenden Erfindung umfasst die transgene Pflanzenzelle eine heterologe Tryptophanase, wie hierin definiert, ein heterologes Cytochrom P450 (CYP450), wie hierin definiert, und eine Glycosyltransferase. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf eine transgene Pflanzenzelle, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine heterologe Tryptophanase, wie hierin definiert, ein heterologes Cytochrom P450 (CYP450), wie hierin definiert, eine heterologe Halogenase, wie hierin definiert, und eine Glycosyltransferase umfasst. Im Kontext der vorliegenden Erfindung wird die Glukosylierung vorzugsweise durch eine endogene Glycosyltransferase vorgenommen. Im Kontext der vorliegenden Erfindung kann auch mittels eines Nucleinsäuremoleküls eine Glycosyltransferase in die erfindungsgemäße transgene Pflanzenzelle eingeführt werden um durch heterologe Expression bspw. eines Glycosyltransferasegens die Glukosylierung zu optimieren oder aber gänzlich neue Moleküle durch Expression alternativer Glycosyltransferasen zu erzeugen (z. B. Galaktoside oder Glucuronide durch Expression entsprechender Galaktosyl- oder Glucuronyltransferasegene). Im Kontext der vorliegenden Erfindung kann im Prinzip jede Glycosyltransferase eingesetzt werden, insbesondere aus prokaryontischen oder eukaryontischen Organismen. Eukaryontische Glycosyltransferase sind beschrieben, z. B. von Pilzen wie Botrytis cinerea (Hinterlegungsnummer: EMR87737.1; Genkennung: GI: 472243069), Pflanzen wie z. B. Arabidopsis thaliana Glucosyltransferase (BAD43267.1 GI: 51969150) sowie Tieren wie z. B. Homo sapiens Glucuronyltransferase (Hinterlegungsnummer: BAA96077.1; Genkennung: GI: 8051678). In einer besonders bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei der Glycosyltransferase um die Arbutinsynthase (Hinterlegungsnummer: AJ310148; Genkennung: GI: 13508843)In a particular embodiment of the present invention, the transgenic plant cell comprises a heterologous tryptophanase as defined herein, a heterologous cytochrome P450 as defined herein, and the Lechevalieria aerocolonigenes tryptophan halogenases RebH described herein (SEQ ID NOs: 5 (cDNA), 6 (Protein)) and SttH from Streptomyces toxytricini (SEQ ID NOs: 7 (cDNA), 8 (protein)). Transgenic plants comprising the tryptophan halogenase RebH described herein can be further characterized as comprising an enzyme which catalyzes the NADH-dependent reduction of FAD to FADH2. An example of such an enzyme would be the RebF from Lechevalieria aerocolonigenes (as shown in SEQ ID NOs: 29 (cDNA) and 30 (protein)) or a structurally closely related molecule. For example, as shown in the Examples herein, there is no need in the present transgenic plant cells of the invention to co-express the RebH-corresponding reductase RebF, since the reduction equivalents required for the enzymatic reactions described herein occur in sufficient amount endogenously in the plant cell described herein , In the context of the present invention, the transgenic plant cell described herein is further characterized as comprising a glycosyltransferase. In the context of the present invention, the transgenic plant cell comprises a heterologous tryptophanase as defined herein, a heterologous cytochrome P450 (CYP450) as defined herein, and a glycosyltransferase. The present invention also relates to a transgenic plant cell, characterized in that it comprises a heterologous tryptophanase as defined herein, a heterologous cytochrome P450 (CYP450) as defined herein, a heterologous halogenase as defined herein, and a glycosyltransferase. In the context of the present invention, glucosylation is preferably performed by an endogenous glycosyltransferase. In the context of the present invention, a glycosyltransferase can also be introduced into the transgenic plant cell according to the invention by means of a heterologous expression of, for example, a glycosyltransferase gene to optimize glucosylation or to generate entirely new molecules by expression of alternative glycosyltransferases (eg galactosides or glucuronides by expression of corresponding galactosyl or glucuronyltransferase genes). In the context of the present invention, in principle any glycosyltransferase may be employed, in particular from prokaryotic or eukaryotic organisms. Eukaryotic glycosyltransferase are described, e.g. Of fungi such as Botrytis cinerea (accession number: EMR87737.1, gene identifier: GI: 472243069), plants such as e.g. B. Arabidopsis thaliana glucosyltransferase (BAD43267.1 GI: 51969150) and animals such. B. Homo sapiens glucuronyltransferase (accession number: BAA96077.1, gene identifier: GI: 8051678). In a particularly preferred embodiment, the glycosyltransferase is the arbutin synthase (accession number: AJ310148, gene identifier: GI: 13508843)
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die transgene Pflanzenzelle genetisch so verändert, dass sie transformiert mit einem Nucleinsäuremolekül ist, das ein Enzym codiert, das fähig ist, den oben beschriebenen Reaktionsschritt von Tryptophan zu halogeniertem Tryptophan zu katalysieren, und mit einem Nucleinsäuremolekül, das ein Enzym kodiert, das fähig ist, den oben beschriebenen Reaktionsschritt von halogeniertem Tryptophan zu halogeniertem Indol zu katalysieren, oder mit einem Nucleinsäuremolekül, das ein Enzym codiert, das fähig ist, den oben beschriebenen Reaktionsschritt von halogeniertem Tryptophan zu halogeniertem Indol zu katalysieren, und mit einem Nucleinsäuremolekül, das ein Enzym kodiert, das fähig ist, den oben beschriebenen Reaktionsschritt von halogeniertem Indol zu halogeniertem Indoxyl zu katalysieren, oder mit einem Nucleinsäuremolekül, das ein Enzym codiert, das fähig ist, den oben beschriebenen Reaktionsschritt von Tryptophan zu halogeniertem Tryptophan zu katalysieren, mit einem Nucleinsäuremolekül, das ein Enzym kodiert, das fähig ist, den oben beschriebenen Reaktionsschritt von halogeniertem Tryptophan zu halogeniertem Indol zu katalysieren, und mit einem Nucleinsäuremolekül, das ein Enzym codiert das fähig ist, den oben beschriebenen Reaktionsschritt von halogeniertem Indol zu halogeniertem Indoxyl zu katalysieren.In a particularly preferred embodiment, the transgenic plant cell is genetically engineered to be transformed with a nucleic acid molecule encoding an enzyme capable of catalyzing the above-described reaction step from tryptophan to halogenated tryptophan, and to a A nucleic acid molecule which encodes an enzyme capable of catalyzing the above-described reaction step from halogenated tryptophan to halogenated indole or with a nucleic acid molecule encoding an enzyme capable of catalyzing the above-described reaction step from halogenated tryptophan to halogenated indole , and a nucleic acid molecule encoding an enzyme capable of catalyzing the above-described halogenated indole to halogenated indoxyl reaction step, or a nucleic acid molecule encoding an enzyme capable of converting the above-described reaction step from tryptophan to halogenated one Tryptophan, with a nucleic acid molecule encoding an enzyme capable of catalyzing the above-described reaction step of halogenated tryptophan to halogenated indole, and with a nucleic acid molecule encoding an enzyme capable of the above-described Rea Catalyst step from halogenated indole to halogenated indoxyl.
Verfahren zur Herstellung der oben beschriebenen transgenen (genetisch veränderten) Pflanzenzelle, sind auf dem Fachgebiet bekannt. Demgemäß wir die Pflanzenzelle im Allgemeinen mit einem DNA-Konstrukt transformiert das die Expression des jeweiligen Enzyms in der Pflanzenzelle ermöglicht. Ein solches Konstrukt umfasst normalerweise die betreffende kodierende Sequenz verbunden mit regulatorischen Sequenzen, die die Transkription und Translation in der jeweiligen Wirtszelle ermöglichen, z. B. einem Promotor und/oder Enhancer und/oder einem Transkriptionsterminator und/oder Ribosomenbindungsstellen etc.Methods of producing the transgenic (genetically modified) plant cell described above are known in the art. Accordingly, we generally transform the plant cell with a DNA construct which allows the expression of the respective enzyme in the plant cell. Such a construct will normally comprise the particular coding sequence associated with regulatory sequences enabling transcription and translation in the particular host cell, e.g. As a promoter and / or enhancer and / or a transcription terminator and / or ribosome binding sites, etc.
Im Kontext der vorliegenden Erfindung ist die Pflanzenzelle, die in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet wird, eine transgene Pflanzenzelle, der von einer Pflanzenzelle abstammt, die natürlicherweise keine halogenierten Indoxylderivate produziert, aber die wie hierin beschrieben genetisch verändert wurde, so dass sie halogenierte Indoxylderivate produziert, und die (ein) Enzym(e) exprimiert, die fähig (ist) sind, die Bildung von halogenierten Indoxylderivaten zu katalysieren.In the context of the present invention, the plant cell used in the method of the present invention is a transgenic plant cell derived from a plant cell that does not naturally produce halogenated indoxyl derivatives, but has been genetically engineered as described herein to produce halogenated indoxyl derivatives. and expressing the enzyme (s) capable of catalyzing the formation of halogenated indoxyl derivatives.
Im Kontext der vorliegenden Erfindung bedeutet der Begriff „heterolog”, dass die Pflanzenzelle genetisch so verändert ist, dass sie ein fremdes Nucleinsäuremolekül oder mehrere fremde Nucleinsäuremoleküle enthält, das ein wie oben definiertes Enzym kodiert, d. h. bspw. eine Tryptophanase (EC 4.1.99.1), kodiert. Der Begriff „fremd” bedeutet in diesem Zusammenhang, dass das Nucleinsäuremolekül natürlicherweise nicht in der Pflanzenzelle vorkommt. Das bedeutet, dass es nicht in derselben Struktur oder an demselben Ort in der Pflanzenzelle vorkommt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das fremde Nucleinsäuremolekül ein rekombinantes Molekül, umfassend einen Promotor und eine codierende Sequenz, die das entsprechende Enzym, d. h. eine Tryptophanase (EC 4.1.99.1), codiert, wobei der Promotor, der die Expression der codierenden Sequenz steuert, im Hinblick auf die codierende Sequenz heterolog ist. Heterolog bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der Promotor nicht der Promotor ist, der natürlicherweise die Expression der codierenden Sequenz steuert, sondern ein Promotor ist, der natürlicherweise die Expression einer anderen codierenden Sequenz steuert, d. h. er stammt von einem anderen Gen oder ist ein synthetischer Promotor oder ein chimärer Promotor. Vorzugsweise ist der Promotor ein Promotor, welcher zu der Pflanzenzelle heterolog ist, d. h. ein Promotor, der natürlicherweise nicht in der jeweiligen Pflanzenzelle vorkommt. Stärker bevorzugt ist der Promotor ein induzierbarer Promotor. Promotoren für die Steuerung der Expression in Pflanzenzellen sind dem Fachmann wohl bekannt.In the context of the present invention, the term "heterologous" means that the plant cell is genetically engineered to contain a foreign nucleic acid molecule or molecules that encode an enzyme as defined above, i. H. For example, a tryptophanase (EC 4.1.99.1), encoded. The term "foreign" in this context means that the nucleic acid molecule naturally does not occur in the plant cell. This means that it does not occur in the same structure or at the same place in the plant cell. In a preferred embodiment, the foreign nucleic acid molecule is a recombinant molecule comprising a promoter and a coding sequence encoding the corresponding enzyme, i. H. a tryptophanase (EC 4.1.99.1), wherein the promoter which directs the expression of the coding sequence is heterologous with respect to the coding sequence. Heterologous in this context means that the promoter is not the promoter that naturally controls the expression of the coding sequence, but is a promoter that naturally controls the expression of another coding sequence, i. H. it is from another gene or is a synthetic promoter or a chimeric promoter. Preferably, the promoter is a promoter which is heterologous to the plant cell, i. H. a promoter that does not naturally occur in the particular plant cell. More preferably, the promoter is an inducible promoter. Promoters for the control of expression in plant cells are well known to those skilled in the art.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist das Nucleinsäuremolekül für die Pflanzenzelle insofern fremd, als das codierte Enzym, d. h. bspw. die Tryptophanase (EC 4.1.99.1), nicht in der Pflanzenzelle vorkommt, d. h. natürlicherweise nicht durch die Pflanzenzelle exprimiert wird, wenn dieser nicht genetisch verändert ist. Mit anderen Worten ist bspw. die kodierte Tryptophanase (EC 4.1.99.1) in Bezug auf die Pflanzenzelle heterolog.In another preferred embodiment, the nucleic acid molecule is foreign to the plant cell in that the encoded enzyme, i. H. For example, the tryptophanase (EC 4.1.99.1), not found in the plant cell, d. H. is not naturally expressed by the plant cell if it is not genetically modified. In other words, for example, the encoded tryptophanase (EC 4.1.99.1) is heterologous with respect to the plant cell.
Im Kontext der vorliegenden Erfindung bedeutet der Begriff „heterolog”, dass die Pflanzenzelle innerhalb der regulatorischen Region, die die Expression eines wie oben definierten Enzyms kontrolliert, das natürlicherweise in der Pflanzenzelle vorkommt, genetisch verändert ist, um eine Erhöhung der Expression des jeweiligen Enzyms im Vergleich zu einem entsprechenden nicht genetisch veränderten Organismus zu bewirken. Die Bedeutung des Begriffs „höhere Expression” wird nachstehend ausführlicher beschrieben.In the context of the present invention, the term "heterologous" means that the plant cell within the regulatory region, which controls the expression of an enzyme as defined above naturally occurring in the plant cell, is genetically engineered to increase the expression of the particular enzyme in the plant Comparison with a corresponding non-genetically modified organism. The meaning of the term "higher expression" is described in more detail below.
Eine solche Modifikation einer regulatorischen Region kann durch dem Fachmann bekannte Verfahren erreicht werden. Ein Beispiel ist der Austausch des natürlicherweise vorkommenden Promotors durch einen Promotor, der eine höhere Expression ermöglicht, oder die Modifikation des natürlicherweise vorkommenden Promotors, um eine höhere Expression aufzuweisen. Demgemäß enthält die Pflanzenzelle in dieser Ausführungsform innerhalb der regulatorischen Region des Gens, das ein wie oben definiertes Enzym kodiert, ein fremdes Nucleinsäuremolekül, das natürlicherweise nicht in der Pflanzenzelle vorkommt und das zu einer höheren Expression des Enzyms im Vergleich zu einer entsprechenden nicht genetisch veränderten Pflanzenzelle führt.Such a modification of a regulatory region can be achieved by methods known to those skilled in the art. An example is the replacement of the naturally occurring promoter by a promoter that allows for higher expression, or the modification of the naturally occurring promoter to have higher expression. Accordingly, in this embodiment, the plant cell within the regulatory region of the gene encoding an enzyme as defined above contains a foreign nucleic acid molecule that does not naturally occur in the plant cell higher expression of the enzyme compared to a corresponding non-genetically modified plant cell.
Das fremde Nucleinsäuremolekül kann in der Pflanzenzelle in extrachromosomaler Form, z. B. als Plasmid, oder stabil in (das) die Chromosom(e) integriert vorliegen. In Prinzip kann das fremde Nucleinsäuremolekül in das Kern-Genom einer Pflanzenzelle oder in das Organellengenom, wie bspw. Plastiden, Chloroplasten, Mitochondrien eingeführt werden. Methoden zur Einführung des/der fremden Nucleinsäuremoleküls/e sind dem Fachmann wohl bekannt. Eine stabile Integration ist bevorzugt. Im Kontext der vorliegenden Erfindung umfassen die Nucleinsäuremoleküle, die bspw. Eine Tryptophanase (EC 4.1.99.1) codieren, eine Proteintargetingsignalsequenz, die die Lokalisierung in einem bestimmten Zellkompartiment wie der Vakuole oder den Plastiden/Chloroplasten sicherstellt, Im Kontext der vorliegenden Erfindung kann das fremde Nucleinsäuremolekül eine oder mehrere Nucleinsäuremoleküle Proteintargetingsignalsequenz(en) auf, die bspw. Eine cytosolische Lokalisation der Tryptophanase vermittelt (vermitteln).The foreign nucleic acid molecule may be present in the plant cell in extrachromosomal form, e.g. As a plasmid, or stable in (the) chromosome (s) are integrated. In principle, the foreign nucleic acid molecule can be introduced into the nuclear genome of a plant cell or into the organelle genome, such as plastids, chloroplasts, mitochondria. Methods for introducing the foreign nucleic acid molecule (s) are well known to those skilled in the art. Stable integration is preferred. In the context of the present invention, the nucleic acid molecules encoding, for example, a tryptophanase (EC 4.1.99.1) comprise a protein targeting signal sequence which ensures localization in a particular cell compartment, such as the vacuole or plastid / chloroplast. In the context of the present invention, the foreign Nucleic acid molecule comprises one or more nucleic acid molecules of protein targeting signal sequence (s) which, for example, mediate cytosolic localization of tryptophanase.
Exemplarische Proteintargetingsignalsequenz(en) sind in der vorliegenden Erfindung in den SEQ ID Nos: 26 (wie kodiert durch die Nucleinsäuresequenz nach SEQ ID NO: 25) oder 32 (wie kodiert durch die Nucleinsäuresequenz nach SEQ ID NO: 31) Im Kontext der vorliegenden Erfindung können die hierin beschriebenen Proteine (d. h. Tryptophanase, Halogenase, Cytochrom P450 (CYP450) und/oder Glycosyltransferase) in Chloroplasten und/oder dem Cytosol exprimiert werden. In einer besonderen Ausführungsform werden die hierin beschriebenen Proteine in den/dem in Beispiel 3 beschriebenen/beschriebenem Pflanzenkompartimenten/Pflanzenkompartiment exprimiert; bspw. Co-Lokalisation der Tryptophanase und des Cytochrom P450 (CYP450) im Chloroplasten und/oder Lokalisation der Tryptophanase im Cytosol und Lokalisation des Cytochrom P450 (CYP450) im Cytosol.Exemplary protein targeting signal sequence (s) in the present invention are SEQ ID Nos: 26 (as encoded by the nucleic acid sequence of SEQ ID NO: 25) or 32 (as encoded by the nucleic acid sequence of SEQ ID NO: 31) in the context of the present invention For example, the proteins described herein (ie, tryptophanase, halogenase, cytochrome P450 (CYP450) and / or glycosyltransferase) can be expressed in chloroplasts and / or the cytosol. In a particular embodiment, the proteins described herein are expressed in the plant compartment / plant compartment described / described in Example 3; For example, co-localization of tryptophanase and cytochrome P450 (CYP450) in the chloroplast and / or localization of tryptophanase in the cytosol and localization of cytochrome P450 (CYP450) in the cytosol.
Der Begriff „transgen” bedeutet in diesem Zusammenhang vorzugsweise, dass die Pflanzenzelle in dem Sinne transgen ist, dass die zusätzlich so genetisch verändert wurde, dass sie ein wie oben definiertes Enzym exprimiert. Der Begriff „transgen” bedeutet in einer Ausführungsform, dass die Pflanzenzelle genetisch so verändert ist, dass sie ein oder mehrere fremde Nucleinsäuremoleküle enthält, das ein oder mehrere wie hierein definierte Enzyme codiert, d. h. bspw. Eine Tryptophanse (EC 4.1.99.1), ein Cytochrom P450 und/oder eine Halogenase, vorzugsweise eine Tryptophanalogenase (EC 1.14.99.9), codiert.The term "transgenic" in this context preferably means that the plant cell is transgenic in the sense that it has additionally been genetically engineered to express an enzyme as defined above. The term "transgenic" in one embodiment means that the plant cell is genetically engineered to contain one or more foreign nucleic acid molecules encoding one or more enzymes as defined herein, i. H. For example, a tryptophanse (EC 4.1.99.1), a cytochrome P450 and / or a halogenase, preferably a tryptophan analogue (EC 1.14.99.9) encoded.
Was die Definition des Begriffs „fremdes Nucleinsäuremolekül” anbetrifft, gilt das Gleiche wie bereits vorstehend dargelegt wurde.As far as the definition of the term "foreign nucleic acid molecule" is concerned, the same applies as stated above.
In einer anderen Ausführungsform bedeutet der Begriff „transgen”, dass die Pflanzenzelle innerhalb der regulatorischen Region, die die Expression eines wie oben definierten Enzyms kontrolliert, das natürlicherweise in der Pflanzenzelle vorkommt, genetisch verändert ist, um eine Erhöhung der Expression des jeweiligen Enzyms im Vergleich zu einem entsprechenden nicht genetisch veränderten Organismus zu bewirken. Die Bedeutung des Begriffs „höhere Expression” wird nachstehend ausführlicher beschrieben.In another embodiment, the term "transgenic" means that the plant cell within the regulatory region, which controls the expression of an enzyme as defined above naturally occurring in the plant cell, is genetically altered to increase the expression of the respective enzyme in comparison to cause a corresponding non-genetically modified organism. The meaning of the term "higher expression" is described in more detail below.
Eine solche Modifikation einer regulatorischen Region kann durch dem Fachmann bekannte Verfahren erreicht werden. Ein Beispiel ist der Austausch des natürlicherweise vorkommenden Promotors durch einen Promotor, der eine höhere Expression ermöglicht, oder die Modifikation des natürlicherweise vorkommenden Promotors, um eine höhere Expression aufzuweisen. Demgemäß enthält die Pflanzenzelle in dieser Ausführungsform innerhalb der regulatorischen Region des Gens, das ein oder mehrere der hierin definierten Enzyme kodiert, ein fremdes Nucleinsäuremolekül, das natürlicherweise nicht in der Pflanzenzelle vorkommt und das zu einer höheren Expression des Enzyms im Vergleich zu einer entsprechenden nicht genetisch veränderten Pflanzenzelle führt.Such a modification of a regulatory region can be achieved by methods known to those skilled in the art. An example is the replacement of the naturally occurring promoter by a promoter that allows for higher expression, or the modification of the naturally occurring promoter to have higher expression. Accordingly, in this embodiment, the plant cell within the regulatory region of the gene encoding one or more of the enzymes defined herein contains a foreign nucleic acid molecule that does not naturally occur in the plant cell and that is non-genetically higher in expression of the enzyme compared to a corresponding one altered plant cell leads.
Vorzugsweise ist ein solcher Organismus/Mikroorganismus dadurch gekennzeichnet, dass die Expression/Aktivität eines der hierin definierten Enzyme, bspw. Der Tryptophanhalogenase in der transgenen Pflanzenzelle im Vergleich zu einer entsprechend nicht genetisch veränderten Pflanzenzelle höher ist. Eine „höhere” Expression/Aktivität bedeutet, dass die Expression/Aktivität des Enzyms, d. h. bspw. In der Tryptophanhalogenase, in der genetisch veränderten Pflanzenzelle mindestens 10%, vorzugsweise mindestens 20%, mehr bevorzugt mindestens 30% oder 50%, stärker bevorzugt mindestens 70% oder 80% und besonders bevorzugt mindestens 90% oder 100% höher ist als in der entsprechenden nicht genetisch veränderten Pflanzenzelle. In stärker bevorzugten Ausführungsformen kann die Erhöhung der Expression/Aktivität mindestens 150%, mindestens 200% oder mindestens 500% betragen. In besonders bevorzugten Ausführungsformen ist die Expression um mindestens das 10-fache, mehr bevorzugt mindestens das 100-fache und stärker bevorzugt mindestens das 1000-fache höher als in der entsprechenden nicht genetisch veränderten Pflanzenzelle.Preferably, such an organism / microorganism is characterized in that the expression / activity of one of the enzymes defined herein, for example the tryptophan haloase in the transgenic plant cell, is higher in comparison with a corresponding non-genetically modified plant cell. A "higher" expression / activity means that the expression / activity of the enzyme, i. H. For example, in the tryptophan halo, the genetically modified plant cell is at least 10%, preferably at least 20%, more preferably at least 30% or 50%, more preferably at least 70% or 80%, and most preferably at least 90% or 100% higher than in the corresponding non-genetically modified plant cell. In more preferred embodiments, the increase in expression / activity may be at least 150%, at least 200%, or at least 500%. In particularly preferred embodiments, the expression is at least 10-fold, more preferably at least 100-fold, and more preferably at least 1000-fold higher than in the corresponding non-genetically modified plant cell.
Der Begriff „höhere” Expression/Aktivität umfasst auch den Umstand, dass die entsprechende nicht genetisch veränderte Pflanzenzelle kein entsprechendes Enzym, d. h. bspw. Keine Tryptophanhalogenase, exprimiert, so dass die entsprechende Expression/Aktivität in der nicht genetisch veränderten Pflanzenzelle null ist. The term "higher" expression / activity also encompasses the fact that the corresponding non-genetically modified plant cell does not express a corresponding enzyme, ie, for example, no tryptophan haloase, so that the corresponding expression / activity in the non-genetically modified plant cell is zero.
Was die Verfahren zur Messung des Grads der Expression oder der Aktivität anbetrifft, gilt das Gleiche wie bereits vorstehend dargelegt wurde.As for the methods for measuring the degree of expression or activity, the same applies as stated above.
Der Begriff „Pflanzenzelle”, wie er im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung verwendet wird, bezieht sich im Allgemeinen auf jede mögliche Art von eukaryontischen Pflanzen. Der Begriff umfasst auch transgene Pflanzen oder Zellaggregate solcher Pflanzenzelle wie pflanzliche Zellkulturen, Gewebe oder Kalli.The term "plant cell" as used in the context of the present invention generally refers to any type of eukaryotic plant. The term also includes transgenic plants or cell aggregates of such plant cells as plant cell cultures, tissues or calli.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist stammt die Pflanzenzelle aus einer Pflanze. Prinzipiell kann eine beliebige Pflanze verwendet werden. Bevorzugte Pflanzen sind Pflanzen der Familien Solanaceae, Loganiaceae, Apocnaceae, Rosaceae, Asteraceae, Caryophyllaceae, Asclepiadaceae, Rubiaceae, Acanthaceae, Polygonaceae, Brassicacea oder Fabaceae. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform gehört die Pflanze zur Familie Solanaceae, insbesondere zur Gattung Nicotiana, Solanum, und stärker bevorzugt zur Spezies Nicotiana tabacum, Nicotiana glauca, Nicotiana rustica, Nicotiana benthamiana, Solanum tuberosum oder Solanum lycopersicum.In a preferred embodiment, the plant cell is derived from a plant. In principle, any plant can be used. Preferred plants are plants of the families Solanaceae, Loganiaceae, Apocnaceae, Rosaceae, Asteraceae, Caryophyllaceae, Asclepiadaceae, Rubiaceae, Acanthaceae, Polygonaceae, Brassicacea or Fabaceae. In a particularly preferred embodiment, the plant belongs to the family Solanaceae, in particular to the genus Nicotiana, Solanum, and more preferably to the species Nicotiana tabacum, Nicotiana glauca, Nicotiana rustica, Nicotiana benthamiana, Solanum tuberosum or Solanum lycopersicum.
Im Kontext der vorliegenden Erfindung ist die transgene Pflanzenzelle ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Rauvolfia serpentina, Rauvolfia tetraphylla, Rauvolfia verticillata, Catharanthus roseus, Dianthus caryophyllus, Rosa spp., Petunia hybrida, Gossypium hirsutum, Gossypium herbaceum, Daucus carota, Olea europea, Zea mays, Oryza sativa, Arabidopsis thaliana, Isatis tinctoria, Isatis indigotica, Baphicacanthus cusia, Polygonum tinctorium, Wolffia arrhiza oder Wolffia globosa.In the context of the present invention, the transgenic plant cell is selected from the group consisting of Rauvolfia serpentina, Rauvolfia tetraphylla, Rauvolfia verticillata, Catharanthus roseus, Dianthus caryophyllus, Rosa spp., Petunia hybrida, Gossypium hirsutum, Gossypium herbaceum, Daucus carota, Olea europea, Zea mays, Oryza sativa, Arabidopsis thaliana, Isatis tinctoria, Isatis indigotica, Baphicacanthus cusia, Polygonum tinctorium, Wolffia arrhiza or Wolffia globosa.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung von halogenierten Indoxylderivaten aus Tryptophan, umfassend die Schritte:
- (a) das Züchten der hierin beschriebenen, transgenen Pflanzenzelle, der hierin beschriebenen transgenen Pflanze oder der hierin beschriebenen pflanzlichen Zellkultur in einem geeigneten Medium; und
- (b) das Gewinnen der halogenierten Indoxylderivaten aus den transformierten Pflanzenzellen und/oder dem Medium der Zellkultur.
- (a) culturing the transgenic plant cell described herein, the transgenic plant described herein or the plant cell culture described herein in a suitable medium; and
- (b) recovering the halogenated indoxyl derivatives from the transformed plant cells and / or the medium of the cell culture.
Ebenfalls umfasst von der Erfindung ist ein halogeniertes Indoxylderivat, das durch ein Verfahren der vorliegenden Erfindung erhältlich/hergestellt ist/wird. Zum Beispiel können halogenierte Indoxylderivate ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus halogeniertem Indol, halogeniertem Indoxyl, halogeniertem Indikan und halogeniertem Indigo durch das erfindungsgemäße Verfahren erhalten/hergestellt werden. Exemplarische Indoxylderivate im Kontext der vorliegenden Erfindung sind 4-Chlorindikan, 5-Chlorindikan, 6-Chlorindikan, 7-Chlorindikan, 4-Bromindikan, 5-Bromindikan, 6-Bromindikan, 7-Bromindikan, 4,5-Dibromindikan, 4,6-Dibromindikan, 4,7-Dibromindikan, 5,6-Dibromindikan, 5,7-Dibromindikan, 6,7-Dibromindikan, 4,5-Dichlorindikan, 4,6-Dichlorindikan, 4,7-Dichlorindikan, 5,6-Dichlorindikan, 5,7-Dichlorindikan, 6,7-Dichlorindikan, 4,5,6-Trihalogenindikan, 5,6,7-Trihalogenindikan, 4,6,7-Trihalogenindikan, 4,5,7-Trihalogenindikan, 4,5,6,7-Tetrahalogenindikan, Isoindigo, 6,6'-Halogenindigo, oder 7,7'-Halogenindigo.Also included in the invention is a halogenated indoxyl derivative obtainable / manufactured by a process of the present invention. For example, halogenated indoxyl derivatives can be selected from the group consisting of halogenated indole, halogenated indoxyl, halogenated Indikan and halogenated indigo obtained by the inventive method / manufactured. Exemplary indoxyl derivatives in the context of the present invention are 4-chloroindicene, 5-chloroindicene, 6-chloroindicene, 7-chloroindicene, 4-bromoindane, 5-bromoindane, 6-bromoindane, 7-bromoindane, 4,5-dibromoindicene, 4,6-bromoindane. Dibromo-indican, 4,7-dibromoindicine, 5,6-dibromoindicine, 5,7-dibromoindicine, 6,7-dibromoindicene, 4,5-dichloroindicene, 4,6-dichloroindicene, 4,7-dichloroindicene, 5,6-dichloroindicene, 5,7-dichloroindane, 6,7-dichloroindane, 4,5,6-trihaloindicene, 5,6,7-trihaloindicene, 4,6,7-trihaloindicene, 4,5,7-trihaloindicene, 4,5,6, 7-tetrahaloindane, isoindigo, 6,6'-haloindigo, or 7,7'-haloindigo.
Im Zusammenhang mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung ist es auch vorstellbar, dass das erfindungsgemäße Verfahren in einer Weise ausgeführt wird, bei dem zwei Typen von Pflanzenzellen verwendet werden, d. h. ein Typ, der bspw. Halogeniertes Tryptophan produziert, und ein Typ, der das vom ersten Typ von Pflanzenzelle produzierte halogenierte Tryptophan verwendet, um es mit Hilfe eines der oben definierten Enzyme zu halogeniertem Indol und/oder zu halogenierten Indoxyl umzusetzen.In the context of the method of the present invention, it is also conceivable that the method according to the invention is carried out in a manner in which two types of plant cells are used, i. H. a type which produces, for example, halogenated tryptophan and a type which uses the halogenated tryptophan produced by the first type of plant cell to convert it to halogenated indole and / or to halogenated indoxyl by means of one of the enzymes defined above.
Wenn das erfindungsgemäße Verfahren unter Verwendung von Pflanzenzelle, welche die jeweiligen Enzymaktivität(en) bereitstellen ausgeführt wird, werden die Pflanzenzellen unter geeigneten Kulturbedingungen, bspw. In einem geeigneten Medium, kultiviert, welche das Zustandekommen der Enzymreaktion(en) ermöglichen. Die spezifischen Kulturbedingungen hängen von der spezifischen Pflanzenzelle ab, sind dem Fachmann jedoch wohl bekannt. Die Kulturbedingungen werden im Allgemeinen derart gewählt, dass sie die Expression der Gene, die die Enzyme für die jeweiligen Reaktionen kodieren, ermöglichen. Dem Fachmann sind verschiedene Verfahren bekannt um die Expression bestimmter Gene in bestimmten Phasen der Kultur zu verbessern und abzustimmen, wie z. B. durch Induktion der Genexpression mittels chemischer Induktoren oder durch eine Temperaturverschiebung. Ferner sind dem Fachmann verschiedene Medien bekannt um die transgenen Pflanzenzellen in dem hierin beschrieben Kultivierungsverfahren zu kultivieren. Beispiele für geeignete Medium sind bspw. Das LS-Medium (
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Pflanzenzelle eine transgene Pflanze oder pflanzliche Zellkultur. Prinzipiell kann jede mögliche Pflanze, d. h. eine monokotyle Pflanze oder eine dikotyle Pflanze, verwendet werden. Bevorzugte Pflanzen sind Pflanzen der Familien Solanaceae, Loganiaceae, Apocnaceae, Rosaceae, Asteraceae, Caryophyllaceae, Asclepiadaceae, Rubiaceae, Acanthaceae, Polygonaceae, Brassicacea oder Fabaceae. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform gehört die Pflanze zur Familie Solanaceae, insbesondere zur Gattung Nicotiana, Solanum, und stärker bevorzugt zur Spezies Nicotiana tabacum, Nicotiana glauca, Nicotiana rustica, Nicotiana benthamiana, Solanum tuberosum oder Solanum lycopersicum.In another preferred embodiment, the plant cell used in the method according to the invention is a transgenic plant or plant cell culture. In principle, every possible plant, d. H. a monocot plant or a dicotyledonous plant. Preferred plants are plants of the families Solanaceae, Loganiaceae, Apocnaceae, Rosaceae, Asteraceae, Caryophyllaceae, Asclepiadaceae, Rubiaceae, Acanthaceae, Polygonaceae, Brassicacea or Fabaceae. In a particularly preferred embodiment, the plant belongs to the family Solanaceae, in particular to the genus Nicotiana, Solanum, and more preferably to the species Nicotiana tabacum, Nicotiana glauca, Nicotiana rustica, Nicotiana benthamiana, Solanum tuberosum or Solanum lycopersicum.
Im Kontext der vorliegenden Erfindung ist die Pflanze ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Rauvolfia serpentina, Rauvolfia tetraphylla, Rauvolfia verticillata, Catharanthus roseus, Dianthus caryophyllus, Rosa spp., Petunia hybrida, Gossypium hirsutum, Gossypium herbaceum, Daucus carota, Olea europea, Zea mays, Oryza sativa, Arabidopsis thaliana, Isatis tinctoria, Isatis indigotica, Baphicacanthus cusia, Polygonum tinctorium, Wolffia arrhiza oder Wolffia globosa.In the context of the present invention, the plant is selected from the group consisting of Rauvolfia serpentina, Rauvolfia tetraphylla, Rauvolfia verticillata, Catharanthus roseus, Dianthus caryophyllus, Rosa spp., Petunia hybrida, Gossypium hirsutum, Gossypium herbaceum, Daucus carota, Olea europea, Zea mays , Oryza sativa, Arabidopsis thaliana, Isatis tinctoria, Isatis indigotica, Baphicacanthus cusia, Polygonum tinctorium, Wolffia arrhiza or Wolffia globosa.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch die Verwendung einer transgenen Pflanzenzelle, die durch folgende Merkmale gekennzeichnet ist:
- (a) sie ist fähig, Tryptophan in halogeniertes Tryptophan umzusetzen; und
- (b) sie exprimiert ein Enzym, das die Aktivität einer Halogenase, vorzugsweise einer Tryptophanhalogenase (EC 1.14.19.9) aufweist,
- (a) it is capable of converting tryptophan to halogenated tryptophan; and
- (b) it expresses an enzyme which has the activity of a halogenase, preferably a tryptophan haloase (EC 1.14.19.9),
Das heißt die vorliegende Erfindung betrifft auch die Verwendung einer erfindungsgemäßen transgenen Pflanzenzelle zur Herstellung von halogeniertem Tryptophan.That is, the present invention also relates to the use of a transgenic plant cell according to the invention for the production of halogenated tryptophan.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch die Verwendung einer transgenen Pflanzenzelle, die durch folgende Merkmale gekennzeichnet ist:
- (a) sie ist fähig halogeniertes Tryptophan in halogeniertes Indol umzusetzen; und
- (b) sie exprimiert ein Enzym, das die Aktivität einer Tryptophanase (EC 4.1.99.1) aufweist,
- (a) it is capable of converting halogenated tryptophan to halogenated indole; and
- (b) it expresses an enzyme which has the activity of a tryptophanase (EC 4.1.99.1),
Im Kontext der vorliegenden Erfindung kann für die Herstellung von halogeniertem Indol auch eine transgene Pflanzenzelle verwendet werden, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie ein Enzym exprimiert, das die Aktivität einer Halogenase, vorzugsweise einer Tryptophanhalogenase (EC 1.14.19.9) aufweist und ein Enzym exprimiert, dass die Aktivität einer Tryptophanase (EC 4.1.99.1) aufweist.In the context of the present invention, for the production of halogenated indole it is also possible to use a transgenic plant cell which is characterized in that it expresses an enzyme which has the activity of a halogenase, preferably a tryptophan haloase (EC 1.14.19.9) and expresses an enzyme in that it has the activity of a tryptophanase (EC 4.1.99.1).
Das heißt die vorliegende Erfindung betrifft auch die Verwendung der erfindungsgemäßen Pflanzenzelle zur Herstellung von halogeniertem Indol.That is, the present invention also relates to the use of the plant cell according to the invention for the production of halogenated indole.
Im Kontext der vorliegenden Erfindung wird ebenso die Verwendung einer transgenen Pflanzenzelle beschrieben, die durch folgende Merkmale gekennzeichnet ist:
- (a) sie ist fähig (ein) halogenierte(s) Indol in (ein) halogenierte(s) Indoxylderivat(e) umzusetzen; und
- (b) sie exprimiert ein Enzym, das die Aktivität eines Cytochrom P450 aufweist,
- (a) it is capable of reacting a halogenated (s) indole with halogenated (s) indoxyl derivative (s); and
- (b) it expresses an enzyme that has the activity of a cytochrome P450,
Im Kontext der vorliegenden Erfindung kann für die Herstellung von halogenierten Indoxylderivaten auch eine transgene Pflanzenzelle verwendet werden, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie ein Enzym exprimiert, das die Aktivität einer Halogenase, vorzugsweise einer Tryptophanhalogenase (EC 1.14.19.9) aufweist und/oder ein Enzym exprimiert, das die Aktivität einer Tryptophanase (EC 4.1.99.1) aufweist.In the context of the present invention, for the preparation of halogenated indoxyl derivatives it is also possible to use a transgenic plant cell which is characterized in that it expresses an enzyme which has and / or has the activity of a halogenase, preferably a tryptophan haloase (EC 1.14.19.9) Enzyme expressing the activity of a tryptophanase (EC 4.1.99.1).
Das heißt die vorliegende Erfindung betrifft auch die Verwendung der erfindungsgemäßen Pflanzenzelle zur Herstellung von (einem) halogenierten Indoxylderivat(en). Die vorliegende Erfindung betrifft auch die Verwendung einer transgenen Pflanzenzelle, die durch folgende Merkmale charakterisiert ist:
- (a) sie ist fähig (ein) halogenierte(s) Indoxylderivat(e) in (ein) halogenierte(s) Indikanderivat(e) umzusetzten
- (b) sie exprimiert ein Enzym, das die Aktivität einer Glycosyltransferase aufweist,
- (a) it is capable of converting a halogenated (s) indoxyl derivative (s) to a halogenated indicator derivative (s)
- (b) it expresses an enzyme which has the activity of a glycosyltransferase,
Das heißt die vorliegende Erfindung betrifft auch die Verwendung einer transgenen Pflanzenzelle zur Herstellung von (einem) halogenierten Indikanderivat(en). Im Kontext der vorliegenden Erfindung ist die erfindungsgemäße, transgene Pflanzenzelle dadurch gekennzeichnet, dass sie in der Lage ist, halogeniertes Indol in halogeniertes Indoxyl umzusetzen und/oder halogeniertes Indoxyl in halogeniertes Indikan umzusetzen.That is, the present invention also relates to the use of a transgenic plant cell for the production of halogenated indicator derivative (s). In the context of the present invention, the transgenic plant cell according to the invention is characterized in that it is capable of converting halogenated indole into halogenated indoxyl and / or of converting halogenated indoxyl into halogenated indan.
Beschreibung der Figuren:Description of the figures:
Die folgenden Beispiele dienen der Veranschaulichung der Erfindung.The following examples serve to illustrate the invention.
In den Beispielen wurden folgende Standardtechniken angewendet:The following standard techniques were used in the examples:
1. Klonierungsverfahren1. Cloning method
Für die Klonierung der hier beschriebenen DNA-Konstrukte wurden die folgenden Ziel-Vektoren sowie domestizierten DNA-Sequenzen, wie Promotoren etc., aus der GoldenBraid Datenbank (http:/www.gbcloning.org) verwendet: pUPD, pDGB1_alpha1, pDGB1_alpha2, pDGB2_alpha1, pDGB2_alpha2, pDGB2_omega1, pDGB2_omega2R, pP35S (GB0030), pTnos (GB0037), pPUbq3 (GB0272), pTAct2 (GB0210), pbfp_CT (GB0034), pYFP_CT (GB0024).For the cloning of the DNA constructs described herein, the following target vectors as well as domesticated DNA sequences, such as promoters, etc., from the GoldenBraid database (http://www.gbcloning.org) were used: pUPD, pDGB1_alpha1, pDGB1_alpha2, pDGB2_alpha1, pDGB2_alpha2, pDGB2_omega1, pDGB2_omega2R, pP35S (GB0030), pTnos (GB0037), pPUbq3 (GB0272), pTAct2 (GB0210), pbfp_CT (GB0034), pYFP_CT (GB0024).
2. Pflanzenmaterial2. Plant material
Die für die transiente Genexpression verwendeten Nicotiana benthamiana (N. benthamiana) Pflanzen wurden im Gewächshaus bei 23°C, 60% Luftfeuchtigkeit und 16 h Belichtungsdauer kultiviert.The Nicotiana benthamiana (N. benthamiana) plants used for transient gene expression were cultivated in the greenhouse at 23 ° C, 60% humidity and 16 h exposure time.
3. Bakterienstämme und Kultivierungsbedingungen3. Bacterial strains and cultivation conditions
Für die Klonierung der DNA-Konstrukte wurden E. coli DH5α (New England Biolabs, Ipswich, MA, USA) oder E. coli TOP10 (Thermo Fisher Scientific, Waltham, USA) verwendet, welche bei 37°C in Luria-Bertani (LB) Medium kultiviert wurden. Das Medium wurde entsprechend der Plasmid-vermittelten Resistenz, wie zuvor beschrieben (
4. Chemikalien4. Chemicals
Als Referenzsubstanzen für die analytischen Messungen wurden Indol (Merck KGaA, Darmstadt, Deutschland), Indikan (AppliChem Darmstadt, Deutschland), 6-Chlorindol (Alfa Aesar, Ward Hill, MA, USA) sowie 7-Chlorindol (Alfa Aesar Ward Hill, MA, USA) verwendet.Reference substances for the analytical measurements were indole (Merck KGaA, Darmstadt, Germany), Indikan (AppliChem Darmstadt, Germany), 6-chloroindole (Alfa Aesar, Ward Hill, MA, USA) and 7-chloroindole (Alfa Aesar Ward Hill, MA , USA).
Beispiel 1: Klonierung der DNA-KonstrukteExample 1: Cloning of the DNA constructs
Das für die Tryptophanase (TnaA) kodierende Gen tnaA (Gene ID: 948221; SEQ ID NOs: 1 (cDNA), 2 (Protein)) wurde aus genomischer DNA von E. coli DH5α Zellen mittels Polymerase-Kettenreaktion (PCR) mit den Oligonucleotiden 5'-CGCCGTCTCACTCGAGCCGAAAACTTTAAACATCTCCCTGAACCGTT-3' (SEQ ID NO: 9) und 5'-CGCCGTCTCGCTCGAAGCTTAAACTTCTTTAAGTTTTGCGGTGAAGTG-3' (SEQ ID NO: 10) unter Standardbedingungen amplifiziert (
Gleichzeitig wurden auf diese Weise die für die weitere Klonierung benötigen GoldenBraid Überhänge sowie die flankierenden BsmBI Restriktionsschnittstellen an die Gensequenz angehängt.At the same time, the GoldenBraid overhangs required for further cloning and the flanking BsmBI restriction cleavage sites were added to the gene sequence.
Die für Cytochrom P450 (CYP) 2A6 L240C/N297Q (
Das Gen der Flavin-abhängigen Tryptophan 7-Halogenase RebH (GeneBank AB071405.1, GI: 22830833; (SEQ ID NOs: 5 (cDNA), 6 (Protein)) wurde mittels PCR amplifiziert, um alle relevanten Überhänge und BsmBI Schnittstellen anzufügen sowie interne BsaI und BsmBI Schnittstellen zu entfernen. Die Amplifikation erfolgte in vier getrennten PCR Ansätzen unter Verwendung folgender Oligonukleotide: 5'-AGCGTCTCACTCGAGCCTCCGGCAAGATTGACAAGATCCTC-3' (SEQ ID NO: 15), 5'-TGCGTCTCTGAGTCTCCGGGTCGAGGTGCCACAT-3' (SEQ ID NO: 16), 5'-GACGTCTCGACTCAGCCCCTCAACAGGAT-3' (SEQ ID NO: 17), 5'-TCCGTCTCCATTGTCTCGATCTCGCGGTTG-3'(SEQ ID NO: 18), 5'-AGCGTCTCACAATGTTCGACGACACGCGCGACTT-3' (SEQ ID NO: 19), 5'-AGCGTCTCCAGTGTCTCGAGCAGGTTCCGCTGC-3' (SEQ ID NO: 20), 5'-TGCGTCTCACACTGCCGAGCCTCCACGAGTT-3' (SEQ ID NO: 21), 5'-CGCGTCTCACTCGCTGCGCGGCCGTGCTGTTGCCT-3' (SEQ ID NO: 22).The gene of flavin-dependent tryptophan 7-halogenase RebH (GeneBank AB071405.1, GI: 22830833; (SEQ ID NOs: 5 (cDNA), 6 (protein)) was amplified by PCR to attach all relevant overhangs and BsmBI sites, as well The amplification was carried out in four separate PCR batches using the following oligonucleotides: 5'-AGCGTCTCACTCGAGCCTCCGGCAAGATTGACAAGATCCTC-3 '(SEQ ID NO: 15), 5'-TGCGTCTCTGAGTCTCCGGGTCGAGGTGCCACAT-3' (SEQ ID NO: 16) , 5'-GACGTCTCGACTCAGCCCCTCAACAGGAT-3 '(SEQ ID NO: 17), 5'-TCCGTCTCCATTGTCTCGATCTCGCGGTTG-3' (SEQ ID NO: 18), 5'-AGCGTCTCACAATGTTCGACGACACGCGCGACTT-3 '(SEQ ID NO: 19), 5'-AGCGTCTCCAGTGTCTCGAGCAGGTTCCGCTGC -3 '(SEQ ID NO: 20), 5'-TGCGTCTCACACTGCCGAGCCTCCACGAGTT-3' (SEQ ID NO: 21), 5'-CGCGTCTCACTCGCTGCGCGGCCGTGCTGTTGCCT-3 '(SEQ ID NO: 22).
Des Weiteren wurde ein modifizierter Cauliflower Mosaic Virus 35S Promotor (CaMV P35S_ATG) mit veränderten GoldenBraid Überhangen unter Verwendung der Oligonukleotide 5'-CGTACGTCTCTCTCGGGAGACTAGAGCCAAGCTGATCTCCTTTGCACTAGAGCCAAGC-3' (SEQ ID NO: 23) und 5'-ACTACGTCTCGCTCGGGCTGAGGAAGCCATTTCGACTAGAATAGTAAATTGTAATGTTGTTTGTTG-3'(SEQ ID NO: 24) mittels PCR hergestellt. Als Matrize diente das GoldenBraid pP35S Plasmid (GB0030).Furthermore, a modified Cauliflower Mosaic Virus 35S promoter (CaMV P35S_ATG) was modified with GoldenBraid overhangs using the oligonucleotides 5'-CGTACGTCTCTCTCGGGAGACTAGAGCCAAGCTGATCTCCTTTGCACTAGAGCCAAGC-3 '(SEQ ID NO: 23) and 5'-ACTACGTCTCGCTCGGGCTGAGGAAGCCATTTCGACTAGAATAGTAAATTGTAATGTTGTTTGTTG-3' (SEQ ID NO: 24 ) by PCR. The template used was the GoldenBraid pP35S plasmid (GB0030).
Zusätzlich wurde eine artifizielle DNA Sequenz, welche das Chloroplastentransitpeptid (MASSMLSSAAVVATRASAAQASMVAPFTGLKSAASFPVTRKQNNLDITSIASNGGRVQCA; (SEQ ID NO: 26 (wie kodiert durch die SEQ ID NO: 25)) der kleinen RuBisCo Untereinheit kodiert, durch eine PCR Reaktion mit den Oligonukleotiden 5'-TAAGCGTCTCGCTCGAATGGCTTCTTCTATGCTTTCTTCTGC-3' (SEQ ID NO: 27) und 5'-ATTACGTCTCTCTCGGGCTCCTGCGCATTGGACTCTTCCTCCG-3' (SEQ ID NO: 28) zum Anfügen aller relevanten GoldenBraid Überhänge sowie BsmBI Restriktionsschnittstellen amplifiziert.In addition, an artificial DNA sequence encoding the chloroplast transit peptide (MASSMLSSAAVVATRASAAQASMVAPFTGLKSAASFPVTRKQNNLDITSIASNGGRVQCA; SEQ ID NO: 26 (as encoded by SEQ ID NO: 25)) of the small RuBisCo subunit was PCR-reacted with the oligonucleotides 5'-TAAGCGTCTCGCTCGAATGGCTTCTTCTATGCTTTCTTCTGC-3 (SEQ ID NO: 27) and 5'-ATTACGTCTCTCTCGGGCTCCTGCGCATTGGACTCTTCCTCCG-3 '(SEQ ID NO: 28) for attaching all relevant GoldenBraid overhangs and BsmBI restriction sites.
Alle zuvor beschriebenen und mittels PCR amplifizierten DNA Fragmente wurden elektrophoretisch aufgetrennt Sambrook und Russell 2001b (
Abweichend von diesem Protokoll wurden 3 μL des Phosphorylierungsansatzes zur Domestizierung der endogenen 2A6 Signalsequenz eingesetzt. Der gesamte GoldenBraid Reaktionsansatz wurde für die Transformation von E. coli DH5α Zellen mittels Hitzeschock verwendet (
Zur Herstellung einer funktionellen tnaA Transkriptionseinheit, wurde das Gen zusammen mit dem CaMV P35S_ATG sowie dem Nopalin Terminator (TNos) in einer GoldenBraid Reaktion (
Des Weiteren wurden zwei 2A6 L240C/N297Q Transkriptionseinheiten, welche sich aus dem CaMV P35S, 2A6 L240C/N297Q, TNos sowie entweder der endogenen 2A6 Signalsequenz oder cp zusammensetzen, jeweils in einen pDGB2α2 Vektor ligiert. Anschließend wurde die 2A6 L240C/N297Q Transkriptionseinheit mit der endogenen 2A6 Signalsequenz entweder mit dem tnaA Konstrukt ohne jegliche Signalsequenz oder mit cp Signalsequenz in den pDGB2Ω1 Vektor ligiert. Des Weiteren wurden die tnaA und 2A6 L240C/N297Q Transkriptionseinheiten, beide mit integrierter cp Sequenz, in einem pDGB2Ω1 Vektor fusioniert.Furthermore, two 2A6 L240C / N297Q transcriptional units composed of the CaMV P35S, 2A6 L240C / N297Q, TNos and either the endogenous 2A6 signal sequence or cp were each ligated into a pDGB2α2 vector. Subsequently, the 2A6 L240C / N297Q transcription unit with the endogenous 2A6 signal sequence was ligated into the pDGB2Ω1 vector with either the tnaA construct without any signal sequence or with cp signal sequence. Furthermore, the tnaA and 2A6 L240C / N297Q transcription units, both with integrated cp sequence, were fused in a pDGB2Ω1 vector.
Zur Herstellung funktioneller Tryptophan-Halogenase Transkriptionseinheiten wurden die kodierenden Sequenzen der Flavin-abhängigen Tryptophan 6-Halogenase Stth (GeneBank HQ844046.1, GI: 321531617) sowie der Flavin-Reduktase RebF (GeneBank AB071405.1, GI: 22830831), mit flankierenden BsaI Restriktionsschnittstellen sowie allen relevanten Überhängen synthetisch hergestellt. Interne BsaI und BsmBI Schnittstellen wurden hierbei entfernt. Die Gensequenzen rebH und stth wurden jeweils mit CaMV P35S_ATG, yfp (pYFP_CT) sowie TNos in einer GoldenBraid Reaktion in den pDGB1α1 Vektor kloniert. Des Weiteren wurde rebF mit CaMV P35S_ATG, bfp (pbfp_CT) und TNos in den pDGB2α2 Vektor ligiert. Im Anschluss wurde jeweils eines der auf diese Weise hergestellten Halogenase Konstrukte mit der Reduktase Transkriptionseinheit in einem pDGB2Ω2R Vektorfusioniert.For the production of functional tryptophan halogenase transcription units, the coding sequences of the flavin-dependent tryptophan 6-halogenase Stth (GeneBank HQ844046.1, GI: 321531617) and the flavin reductase RebF (GeneBank AB071405.1, GI: 22830831), with flanking BsaI restriction sites and all relevant overhangs synthetically produced. Internal BsaI and BsmBI interfaces have been removed. The gene sequences rebH and stth were each cloned with CaMV P35S_ATG, yfp (pYFP_CT) and TNos in a GoldenBraid reaction in the pDGB1α1 vector. Furthermore, rebF was ligated with CaMV P35S_ATG, bfp (pbfp_CT) and TNos into the pDGB2α2 vector. Each of the halogenase constructs prepared in this way was subsequently fused with the reductase transcription unit in a pDGB2Ω2R vector.
Zur Lokalisation der Halogenasen in Chloroplasten wurden zusätzliche Transkriptionskonstrukte, bestehend aus rebH oder stth sowie CaMV P35S, cp, yfp und TNos, hergestellt. Des Weiteren wurde rebF zusammen mit dem Ubiquitin3 Promotor (pPUbq3), cp, bfp und dem Aktin Terminator (pPAct2) in den pDGB1α2 Vektor ligiert. Anschließend wurde jeweils eine der beiden Halogenase Transkriptionseinheiten mit dem rebF Konstrukt, in den pDGB2Ω2R Vektor kloniert.For the localization of the halogenases in chloroplasts, additional transcription constructs consisting of rebH or stth and CaMV P35S, cp, yfp and TNos were prepared. Furthermore, rebF was ligated into the pDGB1α2 vector together with the ubiquitin3 promoter (pPUbq3), cp, bfp and the actin terminator (pPAct2). Subsequently, in each case one of the two halogenase transcription units with the rebF construct was cloned into the pDGB2Ω2R vector.
Alle neu generierten Plasmide wurden durch Verwendung geeigneter Restriktionsendonukleasen (Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, USA) nach Vorgabe des Herstellers verdaut und nach elektrophoretischer Auftrennung überprüft.All newly generated plasmids were digested by use of appropriate restriction endonucleases (Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, USA) according to the manufacturer's instructions and checked after electrophoretic separation.
Beispiel 2: Transiente Produktion von Indigoderivaten in Nicotiana benthamianaExample 2: Transient production of indigo derivatives in Nicotiana benthamiana
Plasmidpräparationen der zuvor beschriebenen Tryptophanase-2A6 L240C/N297Q sowie der Halogenase-Reduktase GoldenBraid Konstrukte wurden für die Transformation von A. tumefaciens mittels Hitzeschock verwendet. Im Anschluss wurden die Zellen zentrifugiert und in Infiltrationspuffer, bestehend aus 10 mM MES (AppliChem, Darmstadt, Deutschland), 10 mM MgSO4 (AppliChem, Darmstadt, Deutschland) und 100 μM 3,5-Dimethoxy-4-hydroxyacetophenon (Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA) mit einem pH Wert von 5,5 auf eine OD600 von 1 verdünnt. Für die parallele Transformation mit den Tryptophanase-2A6 L240C/N297Q und den Halogenase-Reduktase Konstrukten, wurden die entsprechenden Bakteriensuspensionen im Verhältnis 1:1 gemischt. Die Zellen wurden mit Hilfe einer Spritze ohne Nadel in die Blattunterseite von drei bis vier Wochen alten N. benthamiana Pflanzen infiltriert. Zur Untersuchung der Bromierung von Tryptophan durch die Halogenasen, wurde eine 40 mM Kaliumbromidlösung in die Blätter infiltriert. Alle Infiltrationen wurden in drei biologischen Replikaten durchgeführt und die Pflanzen im Anschluss bei RT über Nacht ohne Belichtung inkubiert. Die weitere Kultivierung erfolgte bei 26°C, 60% Luftfeuchtigkeit und 12 h Belichtungsdauer. Die Akkumulation der rekombinanten Enzyme wurde, anhand der Fluoreszenz des an die Halogenasen fusionierten YFP, vier Tage nach der Infiltration mit Hilfe des Axioskop 40 Mikroskops (Zeiss) überprüft. Die Blattproben wurden anschließend in Flüssigstickstoff eingefroren. Für die Extraktion der zu untersuchenden Metaboliten wurden 100 mg gemörsertes Blattmaterial mit 200 ml 80% (v/v) Methanol versetzt und die Zellen 30 min in einem Sonorex Ultraschallbad (Bandelin, Berlin, Deutschland) aufgeschlossen. Der Überstand wurde durch zweimaliges Zentrifugieren bei 4°C von verbliebenen Blattstücken gereinigt. 10 μL des Blattextraktes wurde über eine ZORBAX Bonus-RP (C14, 4.6 × 150 mm, Patikelgröße 5 μm) Säule (Agilent Technologies, Santa Clara, CA, USA) mit Hilfe des 1260 Infinity HPLC Gerätes (Agilent Technologies, Santa Clara, CA, USA) bei einer Säulentemperatur von 30°C und einer Flussrate von 1 mL/min aufgetrennt. Die Detektion erfolgte mittels eines Diodenarray-Detektors (DAD) bei 280 nm, wobei ebenfalls UV-Spektren zwischen 200–400 nm aufgezeichnet wurden. Die Auftrennung der Pflanzenextrakte erfolgte unter Verwendung von 0,1% (v/v) Ameisensäure sowie Methanol mit Hilfe eines nicht-linearen Gradienten, der sich wie folgt zusammensetzte:
Eine weitere Analyse der neu synthetisierten Metaboliten erfolgte mittels Ultra-Performance Flüssigchromatographie (UPLC) und Massenspektrometrie (MS). Hierfür wurden 5 μL Blattextrakt über eine Acquity BEH (C18, 2.1 × 50 mm, Partikelgröße 1.7 μm) UPLC Säule (Waters, Milford, MA, USA) mit Hilfe des Acquity UPLC Gerätes (Waters, Milford, MA, USA) aufgetrennt. Die Analyse erfolgte bei einer Säulentemperatur von 40°C sowie einer Flussrate von 0,25 mL/min unter Verwendung von 0,1% (v/v) Ameisensäure und Methanol durch einen nicht-linearen Gradienten, der sich wie folgt zusammensetzte:
Nach der chromatographischen Auftrennung wurden die Metaboliten direkt durch das angeschlossene Micromass Quattro Premier Triple-Quadrupol-Massenspektrometer (Waters, Milford, MA, USA) analysiert. Die massenspektrometrische Untersuchung erfolgte durch alternierende positive (ESI+) und negative (ESI–) Elektronensprayionisierung mit einer Kapillarspannung von 2,75 kV (ESI+) bzw. 3 kV (ESI–). Die Proben wurden bei einer Desolvatisierungstemperatur von 400°C unter Verwendung von Stickstoffgas mit einer Gasflussrate von 800 L/h, einer Source-Temperatur von 120°C, einer Cone-Spannung von 25 V und einem Cone-Gasfluss von 10 L/h analysiert.After chromatographic separation, the metabolites were analyzed directly by the connected Micromass Quattro Premier triple quadrupole mass spectrometer (Waters, Milford, MA, USA). The mass spectrometric analysis was performed by alternating positive (ESI +) and negative (ESI) electron spray ionization with a capillary voltage of 2.75 kV (ESI +) and 3 kV (ESI-), respectively. The samples were analyzed at a desolvation temperature of 400 ° C using nitrogen gas at a gas flow rate of 800 L / h, a source temperature of 120 ° C, a cone voltage of 25 V and a cone gas flow of 10 L / h ,
Beispiel 3: Charakterisierung der transient transformierten Nicotiana benthamiana PflanzenExample 3: Characterization of transiently transformed Nicotiana benthamiana plants
Wie oben ausgeführt, konnte im Jahr 2007 zum ersten Mal gezeigt werden, dass durch Kombination verschiedener Gene in transgenen Pflanzen eine Indikanbiosynthese erreicht werden kann (
Erst durch die Modifikation des kombinatorischen Biosyntheseweges durch Integration eines zusätzlichen Enzyms, d. h. durch das Einführen einer Tryptophanase, konnten signifikante Mengen von 6- oder 7-Chlorindikan oder 6- oder 7-Bromindikan gewonnen werden.Only by the modification of the combinatorial biosynthetic pathway by integration of an additional enzyme, d. H. by introducing a tryptophanase, significant amounts of 6- or 7-chloroindicene or 6- or 7-bromoindane could be obtained.
Um in einem alternativen Biosyntheseweg zuerst halogeniertes Tryptophan zu erzeugen, welches dann als Substrat für rekombinante Tryptophanase TnaA dient, wurden Pflanzenexpressionsvektoren generiert, welche eine variable Lokalisierung der TnaA sowie der Halogenasen RebH und Stth in verschiedenen pflanzlichen Zellkompartimenten ermöglicht. Um die entstehenden halogenierten Indolderivate weiter zu verstoffwechseln, wurde ebenfalls CYP2A6 co-exprimiert.In order to first generate halogenated tryptophan in an alternative biosynthetic pathway, which then serves as a substrate for recombinant tryptophanase TnaA, plant expression vectors were generated which allow variable localization of TnaA and the halogenases RebH and Stth in different plant cell compartments. To further metabolize the resulting halogenated indole derivatives, CYP2A6 was also co-expressed.
Die Untersuchungen der Pflanzenenxtrakte mittels Dünnschichtchromatographie und HPLC zeigen eindeutig, dass durch die Kombination von TnaA und CYP2A6 deutlich höhere Gehalte an Indikan in Pflanzen gebildet werden können, als mit BX1 und CYP2A6. Darüber hinaus konnte durch Einbeziehung der Halogenasen zum ersten Mal halogenierte Indikanderivate in planta erzeugt werden. Als Kompartimente mit der höchsten Ausbeute wurden dabei sowohl das Cytosol (mit ER-membrangebundenem P450) sowie der Chloroplast identifiziert. In Chloroplasten bestand darüber hinaus keine Notwendigkeit, die korrespondierenden Reduktasen zu co-exprimieren. Das bedeutet, dass Reduktionsäquivalente (NADPH und FADH) aus der Photosynthese bezogen werden können. Die zelluläre Lokalisation der rekombinanten Enzyme war sehr flexibel. So konnte sowohl bei Co-Lokalisation von TnaA und CYP2A6 in den Chloroplasten oder dem Cytosol sowie bei der Separation der beiden Enzyme in Chloroplasten bzw. dem Cytosol eine effiziente Indikanbiosynthese beobachtet werden. Des Weiteren war es möglich, halogenierte Indikanderivate durch Co-Lokalisation aller Enzyme in Chloroplasten oder dem Cytosol herzustellen. Ebenso führte die Translokalisation der Halogenasen in die Chloroplasten bei gleichzeitiger cytosolischer Aktivität von TnaA und CYP2A6 zum Akkumulation von Chlorindikan in den Pflanzen.The investigations of the plant extracts by means of thin-layer chromatography and HPLC clearly show that the combination of TnaA and CYP2A6 significantly higher levels of indican can be formed in plants, as with BX1 and CYP2A6. In addition, by incorporating the halogenases, it was possible for the first time to generate halogenated indicator derivatives in planta. Both the cytosol (with ER membrane-bound P450) and the chloroplast were identified as compartments with the highest yield. Moreover, in chloroplasts, there was no need to coexpress the corresponding reductases. This means that reduction equivalents (NADPH and FADH) can be obtained from photosynthesis. The cellular localization of the recombinant enzymes was very flexible. For example, efficient co-localization of TnaA and CYP2A6 in the chloroplasts or the cytosol as well as in the separation of the two enzymes into chloroplasts or the cytosol resulted in an efficient Indican biosynthesis. Furthermore, it was possible to produce halogenated indicator derivatives by co-localization of all enzymes in chloroplasts or the cytosol. Similarly, the translocation of the halogenases in the Chloroplasts with simultaneous cytosolic activity of TnaA and CYP2A6 for the accumulation of Chlorindikan in the plants.
Neben der spezifischen 7-Chlorierung durch RebH und 6-Chlorierung durch Stth konnte durch zusätzliche Infiltration einer Kaliumbromidlösung ebenfalls eine Bromierung des Indolrings erzeugt werden (
Es folgt ein Sequenzprotokoll nach WIPO St. 25.This is followed by a sequence protocol according to WIPO St. 25. Dieses kann von der amtlichen Veröffentlichungsplattform des DPMA heruntergeladen werden.This can be downloaded from the official publication platform of the DPMA.
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