DE112013003420T5 - Modified Clostridium strain for butanol production - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft verbesserte Thiolase-Varianten sowie Mikroorganismen, die diese exprimieren, und Verfahren, die diese verwenden. Solche Verfahren können zur verbesserten Produktion von Butanol verwendet werden. Vorzugsweise haben die verbesserten Thiolase-Varianten eine Thiolaseaktivität mit höherer spezifischer Aktivität und/oder verringerter Sensitivität gegenüber dem Inhibitor Coenzym A im Vergleich zu der Aktivität und Sensitivität von Wildtyp-Thiolase thlA aus C. acetobutylicum.The present invention relates to improved thiolase variants as well as microorganisms expressing them and methods using them. Such processes can be used for improved production of butanol. Preferably, the improved thiolase variants have thiolase activity with higher specific activity and / or reduced sensitivity to the inhibitor coenzyme A as compared to the activity and sensitivity of wild-type thiolA from C. acetobutylicum.

Description

GEBIET DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der industriellen Mikrobiologie und der gentechnischen Veränderung von Mikroorganismen. Genauer gesagt, betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer chemischen Verbindung unter Verwendung eines Acetoacetyl-Coenzym A-abhängigen Stoffwechselweges in einem mikrobiellen Wirt, wie der Gattung Clostridium, wobei die Chemikalie insbesondere n-Butanol ist.The present invention relates to the field of industrial microbiology and genetic modification of microorganisms. More particularly, the invention relates to a process for preparing a chemical compound using an acetoacetyl-coenzyme A-dependent pathway in a microbial host, such as the genus Clostridium, wherein the chemical is in particular n-butanol.

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

1-Butanol (n-Butanol oder einfach Butanol) ist eine wichtige Gebrauchschemikalie, die heutzutage fast ausschließlich aus petrochemischen Rohstoffen hergestellt wird. Die fermentative Produktion von Butanol ist – nach heutiger Kenntnis – auf die Gattung Clostridium beschränkt, eine Gruppe Gram-positiver, sporenbildender Anaerobier, die hauptsächlich Arten aus terrestrischen Lebensräumen umfasst (Dürre 1998, Dürre 2011). Die Biosynthese von Butanol erfordert einen C4-spezifischen Biosyntheseweg, was von einem zentralen Stoffwechselzwischenprodukt, wie der aktivierten C2-Verbindung Acetyl-CoA, abweicht. Eine solche Bildung von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen stellt einen wichtigen Stoffwechselschritt dar und die Thiolase ist ein üblicher Biokatalysator, der diese Reaktion vermittelt.1-butanol (n-butanol or simply butanol) is an important utility chemical that today is made almost exclusively from petrochemical raw materials. The fermentative production of butanol is limited to present knowledge on the genus Clostridium, a group of Gram-positive, spore-forming anaerobes, which mainly includes species from terrestrial habitats (drought in 1998, drought in 2011). The biosynthesis of butanol requires a C 4 -specific biosynthetic pathway, which deviates from a central metabolic intermediate, such as the activated C 2 compound acetyl-CoA. Such formation of carbon-carbon bonds is an important metabolic step and the thiolase is a common biocatalyst that mediates this reaction.

Unter den solventogenen Clostridin wurde Clostridium acetobutylicum als erste entdeckt und ist bis heute die am besten charakterisierte solventogene Clostridium-Spezies. Verbesserungen von Clostridium-Stämmen für biotechnologische Anwendungen wurden unter Verwendung von zufallsgemäßer Mutagenese und Plattendurchmusterungsansätzen erhalten ( US 4,757,010 ; US 6,358,717 ). In Anbetracht der kürzlichen Entwicklung neuer Werkzeuge für die Stoffwechselveränderung und Analyse für Mitglieder der Gattung Clostridium wurden mehrere rationale Ansätze zur Verbesserung der Butanol-Produktion durchgeführt (Lee et al., 2008, Papoutsakis, 2008, Lütke-Eversloh & Bahl, 2011). Diese sind jedoch auf die Manipulation von Genexpressionsmustern, wie Gen-Knockout bzw. Herunterregulation und/oder Genüberexpression zur Manipulation von Stoffwechselströmen in Richtung des gewünschten Produkts beschränkt.Clostridium acetobutylicum was the first to be discovered among solventogenic clostridines and is still the best characterized solventogenic Clostridium species. Improvements of Clostridium strains for biotechnological applications have been obtained using random mutagenesis and plate screening approaches ( US 4,757,010 ; US 6,358,717 ). In light of the recent development of new tools for metabolism and analysis for members of the genus Clostridium, several rational approaches to improving butanol production have been made (Lee et al., 2008, Papoutsakis, 2008, Lütke-Eversloh & Bahl, 2011). However, these are limited to the manipulation of gene expression patterns, such as gene knockout or down-regulation and / or gene overexpression, for the manipulation of metabolic currents towards the desired product.

Thiolase (Acetyl-Coenzym A [CoA]-Acetyltransferase, EC 2.3.1.19) spielt eine Schlüsselrolle bei der Herstellung von Butanol und anderen Metaboliten in Organismen, einschließlich C. acetobutylicum, und ihre Aktivität kann das Verhältnis von C3- & C4-Produkten (z. B. Butanol, Aceton und Butyrat) zu C2-Produkten (z. B. Ethanol und Acetat) bestimmen; (Wiesenborn et al. (1988)). Wiesenborn et al. (1988) beschrieben weiterhin, dass Thiolase kann durch mikromolare Spiegel von Coenzym A [CoA] gehemmt werden kann.Thiolase (acetyl-coenzyme A [CoA] acetyltransferase, EC 2.3.1.19) plays a key role in the production of butanol and other metabolites in organisms, including C. acetobutylicum, and its activity may increase the ratio of C3- & C4 products ( eg, butanol, acetone and butyrate) to C2 products (eg, ethanol and acetate); (Wiesenborn et al., (1988)). Wiesenborn et al. (1988) further described that thiolase can be inhibited by micromolar levels of coenzyme A [CoA].

In einem von Stiller et al. (2008) veröffentlichten Versuch, der darauf abzielte, den Strom von Acetat in Richtung der Butanol-Bildung zu leiten, wurden das Aldehyd/Alkoholdehydrogenase-Gen adhE1 (adh) und das Thiolase-Gen thlA (thl) in dem Lösungsmittel-negativen degenerierten Stamm C. acetobutylicum M5 homolog überexprimiert. Während die adhE1-Überexpression zu erhöhten Titern der Summe aller Alkohole (einschließlich Ethanol und Butanol) führte, konnte die zusätzliche thlA-Expression den Phänotyp, dass Acetat das Hauptfermentationsprodukt im Stamm C. acetobutylicum M5 ist, nicht verändern. Außerdem konnte die Butanol-Produktion eines C. acetobutylicum-Stamms ATCC 824, der einen herabregulierten Aceton-Weg und adhE1-Überexpression umfasst, durch gleichzeitige thlA-Überexpression nicht erhöht werden (Sillers et al., 2008, Sillers et al., 2009). Diese Befunde wiesen deutlich darauf hin, dass erhöhte Mengen von thlA-Transkripten nicht unmittelbar zu einem erhöhten Strom in den C4-Weg führen.In one of Stiller et al. (2008), which aimed to direct the flow of acetate toward butanol formation, the aldehyde / alcohol dehydrogenase gene adhE1 (adh) and the thiolase gene thlA (thl) in the solvent-negative degenerate strain C. acetobutylicum M5 homologously overexpressed. While adhE1 overexpression resulted in increased titers of the sum of all alcohols (including ethanol and butanol), additional thlA expression could not alter the phenotype that acetate is the major fermentation product in strain C. acetobutylicum M5. In addition, butanol production of a C. acetobutylicum strain ATCC 824, which comprises a downregulated acetone pathway and adhE1 overexpression, could not be increased by concomitant thlA overexpression (Sillers et al., 2008, Sillers et al., 2009). , These findings clearly indicated that increased levels of thlA transcripts do not directly lead to increased current in the C 4 pathway.

Schlussfolgernd lässt sich sagen, dass es erwünscht ist, Bakterien zu erhalten, die in der Lage sind, mehr C3- und C4-Produkte (wie Butanol) zu produzieren, dass jedoch Veränderung der Genexpression offensichtlich nicht ausreichend ist, um diesen Wunsch zu erfüllen.In conclusion, it is desirable to obtain bacteria capable of producing more C3 and C4 products (such as butanol), but that altering gene expression is obviously not sufficient to meet this desire.

ZU LÖSENDES PROBLEMPROBLEM TO BE SOLVED

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur mikrobiellen Herstellung von Butanol sowie ein verbessertes Enzym, das für die Verwendung in dem Verfahren geeignet ist, bereitzustellen. Es ist besonders gewünscht, dass das verbesserte Enzym als Biokatalysator für die mikrobielle Butanol-Produktion einsetzbar ist und im Vergleich zu Enzymen des Standes der Technik, insbesondere unter physiologischen Bedingungen, d. h. wenn es in einem zur Produktion von Butanol und/oder anderen C3-/C4-Produkten befähigten Stamm exprimiert wird, eine verbesserte Leistung zeigt. Weitere Aufgaben der Erfindung, die gelöst worden sind, werden aus der folgenden Beschreibung der Erfindung ersichtlich.It is an object of the present invention to provide an improved process for the microbial production of butanol and an improved enzyme suitable for use in the process. It is especially desired that the improved enzyme be useful as a biocatalyst for microbial butanol production and, as compared to prior art enzymes, especially under physiological conditions, i.e.. H. when expressed in a strain capable of producing butanol and / or other C3 / C4 products, exhibits improved performance. Other objects of the invention which have been achieved will be apparent from the following description of the invention.

KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG BRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION

Die Erfindung stellt ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer Chemikalie unter Verwendung eines Acetoacetyl-CoA-abhängigen Stoffwechselweges bereit. Dieses Verfahren ist verbessert, weil es eine Thiolaseaktivität mit höherer spezifischer Aktivität und/oder mit verringerter Sensitivität gegenüber dem Inhibitor Coenzym A im Vergleich zu der Aktivität und Sensitivität eines Wildtyp-Enzyms, wie dem Polypeptid mit der SEQ ID NO: 1, besitzt. In einer bevorzugten Ausführungsform zeigen die Thiolase-Varianten der Erfindung verringerte Sensitivität gegenüber ihrem physiologischen Inhibitor Coenzym A (CoA-SH). Das Verfahren der Erfindung kann durch rekombinantes Exprimieren des Enzyms der Erfindung durchgeführt werden, was zu einem rekombinanten (Mikro)Organismus führt, wie zum Beispiel einem rekombinanten Clostridium acetobutylicum, das die Thiolase der Erfindung exprimiert. Das Enzym zeigt überraschenderweise eine verbesserte Butanol-Produktivität.The invention provides an improved process for producing a chemical using an acetoacetyl-CoA dependent pathway. This method is improved because it has a thiolase activity with higher specific activity and / or with reduced sensitivity to the inhibitor coenzyme A as compared to the activity and sensitivity of a wild-type enzyme such as the polypeptide of SEQ ID NO: 1. In a preferred embodiment, the thiolase variants of the invention exhibit reduced sensitivity to their physiological inhibitor coenzyme A (CoA-SH). The method of the invention can be carried out by recombinantly expressing the enzyme of the invention, resulting in a recombinant (micro) organism, such as a recombinant Clostridium acetobutylicum, which expresses the thiolase of the invention. The enzyme surprisingly shows improved butanol productivity.

Die Erfinder gelangten zu der Erfindung durch Analysieren der Polypeptidsequenz einer Wildtyp-Thiolase, Herstellen einer Bank von mutierten Thiolase-Genen, gefolgt von einem Hochdurchsatz-Screening-Assay unter Verwendung von Escherichia coli als Wirtszellen für die Expression der Bank von mutierten Thiolase-Genen. Die Durchmusterung dieser Bank führte zur Identifizierung verschiedener Thiolase-Enzym-Varianten, einschließlich einer Thiolase-Enzym-Variante mit signifikant erhöhter Aktivität in Gegenwart von freiem CoA-SH. Die am stärksten bevorzugte (optimierte) Thiolase-Variante hat drei Aminosäuresubstitutionen (R133G, H156N, G222V) und ihr Gen wurde in C. acetobutylicum ATCC 824 exprimiert, um die Wirkung der verringerten Rückkopplungshemmung auf die Lösungsmittelproduktion zu untersuchen.The inventors arrived at the invention by analyzing the polypeptide sequence of a wild-type thiolase, preparing a library of mutated thiolase genes, followed by a high-throughput screening assay using Escherichia coli as host cells for the expression of the library of mutant thiolase genes. Screening of this library led to the identification of various thiolase enzyme variants, including a thiolase-enzyme variant with significantly increased activity in the presence of free CoA-SH. The most preferred (optimized) thiolase variant has three amino acid substitutions (R133G, H156N, G222V) and its gene was expressed in C. acetobutylicum ATCC 824 to study the effect of reduced feedback inhibition on solvent production.

Zusätzlich zu einer deutlich verzögerten Ethanol- und Aceton-Herstellung war der Ethanol-Titer um 46% erhöht. Der Butanol-Titer war um 18% erhöht, wohingegen die endgültigen Aceton-Konzentrationen ähnlich wie bei dem Vektor-Kontrollstamm waren.In addition to significantly delayed ethanol and acetone production, the ethanol titer was increased by 46%. The butanol titer was increased by 18%, whereas the final acetone concentrations were similar to the vector control strain.

Die Erfindung stellt auch Wirtszellen bereit, die das Enzym der Erfindung exprimieren und/oder für das Verfahren der Erfindung geeignet sind, sowie Nukleinsäuren, die das Enzym der Erfindung codieren.The invention also provides host cells expressing the enzyme of the invention and / or useful in the method of the invention, as well as nucleic acids encoding the enzyme of the invention.

PUNKTEPOINTS

Die folgenden Punkte werden von der vorliegenden Erfindung umfasst

  • [1] Ein Verfahren zur Herstellung einer Chemikalie unter Verwendung eines Acetoacetyl-CoA-abhängigen Stoffwechselweges, der eine Thiolaseaktivität mit höherer spezifischer Aktivität und/oder verringerter Sensitivität gegenüber dem Inhibitor Coenzym A im Vergleich zu der Aktivität und Sensitivität des Polypeptids mit der SEQ ID NO: 1 besitzt.
  • [2] Ein Verfahren nach Punkt 1, wobei die Thiolase 5% oder höhere, vorzugsweise 10% oder höhere, stärker bevorzugt 20% oder höhere, noch stärker bevorzugt 30% oder höhere Aktivität im Vergleich zu dem parentalen Wildtyp-Enzym unter physiologischen Bedingungen besitzt.
  • [3] Ein Verfahren nach einem der Punkte 1 oder 2, wobei die Aktivität der Thiolase durch 10 μM CoA-SH nicht gehemmt wird.
  • [4] Ein Verfahren nach einem der Punkte 1–3, wobei die Chemikalie ein C4-Alkohol ist.
  • [5] Ein Verfahren nach Punkt 4, wobei die Chemikalie Butanol, vorzugsweise n-Butanol, ist.
  • [6] Ein Verfahren nach einem der Punkte 1–5, wobei die Produktion in einer Wirtszelle erfolgt, die zur Gattung Clostridium gehört.
  • [7] Ein Verfahren nach Punkt 6, wobei eine solche Wirtszelle zu einer der folgenden Spezies gehört: C. acetobutylicum, C, beijerinckii, C. saccharoperbutylacetonicum, C. butyricum, C. pasteurianum, C. saccharobutylicum, C. Ijungdahlii, C. thermocellum, C. thermobutyricum, C. cellulolyticum.
  • [8] Ein Verfahren nach einem der Punkte 1–7, wobei Butanol durch nicht-natürliche Butanol-produzierende Stämme hergestellt wird.
  • [9] Ein Verfahren nach einem der Punkte 1–8, wobei Butanol durch einen Stamm produziert wird, der zur Gattung Escherichia, Bacillus, Lactobacillus, Pseudomonas, Ralstonia, Saccharomyces gehört.
  • [10] Ein Verfahren nach einem der Punkte 1–9, wobei Butanol durch einen Stamm produziert wird, der zur Spezies E. coli, B. subtilis, L. brevis, L. plantarum, P. putida, P. fluorescens, P. aeruginosa, R. eutropha, S. cerevisiae gehört.
  • [11] Ein Polypeptid mit Thiolaseaktivität, dadurch gekennzeichnet, dass es 70% oder mehr, vorzugsweise 75% oder mehr, stärker bevorzugt 80% oder mehr, stärker bevorzugt 85% oder mehr, stärker bevorzugt 90% oder mehr, stärker bevorzugt 95% oder mehr, wie 96% oder mehr, 97% oder mehr, 98% oder mehr, 99% oder mehr Sequenzidentität mit der SEQ ID NO: 1 hat, unter der Voraussetzung, dass mindestens eine, wie eine beliebige Kombination von zwei oder alle drei der Reste 133, 156, 222 eine Mutation (ausgewählt aus Substitution, Deletion oder Insertion) in Bezug auf die SEQ ID NO: 1 aufweisen.
  • [12] Das Polypeptid nach Punkt 11, wobei die Mutation(en) ausgewählt aus
  • • einer beliebigen,
  • • einer beliebigen Kombination von zwei und
  • • vorzugsweise allen drei (SEQ ID NO: 2) der folgenden Substitutionen: R133G, H156N, G222V.
  • [13] Das Verfahren nach einem der Punkte 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Thiolaseaktivität durch das Enzym nach einem der Ansprüche 11 bis 12 bereitgestellt wird.
  • [14] Eine Nukleinsäure, die ein Polypeptid codiert, das aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus (a) dem Polypeptid nach einem der Punkte 11 oder 12 und (b) dem in einem der Ansprüche 1 bis 10 definierten Enzym mit der Thiolaseaktivität.
  • [15] Ein Vektor, umfassend die Nukleinsäure nach Punkt 14.
  • [16] Eine Wirtszelle, die die Nukleinsäure nach Punkt 14 oder den Vektor nach Anspruch 15 birgt.
The following points are encompassed by the present invention
  • [1] A method of producing a chemical using an acetoacetyl-CoA dependent pathway which has a thiolase activity with higher specific activity and / or reduced sensitivity to the inhibitor coenzyme A as compared to the activity and sensitivity of the polypeptide of SEQ ID NO : 1 owns.
  • [2] A method according to item 1, wherein the thiolase has 5% or higher, preferably 10% or higher, more preferably 20% or higher, even more preferably 30% or higher activity compared to the parental wild-type enzyme under physiological conditions ,
  • [3] A method according to any one of items 1 or 2, wherein the activity of the thiolase is not inhibited by 10 μM CoA-SH.
  • [4] A method according to any one of items 1-3, wherein the chemical is a C4 alcohol.
  • [5] A method according to item 4, wherein the chemical is butanol, preferably n-butanol.
  • [6] A method according to any one of items 1-5, wherein the production takes place in a host cell belonging to the genus Clostridium.
  • [7] A method according to item 6, wherein such a host cell belongs to one of the following species: C. acetobutylicum, C, beijerinckii, C. saccharoperbutylacetonicum, C. butyricum, C. pasteurianum, C. saccharobutylicum, C. Ijungdahlii, C. thermocellum, C. thermobutyricum, C. cellulolyticum.
  • [8] A method according to any one of items 1-7, wherein butanol is produced by non-natural butanol producing strains.
  • [9] A method according to any one of items 1-8, wherein butanol is produced by a strain belonging to the genus Escherichia, Bacillus, Lactobacillus, Pseudomonas, Ralstonia, Saccharomyces.
  • [10] A method according to any one of items 1-9, wherein butanol is produced by a strain belonging to the species E. coli, B. subtilis, L. brevis, L. plantarum, P. putida, P. fluorescens, P. aeruginosa, R. eutropha, S. cerevisiae.
  • [11] A polypeptide having thiolase activity, characterized in that it is 70% or more, preferably 75% or more, more preferably 80% or more, more preferably 85% or more, more preferably 90% or more, more preferably 95% or more, such as 96% or more, 97% or more, 98% or more, 99% or more sequence identity to SEQ ID NO: 1, provided that at least one, like any combination of two or all three of the residues 133, 156, 222 a mutation (selected from substitution, deletion or insertion) with respect to SEQ ID NO: 1.
  • [12] The polypeptide of item 11, wherein the mutation (s) is selected from
  • • any,
  • • any combination of two and
  • Preferably all three (SEQ ID NO: 2) of the following substitutions: R133G, H156N, G222V.
  • [13] The method according to any one of items 1 to 10, characterized in that the thiolase activity is provided by the enzyme according to any one of claims 11 to 12.
  • [14] A nucleic acid encoding a polypeptide selected from the group consisting of (a) the polypeptide of any one of items 11 or 12 and (b) the enzyme having the thiolase activity as defined in any one of claims 1 to 10.
  • [15] A vector comprising the nucleic acid of item 14.
  • [16] A host cell harboring the nucleic acid of item 14 or the vector of claim 15.

Darüber hinaus stellt die vorliegende Erfindung die folgenden Punkte bereit:

  • [1] Ein Verfahren zur Herstellung einer Chemikalie unter Verwendung eines Acetoacetyl-CoA-abhängigen Stoffwechselweges, der eine Thiolaseaktivität mit höherer spezifischer Aktivität und verringerter Sensitivität gegenüber dem Inhibitor Coenzym A im Vergleich zu der Aktivität und Sensitivität des Polypeptids mit der SEQ ID NO: 1 besitzt und wobei die Aktivität dieser Thiolase durch 10 μM CoA-SH nicht gehemmt wird.
  • [2] Ein Verfahren zur Herstellung einer Chemikalie unter Verwendung eines Acetoacetyl-CoA-abhängigen Stoffwechselweges, der eine Thiolaseaktivität mit höherer spezifischer Aktivität und/oder verringerter Sensitivität gegenüber dem Inhibitor Coenzym A im Vergleich zu der Aktivität und Sensitivität des Polypeptids mit der SEQ ID NO: 1 besitzt und wobei die Thiolase ein mutiertes Protein ist mit mindestens einer Mutation, ausgewählt aus
  • • einer beliebigen,
  • • einer beliebigen Kombination von zwei und
  • • vorzugsweise allen drei (SEQ ID NO: 2) der folgenden Substitutionen: R133G, H156N, G222V.
  • [3] Ein Verfahren zur Herstellung einer Chemikalie unter Verwendung eines Acetoacetyl-CoA-abhängigen Stoffwechselweges, der eine Thiolaseaktivität mit höherer spezifischer Aktivität und/oder verringerter Sensitivität gegenüber dem Inhibitor Coenzym A im Vergleich zu der Aktivität und Sensitivität des Polypeptids mit der SEQ ID NO: 1 besitzt und wobei die Thiolase ein mutiertes Protein ist, das mindestens eine Mutation in der CoA-SH-bindenden Schleifendomäne in Bezug auf das parentale Wildtyp-Enzym hat.
  • [4] Ein Verfahren zur Herstellung einer Chemikalie unter Verwendung eines Acetoacetyl-CoA-abhängigen Stoffwechselweges, der eine Thiolaseaktivität mit höherer spezifischer Aktivität und/oder verringerter Sensitivität gegenüber dem Inhibitor Coenzym A im Vergleich zu der Aktivität und Sensitivität des Polypeptids mit der SEQ ID NO: 1 besitzt, wobei die Thiolase ein mutiertes Protein ist, das mindestens eine Mutation in der CoA-SH-bindenden Schleifendomäne in Bezug auf das parentale Wildtyp-Enzym hat, und wobei die Bestimmung der Thiolaseaktivität durch einen 3-Hydroxybutyryl-CoA-Dehydrogenase-gekoppelten spektralphotometrischen Assay durchgeführt wird.
In addition, the present invention provides the following items:
  • [1] A method of producing a chemical using an acetoacetyl-CoA dependent pathway which has a thiolase activity with higher specific activity and reduced sensitivity to the inhibitor coenzyme A compared to the activity and sensitivity of the polypeptide of SEQ ID NO: 1 and wherein the activity of this thiolase is not inhibited by 10 μM CoA-SH.
  • [2] A method for producing a chemical using an acetoacetyl-CoA dependent pathway which has a thiolase activity with higher specific activity and / or reduced sensitivity to the inhibitor coenzyme A compared to the activity and sensitivity of the polypeptide of SEQ ID NO : 1 and wherein the thiolase is a mutant protein having at least one mutation selected from
  • • any,
  • • any combination of two and
  • Preferably all three (SEQ ID NO: 2) of the following substitutions: R133G, H156N, G222V.
  • [3] A method of producing a chemical using an acetoacetyl-CoA dependent pathway which has a thiolase activity with higher specific activity and / or reduced sensitivity to the inhibitor coenzyme A as compared to the activity and sensitivity of the polypeptide of SEQ ID NO : 1 and wherein the thiolase is a mutant protein having at least one mutation in the CoA-SH binding loop domain relative to the parental wild-type enzyme.
  • [4] A method of producing a chemical using an acetoacetyl-CoA dependent pathway which has a thiolase activity with higher specific activity and / or reduced sensitivity to the inhibitor coenzyme A as compared to the activity and sensitivity of the polypeptide of SEQ ID NO : 1, wherein the thiolase is a mutant protein having at least one mutation in the CoA-SH binding loop domain relative to the parental wild-type enzyme, and wherein the determination of thiolase activity by a 3-hydroxybutyryl-CoA dehydrogenase Coupled spectrophotometric assay is performed.

BESCHREIBUNG DER FIGURENDESCRIPTION OF THE FIGURES

1. Entwicklung des Thiolase-Assays in Mikrotiterplatten mit 96 Vertiefungen.

  • (a), Kulturen von rekombinanten E. coli-Stämmen, die Wildtyp-ThlA CAC2873 exprimieren, wurden dazu verwendet, Zellrohextrakte herzustellen, die spektralphotometrischen Messungen der Thiolaseaktivität anhand der NADPH-Abnahme bei 340 nm unterworfen wurden. Zeitverlauf der Extinktion bei 340 nm (A340 nm) des gekoppelten ThlA/PhaB-Assays in Rohextrakten von E. coli BL21 (DE3) pASK-IBA3::thlAWT.
  • (b), Reproduzierbarkeit des gekoppelten ThlA/PhaB-Assays in Rohextrakten von E. coli BL21 (DE3) pASK-IBA3::thlAWT. Verteilung von 144 unabhängigen Thiolaseaktivitätsmessungen; die gestrichelte Linie gibt den Mittelwert an. Die durchschnittliche Thiolaseaktivität von E. coli pASK-IBA3::thlAWT betrug 71 ± 4 U/mg, was eine Standardabweichung von nur 5,2% (n = 144) darstellte. Für das Screening nach ThlA-Mutanten mit verringerter Sensitivität gegenüber freiem CoA-SH (dem physiologischen Inhibitor) wurde der Assay unter den gleichen Bedingungen mit Zugabe von jeweils 10 μM CoA-SH wiederholt, was 27 ± 1 U/mg der Wildtyp-ThlA-Aktivität ergab. Somit stellten die C. acetobutylicum-Wildtyp-Thiolaseaktivitäten in Rohextrakten von rekombinanten E. coli die Referenzwerte für das anschließende Bank-Screening dar.
1 , Development of thiolase assay in 96-well microtiter plates.
  • (a) Cultures of recombinant E. coli strains expressing wild-type ThlA CAC2873 were used to prepare crude cell extracts which were subjected to spectrophotometric measurements of thiolase activity by the NADPH decrease at 340 nm. Time course of absorbance at 340 nm (A 340 nm ) of the coupled ThlA / PhaB assay in crude extracts of E. coli BL21 (DE3) pASK-IBA3 :: thlA WT .
  • (b), reproducibility of the coupled ThlA / PhaB assay in crude extracts of E. coli BL21 (DE3) pASK-IBA3 :: thlA WT . Distribution of 144 independent thiolase activity measurements; the dashed line indicates the mean. The average thiolase activity of E. coli pASK-IBA3 :: thlA WT was 71 ± 4 U / mg, representing a standard deviation of only 5.2% (n = 144). For screening for ThlA mutants with reduced sensitivity to free CoA-SH (the physiological inhibitor), the assay was repeated under the same conditions with the addition of 10 μM CoA-SH each, giving 27 ± 1 U / mg of wild-type ThlA- Activity revealed. Thus, wild-type C. acetobutylicum thiolase activities in crude extracts of recombinant E. coli were the benchmark for subsequent bank screening.

2. Aminosäuresequenzausrichtung von Thiolasen von C. acetobutylicum (Wildtyp) und Z. ramigera. 2 , Amino acid sequence alignment of thiolases of C. acetobutylicum (wild-type) and Z. ramigera.

Die Sequenzausrichtung wurde unter Verwendung von ClustalW 2.1 durchgeführt; ”*” steht für identische, ”:” für sehr ähnliche und ”.” für ähnliche Aminosäurereste. CAC2873, Thiolase von C. acetobutylicum; Z. ram., Thiolase von Z. ramigera. Die katalytischen Histidin- und Cystein-Reste sind unterstrichen, die Reste der an der CoA-Bindung beteiligten Schleifendomäne sind schattiert. Sequence alignment was performed using Clustal W 2.1; "*" Stands for identical, ":" for very similar and "." For similar amino acid residues. CAC2873, thiolase of C. acetobutylicum; Z. ram., Thiolase of Z. ramigera. The catalytic histidine and cysteine residues are underlined, the residues of the loop domain involved in the CoA binding are shaded.

3. Screening der E. coli pASK-IBA3::thlAMUT-Bank. 3 , Screening of E. coli pASK-IBA3 :: thlAMUT Bank.

Thiolaseaktivitäten wurden in Zellrohextrakten ohne (a) und in Gegenwart von 10 μM freiem CoA-SH (b) gemessen. Die relative Verteilung in Prozent der Wildtyp-Thiolaseaktivität ohne (c) und in Gegenwart von 10 μM freiem CoA-SH (d) ist gezeigt. Insgesamt 1620 Klone der E. coli BL21 (DE3) pASK-IBA3::thlAMUT-Bank wurden auf die Thiolaseaktivitäten und die Sensitivität gegenüber freiem CoA-SH analysiert. Wie in der Figur veranschaulicht ist, zeigten Thiolaseaktivitäten von Mutanten ein breites Spektrum an sowohl erhöhten als auch verringerten Werten im Vergleich zur Wildtyp-ThlA-Aktivität (3a, c), und nur 56 Klone (< 4%) ergaben keine Thiolaseaktivität. Interessanterweise wurden solche breit gestreuten Werte nicht beobachtet, wenn dieselben Klone Messungen der Thiolaseaktivität in Anwesenheit von 10 μM CoA-SH unterworfen wurden, d. h. 80% der Mutanten zeigten Aktivitäten innerhalb von ± 20% der Wildtyp-ThlA-Aktivität (3b, d). Schließlich wurden 14 ThlMUT-Varianten anhand einer signifikant erhöhten Aktivität, d. h. > 150% der ThlWT-Aktivität in Gegenwart von freiem CoA-SH, identifiziert. Es ist bemerkenswert, dass erhöhte Aktivitätswerte von beiden Assays, die während des Screenings nachgewiesen wurden, nicht miteinander korrelierten. Der Pfeil in (d) deutet auf die 14 positiven Klone (ThlAMUT-Varianten mit signifikant erhöhter Aktivität), die für die weitere Charakterisierung ausgewählt wurden.Thiolase activities were measured in crude cell extracts without (a) and in the presence of 10 μM free CoA-SH (b). The relative distribution in percent of wild-type thiolase activity without (c) and in the presence of 10 μM free CoA-SH (d) is shown. A total of 1620 clones of the E. coli BL21 (DE3) pASK-IBA3 :: thlA MUT library were analyzed for thiolase activities and sensitivity to free CoA-SH. As illustrated in the figure, thiolase activities of mutants displayed a broad spectrum of both elevated and decreased levels compared to wild-type ThlA activity ( 3a , c), and only 56 clones (<4%) gave no thiolase activity. Interestingly, such broadly scattered values were not observed when the same clones were subjected to measurements of thiolase activity in the presence of 10 μM CoA-SH, ie 80% of the mutants showed activities within ± 20% of the wild-type ThlA activity ( 3b , d). Finally, 14 Thl MUT variants were identified by a significantly increased activity, ie,> 150% of Thl WT activity in the presence of free CoA-SH. It is noteworthy that increased levels of activity from both assays detected during screening did not correlate with each other. The arrow in (d) indicates the 14 positive clones (ThlA MUT variants with significantly increased activity), which were selected for further characterization.

4. Thiolase-Hemmung durch freies CoA-SH. 4 , Thiolase inhibition by free CoA-SH.

Offene Quadrate und gestrichelte Linie, ThlAWT; ausgefüllte Kreise und durchgezogene Linie, ThlAOPT. Mittelwerte aus sechs unabhängigen Messungen sind dargestellt. Die deutlich verringerte Sensitivität von ThlAOPT gegenüber freiem CoA-SH im Vergleich zu ThlAWT ist dargestellt. Bemerkenswerterweise zeigte ThlAOPT bei einer Konzentration von 50 μM CoA-SH eine mehr als 10-fach höhere Thiolaseaktivität als ThlAWT.Open squares and dashed line, ThlA WT ; filled circles and solid line, ThlA OPT . Mean values from six independent measurements are shown. The significantly reduced sensitivity of ThlA OPT to free CoA-SH compared to ThlA WT is shown. Remarkably, at a concentration of 50 μM CoA-SH, ThlA OPT showed a thiolase activity more than 10-fold higher than ThlA WT .

5. Fermentationsprofile rekombinanter C. acetobutylicum-Stämme. 5 , Fermentation profiles of recombinant C. acetobutylicum strains.

Ausgefüllte Kreise, C. acetobutylicum pT::thlAOPT; offene Rauten, C. acetobutylicum pT (Vektorkontrolle). Gemittelte Daten von drei unabhängigen Wiederholungen für jeden Stamm sind gezeigt. C. acetobutylicum pT::thlAOPT produzierte ähnliche Mengen an Aceton, aber höhere Spiegel an Ethanol und Butanol im Vergleich zu dem Vektorkontrollstamm. Die Aceton- und Ethanol-Produktion war deutlich verzögert, wohingegen die Butanol-Synthese zur gleichen Zeit begann wie in der Kontrollkultur. Die Expression von thlAOPT führte zu einer signifikant erhöhten Butanol-Produktion während der stationären Wachstumsphase, was den endgültigen Butanol-Titer von 142 mM (10,5 g/l) auf 168 mM (12,4 g/l) erhöhte.Closed circles, C. acetobutylicum pT :: thlA OPT ; open diamonds, C. acetobutylicum pT (vector control). Averaged data from three independent repetitions for each strain are shown. C. acetobutylicum pT :: thlA OPT produced similar amounts of acetone but higher levels of ethanol and butanol compared to the vector control strain. The acetone and ethanol production was significantly delayed whereas the butanol synthesis started at the same time as in the control culture. Expression of thlA OPT resulted in significantly increased butanol production during the stationary growth phase, which increased the final butanol titer from 142 mM (10.5 g / L) to 168 mM (12.4 g / L).

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Die vorliegende Erfindung stellt ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer Chemikalie unter Verwendung eines Acetoacetyl-CoA-abhängigen Stoffwechselweges bereit. Die vorliegende Erfindung betrifft somit ein Verfahren zur Herstellung einer Chemikalie, an dem ein größerer Strom in den Acetoacetyl-Coenzym A-abhängigen Stoffwechselweg beteiligt ist.The present invention provides an improved process for the production of a chemical using an acetoacetyl-CoA dependent pathway. The present invention thus relates to a process for producing a chemical in which a larger amount of current is involved in the acetoacetyl-coenzyme A-dependent metabolic pathway.

Das Verfahren der Erfindung ist verbessert, weil es eine Thiolaseaktivität mit höherer spezifischer Aktivität und/oder mit verringerter Sensitivität gegenüber dem Inhibitor Coenzym A im Vergleich zu der Aktivität und Sensitivität eines Wildtyp-Enzyms, wie des Polypeptids mit der SEQ ID NO: 1, besitzt. Diese verbesserten Varianten des Enzyms Thiolase thlA, die eine höhere Aktivität und/oder verringerte Rückkopplungshemmung aufweisen, werden ebenfalls von der Erfindung mit umfasst. Überraschenderweise zeigen mikrobielle Stämme, die eine solche Enzymvariante exprimieren, höhere Produktivität und/oder Selektivität in Richtung der Butanol-Produktion, obwohl Ansätze im Stand der Technik unter Einsatz mikrobieller Stämme, die ein solches Wildtyp-Enzym überexprimierten, den entsprechenden Effekt nicht gezeigt hatten, Stiller et al. (2008).The method of the invention is improved because it has a thiolase activity with higher specific activity and / or with reduced sensitivity to the inhibitor coenzyme A as compared to the activity and sensitivity of a wild-type enzyme such as the polypeptide of SEQ ID NO: 1 , These improved variants of the enzyme thiolase thlA, which have higher activity and / or reduced feedback inhibition, are also included in the invention. Surprisingly, microbial strains expressing such an enzyme variant show higher productivity and / or selectivity in the direction of butanol production, although prior art approaches using microbial strains overexpressing such a wild type enzyme have not shown the corresponding effect. Stiller et al. (2008).

Insbesondere wurden Hochdurchsatz-Anwendungen entwickelt, um die Thiolase-Varianten der Erfindung zu identifizieren.In particular, high throughput applications have been developed to identify the thiolase variants of the invention.

Im Stand der Technik herrscht die Meinung, dass zufallsgemäße Mutagenese von Enzymen oft den Nachteil hat, dass ein großer Anteil, wenn nicht alle so erhaltenen Mutanten gegenüber der Ausgangsvariante (die die Wildtyp-Variante sein kann) nicht verbessert sind. Zu den Gründen kann zum Beispiel gehören, dass die Mutagenese von katalytisch oder strukturell wichtigen Resten oft nicht toleriert werden kann. Andererseits sind detaillierte Informationen über die Rolle eines jeden Rests bei der Katalyse oder der Struktur eines Enzyms oft unbekannt. Die Forscher fühlen sich daher oft entmutigt, Zufallsmutagenese-Ansätze einzusetzen, insbesondere wenn keine umfassenden strukturellen und funktionellen Studien über die Ausgangsvariante (die der Wildtyp sein kann) existieren.In the prior art it is believed that random mutagenesis of enzymes often has the disadvantage that a large proportion, if not all, of the mutants thus obtained compared to the starting variant (which may be the wild-type variant) are not improved. The reasons may include, for example, that the mutagenesis of catalytically or structurally important residues often can not be tolerated. On the other hand, detailed information about the role of each residue in the catalysis or structure of an enzyme is often unknown. Researchers therefore often feel discouraged from using random mutagenesis approaches, especially when no comprehensive structural and functional studies on the initial variant (which may be wild-type) exist.

In einem Versuch, die Nachteile zu umgehen, die oft mit Zufallsmutagenese einhergehen, oder genauer gesagt, um die Möglichkeit zu minimieren, dass größtenteils inaktive Mutanten hergestellt werden, und die Chancen zu maximieren, dass verbesserte Enzymvarianten erhalten werden, haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung ein Zweischrittverfahren angewendet. Im ersten Schritt richteten sie die Aminosäuresequenz von CAC2873 mit der Z. ramigera-Thiolase aus. Dies erfolgte in Anbetracht der Sequenzhomologie der Z. ramigera-Thiolase (die Ausrichtung siehe in 2), die zuvor einer detaillierten biochemischen und kristallographischen Analyse unterzogen worden war. Als Ergebnis dieser Ausrichtung erwarteten die Erfinder, dass die Aminosäurereste 119–249 von CAC2873 eine große Schleifendomäne bilden, die mit der CoA-Einheit des Substrats in Wechselwirkung tritt (Meriläinen et al. 2009; Meriläinen et al. 2008.).In an attempt to circumvent the disadvantages often associated with random mutagenesis, or more specifically, to minimize the possibility of producing largely inactive mutants, and to maximize the chances of obtaining improved enzyme variants, the inventors of the present invention have a two-step procedure applied. In the first step, they aligned the amino acid sequence of CAC2873 with the Z. ramigera thiolase. This was done considering the sequence homology of Z. ramigera thiolase (for alignment see 2 ), which had previously undergone a detailed biochemical and crystallographic analysis. As a result of this alignment, the inventors expected that amino acid residues 119-249 of CAC2873 form a large loop domain that interacts with the CoA unit of the substrate (Meriläinen et al., 2009, Meriläinen et al., 2008).

Im zweiten Schritt entwickelten die Erfinder der vorliegenden Erfindung eine Mutageneseprotokoll, das auf die Einführung zufallsgemäßer Mutationen in die Schleifenregion, d. h. die Region der Reste 119–254, abzielte, d. h. die katalytischen Reste Cys89, His348 und Cys378 waren nicht beteiligt. Die Richtigkeit der Mutantenbank wurde durch DNA-Sequenzierung von 48 zufällig ausgewählten Klonen geprüft. Die sequenzierten Varianten in der so erhaltenen Mutantenbank von ThlA umfassten eine durchschnittliche Anzahl von 2,5 Aminosäuresubstitutionen in der Region der Reste 119–254.In the second step, the inventors of the present invention developed a mutagenesis protocol aimed at introducing random mutations into the loop region, i. H. the region of residues 119-254, aimed, d. H. the catalytic residues Cys89, His348 and Cys378 were not involved. The correctness of the mutant library was checked by DNA sequencing of 48 randomly selected clones. The sequenced variants in the ThlA mutant library thus obtained comprised an average number of 2.5 amino acid substitutions in the region of residues 119-254.

Somit betrifft die vorliegende Erfindung unter einem Aspekt ein Zweischrittverfahren zur Herstellung von ThlA-Varianten. Jedes beliebige ThlA-Enzym aus einem beliebigen Organismus (bevorzugt sind Clostridium-Spezies) kann als Ausgangssequenz verwendet werden, die im ersten Schritt mit der in 2 dargestellten Z. ramigera-Thiolase ausgerichtet wird. Die Ausrichtung erfolgt mittels ClustalW 2.1. Eine bevorzugte Region, in die die Mutationen eingeführt werden sollen, ist die Region, die homolog zu der Region ist, die den Resten 120–249 der in 2 gezeigten Z. ramigera-Thiolase entspricht (”Schleifenregion”). Der Begriff ”Schleifenregion” wird, ohne sich an irgendeine Theorie binden zu wollen, einfach als Bezeichnung für eine Region verwendet, die homolog zu der Region ist, die den Resten 120–249 der in 2 gezeigten Z. ramigera-Thiolase entspricht. In einer bevorzugten Ausführungsform ist CAC2873 (SEQ ID NO: 1; 2) die Ausgangssequenz für den Mutagenese-Ansatz, und stärker bevorzugt ist die für die Mutagenese ausgewählte Region die Schleifenregion, d. h. die Region, die den Resten 119–249 von CAC2873 entspricht. ”Für die Mutagenese ausgewählte Region” kann bedeuten, dass Mutationen vorzugsweise in diese Region eingeführt werden, oder – in einer bevorzugten Ausführungsform – dass Mutationen ausschließlich in diese Region eingeführt werden. So sind in einer bevorzugten Ausführungsform die verbesserten Thiolasen der vorliegenden Erfindung Varianten des ThlA-Enzyms (CAC2873) von C. acetobutylicum ATCC 824. In einer Ausführungsform wird das Thiolase-Gen thlA von C. acetobutylicum (CAC2873) einer Zufallsmutagenese unterworfen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die CoA-SH-bindende Schleifendomäne das Ziel von Aminosäureaustauschen durch zufallsgemäße Mutagenese.Thus, in one aspect, the present invention relates to a two step process for the preparation of ThlA variants. Any ThlA enzyme from any organism (preferably Clostridium species) can be used as the starting sequence, which in the first step with the in 2 aligned Z. ramigera thiolase is aligned. Alignment is done with ClustalW 2.1. A preferred region into which the mutations are to be introduced is the region homologous to the region corresponding to residues 120-249 of the 2 Z. ramigera thiolase shown corresponds ("loop region"). The term "loop region", without wishing to be bound by any theory, is used simply to refer to a region homologous to the region corresponding to residues 120-249 of the art 2 shown Z. ramigera thiolase corresponds. In a preferred embodiment, CAC2873 (SEQ ID NO: 1; 2 ) the starting sequence for the mutagenesis approach, and more preferably the region selected for mutagenesis is the loop region, ie the region corresponding to residues 119-249 of CAC2873. "Region selected for mutagenesis" may mean that mutations are preferably introduced into this region or, in a preferred embodiment, mutations are introduced exclusively into that region. Thus, in a preferred embodiment, the improved thiolases of the present invention are variants of the ThlA enzyme (CAC2873) of C. acetobutylicum ATCC 824. In one embodiment, the thiolase gene thlA of C. acetobutylicum (CAC2873) is subjected to random mutagenesis. In a preferred embodiment, the CoA-SH binding loop domain is the target of amino acid replacement by random mutagenesis.

In einem zweiten Schritt werden Mutationen in die Thiolase oder in deren Schleifenregion eingeführt. Obwohl dies üblicherweise durch Mutieren der codierenden Sequenz erfolgt, kann jede beliebige gewünschte Mutante auch durch direkte Synthese des gewünschten Polypeptids erhalten werden. Die codierende Sequenz des Enzyms, das mutagenisiert werden soll, kann oft aus öffentlich verfügbaren Datenbanken erhalten werden. Das entsprechende Nukleotid kann dann durch Gestaltung von PCR-Primern, wie im Stand der Technik bekannt, und Amplifikation ausgehend von einer Probe aus dem entsprechenden Organismus erhalten werden. Eine solche Probe kann zum Beispiel die gesamte genomische DNA oder einer Kolonie des entsprechenden Mikroorganismus sein (Kolonie-PCR). Alternativ kann die codierende Sequenz durch reverse Translation der Aminosäuresequenz erhalten werden und das entsprechende Oligonukleotid kann in vitro synthetisiert werden. Reverse Translation kann gegebenenfalls durchgeführt werden, indem man die Codonnutzung des Organismus, in dem die Expression gewünscht ist, berücksichtigt. Viele Methoden zur Einführung von Mutationen sind im Stand der Technik bekannt. Zu zufallsgemäßen Verfahren (Verfahren zum Erhalten zufallsgemäßer Mutanten) gehört zum Beispiel fehleranfällige PCR. Alternativ können spezifische Mutanten durch stellenspezifische Mutagenese eingeführt werden. Eine Vielzahl von zufallsgemäßen und stellenspezifischen Mutagenese-Ansätzen wird von Sambrook und Russell 2001 beschrieben, und irgendeiner solcher Ansätze kann verwendet werden. In Fällen, in denen eine Einführung von Mutationen in eine bestimmte Region der Ausgangssequenz (d. h. die Schleifenregion) erwünscht ist, kann die zufallsgemäße Mutagenese durch jedes beliebige für diesen Zweck geeignete, im Stand der Technik bekannte Verfahren durchgeführt werden, zum Beispiel durch Einführen stellenspezifischer Mutationen in die genannte bestimmte Region oder durch Ausschneiden der Region aus einem Nukleinsäurekonstrukt, das die gesamte codierende Sequenz des parentalen (z. B. Wildtyp-)Enzyms umfasst, mithilfe einzigartiger Restriktionsstellen, gefolgt von Zufallsmutagenese der ausgeschnittenen Region und anschließende Religation in ein Nukleinsäurekonstrukt, das demjenigen entspricht, das sich aus dem Schneiden an den einzigartigen Restriktionsstellen ergibt. Vorzugsweise wird die Zufallsmutagenese jedoch unter Verwendung synthetischer Oligonukleotide durchgeführt, die das degenerierte Rückgrat aufbauen, z. B. wie in Beispiel 4 und Tabelle 1 beschrieben.In a second step, mutations are introduced into the thiolase or its loop region. Although this is usually done by mutating the coding sequence, any desired mutant can also be obtained by direct synthesis of the desired polypeptide. The coding sequence of the enzyme to be mutagenized can often be obtained from publicly available databases. The corresponding nucleotide can then be obtained by designing PCR primers as known in the art and amplifying from a sample from the appropriate organism. Such a sample may be, for example, the entire genomic DNA or a colony of the corresponding microorganism (colony PCR). Alternatively, the coding sequence can be obtained by reverse translation of the amino acid sequence and the corresponding oligonucleotide can be synthesized in vitro. Optionally, reverse translation may be performed by taking into account the codon usage of the organism in which expression is desired. Many methods of introducing mutations are known in the art. Random methods (methods of obtaining random mutants) include, for example, error-prone PCR. Alternatively, specific mutants can be introduced by site-directed mutagenesis. A variety of random and site-directed mutagenesis approaches are described by Sambrook and Russell 2001, and any such approaches may be used. In cases where introduction of mutations into a particular region of the starting sequence (ie loop region) is desired, random mutagenesis may be by any of them For example, by introducing site-specific mutations into said particular region or by excising the region from a nucleic acid construct comprising the entire coding sequence of the parental (eg, wild-type) enzyme, using unique restriction sites, followed by random mutagenesis of the excised region and subsequent religation into a nucleic acid construct corresponding to that resulting from cleavage at the unique restriction sites. Preferably, however, random mutagenesis is performed using synthetic oligonucleotides that make up the degenerate backbone, e.g. B. as described in Example 4 and Table 1.

In dieser Beschreibung kann Mutation ein beliebiges oder mehrere beliebige Mittel bedeuten, das/die aus Substitution, Deletion und Insertion ausgewählt wird/werden, obwohl Substitution bevorzugt sein kann. In dieser Beschreibung ist ein mutiertes Protein eine beliebige Variante eines Ausgangsproteins (parentalen Proteins), das mindestens eine (bevorzugte) Mutation in Bezug auf das Ausgangsprotein (parentale Protein) besitzt.In this specification, mutation may mean any one or more of any agents selected from substitution, deletion, and insertion, although substitution may be preferred. In this specification, a mutant protein is any variant of a parental protein that has at least one (preferred) mutation with respect to the parental protein.

Die erhaltenen zufallsgemäßen Mutanten können auf dieser Stufe sequenziert werden (wofür die (Plasmid-)DNA, die die Variante codiert, isoliert werden kann), obwohl die Sequenzierung in diesem Stadium lediglich optional ist.The random mutants obtained can be sequenced at this stage (for which the (plasmid) DNA encoding the variant can be isolated), although sequencing at this stage is merely optional.

In einem dritten Schritt werden die erhaltenen Varianten (Mutanten der Ausgangssequenz) auf die Thiolaseaktivität durchmustert. Zu diesem Zweck werden die erhaltenen Varianten in E. coli exprimiert. Die Expression der gewünschten Variante kann abhängig von dem Promotor induziert werden, wie im Stand der Technik beschrieben (z. B. Sambrook und Russell 2001). Für ein Tetracyclin-abhängiges System kann die Expression durch Anhydrotetracyclin induziert werden, wie in Beispiel 2 beschrieben. Nach Induktion der Expression werden die Zellen weiter gezüchtet und anschließend geerntet, z. B. durch Zentrifugation. Rohextrakte der E. coli, die die Thiolase-Varianten exprimieren, werden hergestellt, wie in Beispiel 3 beschrieben.In a third step, the variants obtained (mutants of the starting sequence) are screened for thiolase activity. For this purpose, the variants obtained are expressed in E. coli. The expression of the desired variant may be induced depending on the promoter as described in the prior art (eg Sambrook and Russell 2001). For a tetracycline-dependent system, expression can be induced by anhydrotetracycline as described in Example 2. After induction of expression, the cells are further grown and subsequently harvested, e.g. B. by centrifugation. Crude E. coli extracts expressing the thiolase variants are prepared as described in Example 3.

In einer Ausführungsform wird die Thiolaseaktivität in Abwesenheit des Inhibitors getestet. In einer weiteren (bevorzugten) Ausführungsform wird die Thiolaseaktivität in Anwesenheit des Inhibitors getestet. Lediglich optional und zur Beschleunigung des Durchmusterungsverfahrens wird ein Hochdurchsatz-Screening durchgeführt, wobei Multititerplatten, wie das Mikrotiterplatten-Format mit 96 Vertiefungen, eingesetzt werden.In one embodiment, the thiolase activity is tested in the absence of the inhibitor. In a further (preferred) embodiment, the thiolase activity is tested in the presence of the inhibitor. Merely optional, and to speed up the screening process, high-throughput screening is performed using multi-well plates, such as the 96-well microtiter plate format.

Die Thiolaseaktivitätsmessungen dienen dazu, verbesserte Thiolase-Varianten zu identifizieren. In einer bevorzugten Ausführungsform werden rekombinante E. coli-Stämme als Wirtszellen für das Screening einer in Plasmiden hergestellten Bank des mutagenisierten thlA-Gens verwendet.The thiolase activity measurements serve to identify improved thiolase variants. In a preferred embodiment, recombinant E. coli strains are used as host cells for the screening of a plasmid-derived library of the mutagenized thlA gene.

Die Bestimmung der Thiolaseaktivitäten wird durch einen 3-Hydroxybutyryl-CoA-Dehydrogenase-gekoppelten spektralphotometrischen Test wie folgt durchgeführt. Die 3-Hydroxybutyryl-CoA-Dehydrogenase-Aktivität wird von einer üblichen 3-Hydroxyacyl-CoA-Dehydrogenase oder durch das hbd-Protein von C. acetobutylicum oder durch das PhaB-Protein von R. eutropha bereitgestellt. Die 3-Hydroxybutyryl-CoA-Dehydrogenase-Aktivität wird entweder durch die gereinigten Enzyme oder durch Rohextrakte von nativen oder rekombinanten Wirtszellen, die das entsprechende Gen exprimieren, bereitgestellt. Die Thiolaseaktivitäten können spektralphotometrisch, wie zum Beispiel in Küvetten oder in Mikrotiterplatten (z. B. mit 96 Vertiefungen) gemessen werden. Insbesondere ist der Assay zur Bestimmung der Thiolaseaktivität gemäß der vorliegenden Erfindung wie folgt:The determination of thiolase activities is performed by a 3-hydroxybutyryl-CoA dehydrogenase-coupled spectrophotometric assay as follows. The 3-hydroxybutyryl-CoA dehydrogenase activity is provided by a conventional 3-hydroxyacyl-CoA dehydrogenase or by the hbd protein of C. acetobutylicum or by the PhaB protein of R. eutropha. 3-hydroxybutyryl-CoA dehydrogenase activity is provided either by the purified enzymes or by crude extracts of native or recombinant host cells expressing the corresponding gene. The thiolase activities can be measured spectrophotometrically, for example in cuvettes or in microtiter plates (eg with 96 wells). In particular, the assay for determining thiolase activity according to the present invention is as follows:

Assay zur Bestimmung der Thiolaseaktivität:Assay for the determination of thiolase activity:

Zellrohextrakte von E. coli werden durch Zugabe von 5 ml BugBuster 10× Protein-Extraktionsreagenz (Merck Bioscience, Darmstadt, Deutschland), das zuvor mit 0,1 M Tris/HCl-Puffer, pH 6,0, 1:10 verdünnt worden ist, pro Gramm Zellfeuchtgewicht hergestellt und die Suspension wird bei Raumtemperatur für 20 min inkubiert. Um die Zelltrümmer zu entfernen, wird die Suspension bei 4°C und 13.000 U/min für 30 min zentrifugiert. Der Überstand wird in ein frisches Gefäß überführt und anschließend für die Enzymaktivitätsmessungen verwendet und der Proteingehalt wird nach Bradford (Bradford 1976) bestimmt.Cell crude extracts of E. coli are prepared by adding 5 ml of BugBuster 10X protein extraction reagent (Merck Bioscience, Darmstadt, Germany) previously diluted 1:10 with 0.1 M Tris / HCl buffer, pH 6.0 , per gram of wet cell weight, and the suspension is incubated at room temperature for 20 min. To remove the cell debris, the suspension is centrifuged at 4 ° C and 13,000 rpm for 30 min. The supernatant is transferred to a fresh tube and subsequently used for enzyme activity measurements and the protein content is determined according to Bradford (Bradford 1976).

Für den NADPH-gekoppelten Thiolase-Assay wird Acetoacetyl-CoA-Reduktase(PhaB)-Aktivität durch Rohextrakte von E. coli BL21 (DE3) pET30::phaB1 bereitgestellt. [Dieser Rohextrakt ist wie folgt erhältlich: Das phaB-Gen wird aus der chromosomalen DNA von R. eutropha H16 unter Verwendung der Primer phaB_fw und phaB_rv amplifiziert und in pET-30 Xa/LIC gemäß der Beschreibung des Herstellers (Merck Bioscience, Darmstadt, Deutschland, Kat.-Nr. 69073-3) kloniert. E. coli BL21 (DE3) pET30::pha8 wird in LB, das 100 μg/ml Ampicillin und 25 μg/ml Chloramphenicol enthält, bei 37°C bis auf eine OD600 von 0,7 gezüchtet, 24 mg/ml Isopropyl-β-D-thiogalactopyranosid (IPTG) werden zugegeben und die Kultur wird bei 30°C für 4 Std. weiter inkubiert. Die Zellen werden durch Zentrifugation bei 4°C und 5000 × g für 10 min geerntet und die Zellsedimente werden bei –20°C aufbewahrt, wenn notwendig. Zellrohextrakte werden hergestellt, wie vorstehend beschrieben.] Die PhaB-Aktivität wird spektralphotometrisch gemessen: 30 μl Rohextrakt werden zu 0,9 ml Kaliumphosphatpuffer (0,05 M, pH 6,0), der 32 nM Acetoacetyl-CoA und 100 nM NADPH enthält, zugegeben und die Absorption wird bei 340 nm aufgezeichnet (Haywood et al. 1988).For the NADPH-coupled thiolase assay, acetoacetyl-CoA reductase (PhaB) activity is provided by crude extracts of E. coli BL21 (DE3) pET30 :: phaB1. [This crude extract is obtainable as follows: The phaB gene is amplified from the chromosomal DNA of R. eutropha H16 using the primers phaB_fw and phaB_rv and in pET-30 Xa / LIC according to the manufacturer's description (Merck Bioscience, Darmstadt, Germany , Cat # 69073-3). E. coli BL21 (DE3) pET30 :: pha8 is expressed in LB containing 100 μg / ml of ampicillin and 25 μg / ml chloramphenicol cultured at 37 ° C to an OD 600 of 0.7, 24 mg / ml isopropyl-β-D-thiogalactopyranoside (IPTG) are added and the culture is incubated at 30 ° C for 4 hrs further incubated. The cells are harvested by centrifugation at 4 ° C and 5000 x g for 10 min and the cell pellets are stored at -20 ° C, if necessary. Cell crude extracts are prepared as described above.] The PhaB activity is measured spectrophotometrically: 30 μl of crude extract is added to 0.9 ml of potassium phosphate buffer (0.05 M, pH 6.0) containing 32 nM acetoacetyl-CoA and 100 nM NADPH , and absorbance is recorded at 340 nm (Haywood et al., 1988).

Die Kondensationsreaktion der Thiolaseaktivität wird in Extrakten von E. coli BL21 (DE3) pASK-IBA3::thlA in 50 mM Kaliumphosphatpuffer, pH 6,0, der 1 mM Dithiothreitol (DTT), 0,2 mM NADPH und 2 U PhaB (in Rohextrakten von E. coli BL21 (DE3) pET30::phaBI) enthält, bestimmt. Die Reaktion wird durch Zugabe von 1 mM Acetyl-CoA gestartet und bei 340 nm an einem Ultrospec 3000-Photometer (Amersham Buchler GmbH & Co. KG, Braunschweig, Deutschland) überwacht. Die umgekehrte thiolytische Spaltungsreaktion wird spektralphotometrisch anhand der Acetoacetyl-CoA-Abnahme bei 303 nm gemessen, wie von Hartmanis und Gatenbeck (1964) beschrieben.The condensation reaction of thiolase activity is assayed in extracts of E. coli BL21 (DE3) pASK-IBA3 :: thIA in 50 mM potassium phosphate buffer, pH 6.0, 1 mM dithiothreitol (DTT), 0.2 mM NADPH and 2 U PhaB (in Crude extracts of E. coli BL21 (DE3) pET30 :: phaBI). The reaction is started by adding 1 mM acetyl-CoA and monitored at 340 nm on an Ultrospec 3000 photometer (Amersham Buchler GmbH & Co. KG, Braunschweig, Germany). The reverse thiolytic cleavage reaction is measured spectrophotometrically by acetoacetyl-CoA decrease at 303 nm, as described by Hartmanis and Gatenbeck (1964).

Die Zellextraktherstellung aus C. acetobutylicum-Stämmen und Thiolaseaktivitätsmessungen werden durchgeführt, wie zuvor im Detail beschrieben (Hartmanis und Gatenbeck 1984; Lehmann und Lütke-Eversloh 2011). Der vorstehende Assay zur Bestimmung der Thiolaseaktivität wird durchgeführt, um verbesserte Thiolase-Varianten (Mutanten) unter allen erhaltenen mutierten Thiolase-Varianten zu identifizieren. Mutierte Thiolase-Varianten können auch als thlAMUT bezeichnet werden. Im Sinne der vorliegenden Beschreibung ist eine verbesserte Thiolase-Mutante eine Thiolase-Mutante (Variante des parentalen Enzyms), die entweder (a) eine höhere Aktivität als das parentale Enzym (das Ausgangsenzym der Mutagenese) (d. h. ohne Zugabe von CoA-SH) oder (b) eine höhere Aktivität als das parentale Enzym in Gegenwart von ≥ 10 μM CoA-SH oder (c) eine Kombination von (a) und (b) (d. h. sowohl (a) als auch (b)) aufweist. Verbesserte Thiolase-Varianten können auch als thlAIMP bezeichnet werden.Cell extract production from C. acetobutylicum strains and thiolase activity measurements are performed as previously described in detail (Hartmanis and Gatenbeck 1984, Lehmann and Lütke-Eversloh 2011). The above thiolase activity assay is performed to identify improved thiolase variants (mutants) among all the mutant thiolase variants obtained. Mutated thiolase variants can also be referred to as thlA MUT . As used herein, an improved thiolase mutant is a thiolase mutant (variant of the parental enzyme) that has either (a) higher activity than the parental enzyme (the parent enzyme of mutagenesis) (ie, without addition of CoA-SH) or (b) a higher activity than the parent enzyme in the presence of ≥ 10 μM CoA-SH or (c) a combination of (a) and (b) (ie both (a) and (b)). Improved thiolase variants can also be referred to as thlA IMP .

In einer bevorzugten Ausführungsform von (a) zeigt eine verbesserte Thiolase-Variante der Erfindung 5% oder höhere, vorzugsweise 10% oder höhere, stärker bevorzugt 20% oder höhere, noch stärker bevorzugt 30% oder höhere Aktivität im Vergleich zu dem parentalen (z. B. Wildtyp-)Enzym. Wenn er auf die Identifizierung von Enzymen der Ausführungsform (a) gerichtet ist, dann wird kein CoASH zu dem Assay zur Bestimmung der Aktivität zugegeben.In a preferred embodiment of (a), an improved thiolase variant of the invention shows 5% or higher, preferably 10% or higher, more preferably 20% or higher, even more preferably 30% or higher activity compared to the parent (e.g. Wild-type) enzyme. When directed to the identification of enzymes of embodiment (a), no CoASH is added to the assay for determining activity.

In einer bevorzugten Ausführungsform von (b) hat eine verbesserte Thiolase-Variante 50% oder höhere, vorzugsweise 75% oder höhere, stärker bevorzugt 100% oder höhere, noch stärker bevorzugt 200% oder höhere Aktivität in Gegenwart von 10 μM CoA-SH im Vergleich zu dem parentalen (z. B. Wildtyp-)Enzym. Dazu gehören verbesserte Thiolase-Mutanten, die nicht (auf messbare Weise) durch freies CoA-SH gehemmt werden. Wenn er sich auf die Identifizierung von Enzymen der Ausführungsform (b) richtet, werden die 10 μM CoA-SH vor der Durchführung des Assays zugegeben.In a preferred embodiment of (b), an improved thiolase variant has 50% or higher, preferably 75% or higher, more preferably 100% or higher, even more preferably 200% or higher activity in the presence of 10 μM CoA-SH in comparison to the parent (e.g., wild-type) enzyme. These include improved thiolase mutants that are not (measurably) inhibited by free CoA-SH. When directed to the identification of enzymes of embodiment (b), the 10 μM CoA-SH are added prior to performing the assay.

In den beiden vorstehenden Absätzen bezieht sich parentales (z. B. Wildtyp-)Enzym auf das Polypeptid, das als Grundlage für die Mutagenese diente. Das parentale (z. B. Wildtyp-)Enzym kann ein beliebiges Enzym sein, das Thiolaseaktivität besitzt, wie jede beliebige Variante von ThlA, insbesondere jede beliebige (vorzugsweise Wildtyp-)ThlA aus einer Clostridium-Spezies. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das parentale (z. B. Wildtyp-)Enzym dasjenige, das als SEQ ID NO: 1 dargestellt ist.In the two preceding paragraphs, parenteral (eg, wild-type) enzyme refers to the polypeptide that served as the basis for the mutagenesis. The parent (e.g., wild-type) enzyme may be any enzyme possessing thiolase activity, such as any variant of ThlA, particularly any (preferably wild-type) ThlA from a Clostridium species. In a preferred embodiment, the parent (eg, wild type) enzyme is that shown as SEQ ID NO: 1.

Der von den Erfindern verwendete Ansatz hat auch zur Identifizierung besonders bevorzugter Stellen für die Mutagenese geführt, d. h. 133, 156, 222 in Bezug auf SEQ ID NO: 1. Es sollte selbstverständlich sein, dass die Mutation von mindestens einem, zum Beispiel jeder Kombination von zwei (d. h. 133 und 156; 133 und 222 oder 156 und 222) oder aller drei der Reste 133, 156, 222 zu einem verbesserten Enzym der Erfindung führen kann. Somit umfasst die vorliegende Erfindung ein Polypeptid mit Thiolaseaktivität, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es 70% oder mehr, vorzugsweise 75% oder mehr, stärker bevorzugt 80% oder mehr, stärker bevorzugt 85% oder mehr, stärker bevorzugt 90% oder mehr, stärker bevorzugt 95% oder mehr, wie 96% oder mehr, 97% oder mehr, 98% oder mehr, 99% oder mehr Sequenzidentität mit der SEQ ID NO: 1 aufweist, unter der Voraussetzung, dass mindestens einer, vorzugsweise eine beliebige Kombination von zwei oder alle drei der Reste 133, 156, 222 eine Mutation in Bezug auf SEQ ID NO: 1 aufweisen. Im Sinne dieser Beschreibung bezieht sich der Begriff ”Mutation” auf jede Mutation, ausgewählt aus Insertion, Deletion und Substitution, wobei Substitution bevorzugt ist.The approach used by the inventors has also led to the identification of particularly preferred sites for mutagenesis, d. H. 133, 156, 222 with respect to SEQ ID NO: 1. It should be understood that the mutation of at least one, for example, any combination of two (ie, 133 and 156; 133 and 222 or 156 and 222) or all three of the Residues 133, 156, 222 may result in an improved enzyme of the invention. Thus, the present invention encompasses a polypeptide having thiolase activity characterized as being 70% or greater, preferably 75% or greater, more preferably 80% or greater, more preferably 85% or greater, more preferably 90% or greater preferably 95% or more, such as 96% or more, 97% or more, 98% or more, 99% or more sequence identity to SEQ ID NO: 1, provided that at least one, preferably any combination of two or all three of residues 133, 156, 222 have a mutation with respect to SEQ ID NO: 1. As used herein, the term "mutation" refers to any mutation selected from insertion, deletion and substitution, with substitution being preferred.

Bevorzugte Substitutionen von Position 133 sind diejenigen, wobei der Rest R durch einen kleinen Rest, wie G oder A oder S oder C, oder einen unpolaren Rest, wie insbesondere einen hydrophoben Rest, wie G, A, L, I, V, W, Y, F, ausgetauscht ist, wobei G am stärksten bevorzugt ist. Bevorzugte Substitutionen von Position 156 sind diejenigen, wobei der Rest H durch einen Amidrest, wie N oder Q, ausgetauscht ist, wobei N bevorzugt wird. Bevorzugte Substitutionen von Position 222 sind diejenigen, wobei der Rest G durch einen hydrophoben Rest ausgetauscht ist, wie zum Beispiel G, A, L, I, V, W, Y, F, wobei V am stärksten bevorzugt ist. Jede Kombination dieser bevorzugten Substitutionen wird von der Erfindung ebenfalls mit umfasst. So ist in der am stärksten bevorzugten Ausführungsform das Polypeptid dadurch gekennzeichnet, dass die Mutation(en) unter einer, jeder Kombination von zwei und vorzugsweise allen drei der folgenden Substitutionen ausgewählt wird/werden: R133G, H156N, G222V. Die Ausführungsform, in der alle diese drei Substitutionen kombiniert sind, ist in SEQ ID NO: 2 gezeigt und wird hier auch als thlaOPT bezeichnet. Preferred substitutions of position 133 are those wherein the radical R is represented by a small radical such as G or A or S or C, or a non-polar radical such as in particular a hydrophobic radical such as G, A, L, I, V, W, Y, F, with G being most preferred. Preferred substitutions of position 156 are those wherein the group H is replaced by an amide group such as N or Q, with N being preferred. Preferred substitutions of position 222 are those wherein the group G is replaced by a hydrophobic group, such as G, A, L, I, V, W, Y, F, with V being most preferred. Any combination of these preferred substitutions is also included in the invention. Thus, in the most preferred embodiment, the polypeptide is characterized in that the mutation (s) are selected from one, each combination of two and preferably all three of the following substitutions: R133G, H156N, G222V. The embodiment in which all these three substitutions are combined is shown in SEQ ID NO: 2 and is also referred to herein as thla OPT .

Die Gene der verbesserten Thiolase-Varianten können in einem industriellen Produktionsorganismus zur Erhöhung des Stroms in einen Acetoacetyl-CoA-abhängigen Stoffwechselweg exprimiert werden. Die DNA-Sequenz von in der vorliegenden Erfindung beschriebenen verbesserten Thiolase-Varianten kann, z. B. durch Veränderung der Codonnutzung, an den spezifischen Wirtsorganismus für eine erhöhte Expression des rekombinanten Gens angepasst werden.The genes of the improved thiolase variants can be expressed in an industrial production organism to increase the current into an acetoacetyl-CoA-dependent metabolic pathway. The DNA sequence of improved thiolase variants described in the present invention may be, e.g. By modifying codon usage, to the specific host organism for increased expression of the recombinant gene.

Die verbesserten Thiolase-Enzyme können in einem Verfahren zur Herstellung technisch wichtiger Verbindungen, die aus einem mit Acetoacetyl-CoA in Zusammenhang stehenden Biosyntheseweg herrühren, eingesetzt werden.The improved thiolase enzymes can be used in a process for the preparation of industrially important compounds resulting from an acetoacetyl-CoA-related biosynthetic pathway.

Genauer gesagt, können die verbesserten Thiolase-Enzyme an einem Verfahren zur Herstellung einer Isoprenoid-Verbindung, an dem der Mevalonat-Weg beteiligt ist, beteiligt sein. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die verbesserten Thiolase-Enzyme zur Polyhydroxyalkanoat-Herstellung durch angeborene oder rekombinante Wirte für die Herstellung thermoplastischer Polyester aus nachwachsenden Rohstoffen verwendet.More specifically, the improved thiolase enzymes may be involved in a process for producing an isoprenoid compound involving the mevalonate pathway. In a preferred embodiment, the improved thiolase enzymes for polyhydroxyalkanoate production by innate or recombinant hosts are used for the production of thermoplastic polyesters from renewable resources.

In einer anderen Ausführungsform werden verbesserte Thiolase-Enzyme zur Produktion von Biokraftstoffen verwendet. In einer bevorzugten Ausführungsform basiert ein Biokraftstoffproduktionsverfahren auf der Umwandlung von Kohlenhydraten, wie Mono-, Di- oder Polysacchariden, gegebenenfalls einschließlich Lignocellulose-Hydrolysaten, in Biokraftstoffe. Die verbesserten Thiolase-Enzyme der vorliegenden Erfindung werden in einem solchen Verfahren verwendet.In another embodiment, improved thiolase enzymes are used to produce biofuels. In a preferred embodiment, a biofuel production process is based on the conversion of carbohydrates, such as mono-, di- or polysaccharides, optionally including lignocellulosic hydrolysates, into biofuels. The improved thiolase enzymes of the present invention are used in such a method.

Die verbesserten Enzyme der Erfindung können in einem Verfahren zur Herstellung einer Chemikalie entlang des Acetoacetyl-CoA-abhängigen Stoffwechselweges verwendet werden; dieser Weg erfordert eine Thiolaseaktivität. Ein beliebiges Verfahren unter Verwendung eines Enzyms der Erfindung wird daher von der Erfindung ebenfalls mit umfasst.The improved enzymes of the invention can be used in a process for producing a chemical along the acetoacetyl-CoA dependent pathway; this route requires thiolase activity. Any method using an enzyme of the invention is therefore also encompassed by the invention.

Vorzugsweise hat die Thiolase der Erfindung (die bei dem Verfahren der Erfindung verwendet wird) 5% oder höhere, vorzugsweise 10% oder höhere, stärker bevorzugt 20% oder höhere, noch stärker bevorzugt 30% oder höhere Aktivität im Vergleich zu dem parentalen Wildtyp-Enzym unter physiologischen Bedingungen. Physiologische Bedingungen sind die Bedingungen, die man in der Regel in dem Organismus vorfindet, in dem das Enzym (gegebenenfalls rekombinant) exprimiert wird. Es ist zu erwarten, dass eine höhere Aktivität des Enzyms zu einer höheren Ausbeute an dem Produkt des entsprechenden Weges (z. B. Butanol) führt. Die Produktausbeute kann somit als indirektes Maß für die Aktivität dienen. Zur direkten Messung der Aktivität wird das Enzym exprimiert, wie vorstehend beschrieben, und der Rohextrakt wird auf die Thiolaseaktivität getestet, wie vorstehend beschrieben.Preferably, the thiolase of the invention (used in the method of the invention) has 5% or higher, preferably 10% or higher, more preferably 20% or higher, even more preferably 30% or higher activity compared to the parental wild-type enzyme under physiological conditions. Physiological conditions are the conditions usually found in the organism in which the enzyme is expressed (optionally recombinantly). It is to be expected that a higher activity of the enzyme leads to a higher yield of the product of the corresponding route (eg butanol). The product yield can thus serve as an indirect measure of the activity. For direct measurement of activity, the enzyme is expressed as described above and the crude extract is assayed for thiolase activity as described above.

Vorzugsweise hat die Thiolase der Erfindung (die bei dem Verfahren der Erfindung verwendet werden soll) eine Aktivität, die (im Wesentlichen) nicht durch 10 μM CoA-SH gehemmt wird. Dies bedeutet, dass die Aktivität in Gegenwart dieser Konzentration von CoA-SH mindestens 90% der Aktivität in Abwesenheit von CoASH entspricht.Preferably, the thiolase of the invention (to be used in the method of the invention) has an activity which is (substantially) not inhibited by 10 μM CoA-SH. This means that the activity in the presence of this concentration of CoA-SH corresponds to at least 90% of the activity in the absence of CoASH.

Wie hier beschrieben, ist diese Thiolase durch die vorstehend beschriebenen Screening-Verfahren zur Selektion verbesserter Thiolase-Varianten unter den mutierten Thiolase-Varianten erhältlich. Das Screening kann rekombinante Expression der Thiolase in Bakterien, wie zum Beispiel E. coli, beinhalten. Das Screening kann durch spektralphotometrische Messungen von Thiolaseaktivitäten in Bakterienzellrohextrakten durchgeführt werden. Alternativ kann das Screening die Nutzung von Buttersäure zur Phänotypselektion beinhalten. Das Screening kann Überwachung der Polyhydroxyalkanoat-Akkumulation und Anfärbung lebensfähiger Kolonien für die Phänotypselektion umfassen.As described herein, this thiolase is obtainable by the screening methods described above for the selection of improved thiolase variants among the mutant thiolase variants. The screening may involve recombinant expression of the thiolase in bacteria, such as E. coli. The screening can be performed by spectrophotometric measurements of thiolase activities in bacterial cell crude extracts. Alternatively, the screening may involve the use of butyric acid for phenotype selection. The screening may include monitoring of polyhydroxyalkanoate accumulation and staining of viable colonies for phenotype selection.

Vorzugsweise ist die bei dem Verfahren der Erfindung hergestellte Chemikalie ein C4-Alkohol. C4-Alkohol bedeutet jeden beliebigen Alkohol mit vier Kohlenstoffatomen, wobei die Anzahl oder die Art der Nicht-H-Atome nicht besonders beschränkt ist. Vorzugsweise umfasst ein C4-Alkohol ein O-Atom als einziges Nicht-H-Atom, d. h. ist Butanol (einschließlich n-Butanol, 2-Butanol und tert.-Butanol), vorzugsweise n-Butanol.Preferably, the chemical produced in the process of the invention is a C4 alcohol. C4 alcohol means any alcohol having four carbon atoms, and the number or type of non-H atoms is not particularly limited. Preferably, a C4 alcohol comprises an O atom as the sole non-H atom, i. H. is butanol (including n-butanol, 2-butanol and tert-butanol), preferably n-butanol.

Die vorliegende Erfindung stellt auch eine Nukleinsäure bereit, die das verbesserte Enzym der Erfindung codiert. Dies umfasst die Enzymvariante, die durch die spezifischen Mutationen, wie vorstehend definiert, definiert ist, sowie jedes beliebige Enzym, das eine Thiolaseaktivität mit höherer spezifischer Aktivität und/oder verringerter Sensitivität gegenüber dem Inhibitor Coenzym A besitzt, wie vorstehend definiert. Insbesondere wird die Nukleinsäure mit umfasst, die das durch SEQ ID NO: 2 definierte Polypeptid codiert. Dem Fachmann wird klar sein, dass aufgrund der Degeneration des genetischen Codes verschiedene Nukleinsäuren das Polypeptid codieren können, und sie sind sämtlich in die Erfindung mit eingeschlossen. Die Nukleinsäuren können am besten durch reverse Translation in silico erhalten werden.The present invention also provides a nucleic acid encoding the improved enzyme of the invention. This includes the enzyme variant defined by the specific mutations as defined above, as well as any enzyme having a thiolase activity with higher specific activity and / or reduced sensitivity to the inhibitor coenzyme A as defined above. In particular, the nucleic acid encoding the polypeptide defined by SEQ ID NO: 2 is included. It will be understood by those skilled in the art that due to the degeneracy of the genetic code, various nucleic acids can encode the polypeptide, and they are all included in the invention. The nucleic acids are best obtained by reverse translation in silico.

Die Nukleinsäure kann eine Sequenz mit 80% oder mehr, vorzugsweise 90% oder mehr, stärker bevorzugt 95% oder mehr, stärker bevorzugt 96% oder mehr (97% oder mehr, 98% oder mehr) und am stärksten bevorzugt 99% oder mehr Sequenzidentität mit der SEQ ID NO: 13 haben. In einer besonderen Ausführungsform dieses Grades der Sequenz umfasst besteht aus dem als SEQ ID NO: 13 dargestellten Polynukleotid. SEQ ID NO: 13 codiert das Polypeptid der SEQ ID NO: 2. In einer Ausführungsform ist die Sequenz SEQ ID NO: 12 aus den Wolken von in diesem Absatz genannten besonderen prozentualen Identitäten ausgeschlossen; d. h. die Erfindung bezieht sich auch auf eine Nukleinsäure mit 80% oder mehr (einschließlich aller vorstehend aufgeführter stärker und am stärksten bevorzugten Ausführungsformen) Identität zu der SEQ ID NO: 13, unter der Voraussetzung, dass SEQ ID NO: 12 ausgeschlossen ist.The nucleic acid may have a sequence of 80% or more, preferably 90% or more, more preferably 95% or more, more preferably 96% or more (97% or more, 98% or more), and most preferably 99% or more sequence identity having SEQ ID NO: 13. In a particular embodiment, this level of sequence comprises the polynucleotide shown as SEQ ID NO: 13. SEQ ID NO: 13 encodes the polypeptide of SEQ ID NO: 2. In one embodiment, the sequence SEQ ID NO: 12 is excluded from the clouds of particular percent identities referred to in this paragraph; d. H. the invention also relates to a nucleic acid of 80% or more (including all of the above-listed more and most preferred embodiments) identity to SEQ ID NO: 13, provided that SEQ ID NO: 12 is excluded.

Die Nukleinsäure kann in jeder Form vorliegen, obwohl DNA (einzelsträngige oder doppelsträngige, d. h. mit dem entsprechenden komplementären Strang) bevorzugt ist.The nucleic acid may be in any form, although DNA (single-stranded or double-stranded, i.e., with the corresponding complementary strand) is preferred.

Die Erfindung betrifft ferner einen Vektor, der die Nukleinsäure umfasst. Jeder geeignete Vektor wird von der Erfindung umfasst, wobei zirkuläre Nukleinsäurevektoren, insbesondere Plasmide, bevorzugt werden. Der Vektor enthält üblicherweise, obwohl nicht notwendigerweise, einen Promotor für die Expression der vorstehend definierten Nukleinsäure und/oder einen Replikationsursprung, der die Replikation in der (oder jeder der) Wirtszelle(n) ermöglicht, in der/denen der Vektor vermehrt und/oder die vorstehend definierte Nukleinsäure exprimiert werden soll.The invention further relates to a vector comprising the nucleic acid. Any suitable vector is encompassed by the invention, with circular nucleic acid vectors, in particular plasmids, being preferred. The vector will usually, although not necessarily, contain a promoter for the expression of the nucleic acid as defined above and / or an origin of replication enabling replication in the (or each of) the host cell (s) in which the vector is propagated and / or the nucleic acid defined above is to be expressed.

Die Erfindung betrifft ferner eine Wirtszelle, die die vorstehend definierte Nukleinsäure oder den vorstehend definierten Vektor umfasst. Die Wirtszelle ist nicht besonders beschränkt, obwohl die Kriterien für ihre Auswahl auf den folgenden Überlegungen basieren. Es wird bevorzugt, dass die Enzyme der vorliegenden Erfindung zur mikrobiellen Butanol-Produktion eingesetzt werden. Organismen mit einem ausgeprägten C4-Stoffwechsel (vorzugsweise Organismen, die in der Lage sind, Butanol zu produzieren) sind ein stärker bevorzugter Wirt für die Expression optimierter Thiolase-Gene gemäß der vorliegenden Erfindung. Somit kann die Wirtszelle aus Organismen ausgewählt werden, die einen relativ hohen Stoffwechselstrom in einen C4-spezifischen Weg aufweisen; dazu gehören insbesondere Bakterien, die zur Gattung Clostridium gehören. Bei dem Verfahren der Erfindung kann die Wirtszelle zur Gattung Clostridium gehören. Stärker bevorzugt gehört die Wirtszelle zu einer der folgenden Spezies: C. acetobutylicum, C, beijerinckii, C. saccharoperbutylacetonicum, C. butyricum, C. pasteurianum, C. saccharobutylicum, C. Ijungdahlii, C. thermocellum, C. thermobutyricum, C. cellulolyticum.The invention further relates to a host cell comprising the above-defined nucleic acid or the vector defined above. The host cell is not particularly limited, although the criteria for its selection are based on the following considerations. It is preferred that the enzymes of the present invention be used for microbial butanol production. Organisms with pronounced C4 metabolism (preferably organisms capable of producing butanol) are a more preferred host for the expression of optimized thiolase genes according to the present invention. Thus, the host cell may be selected from organisms having a relatively high metabolic flux in a C4-specific pathway; these include in particular bacteria belonging to the genus Clostridium. In the method of the invention, the host cell may belong to the genus Clostridium. More preferably, the host cell belongs to one of the following species: C. acetobutylicum, C, beijerinckii, C. saccharoperbutylacetonicum, C. butyricum, C. pasteurianum, C. saccharobutylicum, C. Ijungdahlii, C. thermocellum, C. thermobutyricum, C. cellulolyticum ,

In anderen Ausführungsformen kann die Thiolase der vorliegenden Erfindung in einem anderen Wirtsorganismus exprimiert werden, vorzugsweise einzelligen Organismen, wie Bakterien, Archaea und einzelligen Pilzen, wie Hefen. In diesem Fall werden gegebenenfalls weitere Gene, die Enzyme des Butanol-Biosyntheseweges codieren (wie jede beliebige Kombination von Enzymen, ausgewählt aus der folgenden Liste und vorzugsweise sämtliche der folgenden Liste: Hydroxybutyryl-CoA-Dehydrogenease, Crotonase, Butyryl-CoA-Dehydrogenase, Alkoholdehydrogenase), (gegebenenfalls rekombinant) in dem Wirtsorganismus exprimiert. Somit sind für die Butanol-Produktion geeignete Mikroorganismen u. a., sind aber nicht beschränkt auf Organismen, die eine heterologe Genexpression gestatten, wie Gram-negative Bakterien (wie Escherichia coli) oder Gram-positive Bakterien (wie Bacillus subtilis) oder sogar eukaryotische Organismen (wie Saccharomyces cerevisiae). Somit wird in dieser Ausführungsform Butanol durch nicht-natürlicherweise Butanol produzierende Stämmen hergestellt, d. h. einen Stamm, der natürlicherweise kein Butanol produziert. Dies beinhaltet stärker bevorzugte Ausführungsformen, in denen das Enzym der Erfindung von einem Stamm exprimiert wird, der zur Gattung Escherichia, Bacillus, Lactobacillus, Pseudomonas, Ralstonia, Saccharomyces gehört, unter der Voraussetzung, dass die weiteren Enzyme für die Butanol-Herstellung in dem Stamm exprimiert werden, wobei der Stamm zur Butanol-Produktion gemäß der Erfindung verwendet werden kann. Vorzugsweise wird das Butanol von einem Stamm hergestellt, der zur Spezies E. coli, B. subtilis, L. brevis, L. plantarum, P. putida, P. fluorescens, P. aeruginosa, R. eutropha, S. cerevisiae gehört.In other embodiments, the thiolase of the present invention may be expressed in another host organism, preferably unicellular organisms such as bacteria, archaea and unicellular fungi such as yeasts. In this case, additional genes encoding enzymes of the butanol biosynthetic pathway are optionally added (such as any combination of enzymes selected from the following list and preferably all of the following list: hydroxybutyryl-CoA dehydrogenease, crotonase, butyryl-CoA dehydrogenase, alcohol dehydrogenase ), (optionally recombinantly) expressed in the host organism. Thus, microorganisms suitable for butanol production include, but are not limited to, organisms that permit heterologous gene expression, such as Gram-negative bacteria (such as Escherichia coli) or Gram-positive bacteria (such as Bacillus subtilis) or even eukaryotic organisms (such as Saccharomyces cerevisiae). Thus, in this embodiment, butanol is not naturally butanol producing strains, ie a strain that does not naturally produce butanol. This includes more preferred embodiments in which the enzyme of the invention is expressed from a strain belonging to the genus Escherichia, Bacillus, Lactobacillus, Pseudomonas, Ralstonia, Saccharomyces, provided that the other enzymes for butanol production in the strain wherein the strain can be used for butanol production according to the invention. Preferably, the butanol is prepared from a strain belonging to the species E. coli, B. subtilis, L. brevis, L. plantarum, P. putida, P. fluorescens, P. aeruginosa, R. eutropha, S. cerevisiae.

Die Wirtszelle der Erfindung exprimiert gegebenenfalls auch ein Gen, das Aldehyd-/Alkoholdehydrogenase codiert, wie adhE1 (adh) aus einer Clostridium-Spezies, wie Clostridium acetobutylicum. Das Gen kann homolog oder heterolog exprimiert werden. Überexpression wird bevorzugt.The host cell of the invention optionally also expresses a gene encoding aldehyde / alcohol dehydrogenase, such as adhE1 (adh) from a Clostridium species, such as Clostridium acetobutylicum. The gene can be expressed homologously or heterologously. Overexpression is preferred.

Zusätzlich zu den in vivo-Stoffwechselwegen kann verbesserte Thiolase in vitro angewendet werden. Für die in vitro-Synthese von Butanol werden zum Beispiel die Thiolase der vorliegenden Erfindung sowie weitere Enzyme des Butanol-Biosyntheseweges (wie Hydroxybutyryl-CoA-Dehydrogenease, Crotonase, Butyryl-CoA-Dehydrogenase, Alkoholdehydrogenase)) in vitro zusammen mit den Edukten der Reaktion und Puffern bereitgestellt.In addition to in vivo metabolic pathways, improved thiolase can be used in vitro. For the in vitro synthesis of butanol, for example, the thiolase of the present invention as well as other enzymes of the butanol biosynthetic pathway (such as hydroxybutyryl-CoA dehydrogenease, crotonase, butyryl-CoA dehydrogenase, alcohol dehydrogenase) in vitro together with the reactants of the reaction and buffers provided.

Weiterhin können die Enzyme der Erfindung in einem Syntheseweg verwendet werden. Ein Syntheseweg kann in silico für die Entwicklung eines Verfahrens zur Herstellung einer gewünschten Verbindung, die die Bildung einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung erfordert, gestaltet werden. In einer Ausführungsform erfolgt die Bildung der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung über Thiolase-katalysierte Acetoacetyl-CoA-Biosynthese. Dies ist besonders nützlich in Ausführungsformen, in denen die Thiolase-katalysierte Reaktion der geschwindigkeitsbestimmende Schritt des Syntheseweges ist. Somit können Thiolase-Enzyme, wie sie in dieser Erfindung beschrieben werden, dazu verwendet werden, höhere Stoffwechselströme durch den Syntheseweg aufgrund von erhöhter Thiolaseaktivität und/oder abgeschwächter Rückkopplungshemmung zu erzielen.Furthermore, the enzymes of the invention can be used in a synthetic route. A synthetic route can be designed in silico for the development of a process for the preparation of a desired compound which requires the formation of a carbon-carbon bond. In one embodiment, carbon-carbon bond formation occurs via thiolase-catalyzed acetoacetyl-CoA biosynthesis. This is particularly useful in embodiments in which the thiolase catalyzed reaction is the rate-limiting step of the synthetic route. Thus, thiolase enzymes as described in this invention can be used to achieve higher metabolic fluxes through the synthetic pathway due to increased thiolase activity and / or attenuated feedback inhibition.

BEISPIELEEXAMPLES

Beispiel 1: Bakterienstämme und allgemeine KulturbedingungenExample 1: Bacterial strains and general culture conditions

E. coli wurde in LB-Medium gezüchtet, das pro Liter 5 g Hefeextrakt, 10 g Trypton und 10 g NaCl enthielt, Antibiotika zur Aufrechterhaltung des Plasmids wurden nach Bedarf hinzugefügt (Sambrook und Russell 2001). C. acetobutylicum wurde anaerob bei 37° ohne Schütteln in Hungate-Röhrchen oder Serumflaschen gezüchtet. Resazurin (7-Hydroxy-10-oxidophenoxazin-10-ium-3-on) wurde als Redox-Indikator für die Anaerobiose in einer Konzentration von 1 mg/l hinzugefügt und restlicher Sauerstoff wurde durch die Zugabe von 50–100 μl Titan(III)nitrilotriessigsäure(NTA)-Lösung (1,3 M NaOH, 0,16 M NTA, 0,27 M Na2CO3 und 1,3% TiCl3) entfernt. Verstärkter Clostridien-Agar wurde als festes Medium verwendet, 40 μg/ml Erythromycin wurde für plasmidhaltige Stämme von C. acetobutylicum zugegeben. Verfahren, die strikt anaerobe Bedingungen erfordern, wurden in einer anaeroben Kammer mit 90% N2 und 10% H2 durchgeführt. Alle in diesem Beispiel verwendeten Stämme sind in Tabelle I aufgeführt.E. coli was grown in LB medium containing per liter 5 g yeast extract, 10 g tryptone and 10 g NaCl, antibiotics to maintain the plasmid were added as needed (Sambrook and Russell 2001). C. acetobutylicum was anaerobically grown at 37 ° without shaking in Hungate tubes or serum bottles. Resazurin (7-hydroxy-10-oxidophenoxazin-10-ium-3-one) was added as a redox indicator for anaerobiosis at a concentration of 1 mg / l and residual oxygen was removed by adding 50-100 μl titanium (III ) nitrilotriacetic acid (NTA) solution (1.3 M NaOH, 0.16 M NTA, 0.27 M Na 2 CO 3 and 1.3% TiCl 3 ). Fortified clostridial agar was used as the solid medium, 40 μg / ml of erythromycin was added to plasmid-containing strains of C. acetobutylicum. Procedures requiring strictly anaerobic conditions were performed in an anaerobic chamber with 90% N 2 and 10% H 2 . All strains used in this example are listed in Table I.

Tabelle I. In dieser Studie verwendete Bakterienstämme, Plasmide und Oligonukleotide.

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Table I. Bacterial strains, plasmids and oligonucleotides used in this study.
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Beispiel 2: Thiolase-Gen-Klonierung und -ExpressionExample 2: Thiolase gene cloning and expression

Allgemeine DNA-Rekombinationstechniken wurden gemäß Standardprotokollen (Sambrook und Russell 2001) durchgeführt. Alle Klonierungsverfahren wurden durch DNA-Sequenzierung validiert (LGC Genomics GmbH, Berlin, Deutschland). Das thlA-Gen (CAC2873) wurde mittels PCR aus chromosomaler DNA von C. acetobutylicum ATCC 824 (Fischer et al. 2006) unter Verwendung der Primer ThlA_EcoRI_fw und ThlA_Kpnl_rv amplifiziert und über EcoRI- und KpnI-Restriktionsstellen in den Vektor pASK-IBA3 ligiert, was das Plasmid pASK-IBA3::thlAWT ergab, das in E. coli BL21 (DE3) transformiert wurde. Für die Proteinexpression wurden E. coli BL21 (DE3) pASK-IBA3::thlAWT- und E. coli BL21 (DE3) pASK-IBA3::thlAMUT-Stämme in LB-Medium mit 100 μg/ml Ampicillin bei 37°C bis auf eine OD600 von 0,6–0,8 gezüchtet. Nach Zugabe von 20 μg/ml Anhydrotetracyclin (AHT) wurden die Kulturen vor der Rohextraktherstellung für Enzymaktivitätsassays über Nacht bei 20°C und 180 U/min inkubiert.General recombinant DNA techniques were performed according to standard protocols (Sambrook and Russell 2001). All cloning methods were validated by DNA sequencing (LGC Genomics GmbH, Berlin, Germany). The thlA gene (CAC2873) was amplified by PCR from chromosomal DNA of C. acetobutylicum ATCC 824 (Fischer et al., 2006) using the primers ThlA_EcoRI_fw and ThlA_ Kpnl_rv amplified and ligated via EcoRI and KpnI restriction sites in the vector pASK-IBA3, which gave the plasmid pASK-IBA3 :: thlA WT , which was transformed into E. coli BL21 (DE3). For protein expression, E. coli BL21 (DE3) pASK-IBA3 :: thlA WT and E. coli BL21 (DE3) pASK-IBA3 :: thlA MUT strains were mixed in LB medium with 100 μg / ml ampicillin at 37 ° C grown to an OD 600 of 0.6-0.8. After addition of 20 μg / ml anhydrotetracycline (AHT), cultures were incubated overnight at 20 ° C and 180 rpm before crude extract preparation for enzyme activity assays.

Das beim Bank-Screening identifizierte optimierte thlA-Mutanten-Gen, SEQ ID NO: 2; thlAOPT, wurde über EcoRI/IKpnI-Restriktion von pASK-IBA3::thlAOPT Agarosegelreinigung, T4-DNA-Polymerase-Behandlung und Ligation in den Vektor pT subkloniert, was das Plasmid pT::thlAOPT ergab. Nach in vivo-Methylierung in E. coli (Heap et al 2007; Mermelstein und Papoutsakis 1993) wurde pT::thlAOPT in C. acetobutylicum ATCC 824 elektroporiert, wie zuvor beschrieben (Riebe et al. 2009). Alle in diesem Beispiel verwendeten Plasmide und Oligonukleotide sind in Tabelle I aufgelistet.The optimized thlA mutant gene identified in bank screening, SEQ ID NO: 2; thlA OPT , was subcloned into the vector pT via EcoRI / IKpnI restriction of pASK-IBA3 :: thlA OPT agarose gel purification, T4 DNA polymerase treatment and ligation, yielding the plasmid pT :: thlA OPT . After in vivo methylation in E. coli (Heap et al 2007; Mermelstein and Papoutsakis 1993), pT :: thlA OPT was electroporated into C. acetobutylicum ATCC 824 as previously described (Riebe et al., 2009). All plasmids and oligonucleotides used in this example are listed in Table I.

Beispiel 3: EnzymaktivitätsmessungenExample 3: Enzyme activity measurements

Zellrohextrakte von E. coli wurden durch Zugabe von 5 ml BugBuster 10× Proteinextraktionsreagenz (Merck Bioscience, Darmstadt, Deutschland), das zuvor mit 0,1 M Tris/HCl-Puffer, pH 6,0, 1:10 verdünnt worden war, pro Gramm Zellfeuchtgewicht hergestellt und die Suspension wurde bei Raumtemperatur für 20 min inkubiert. Um die Zelltrümmer zu entfernen, wurde die Suspension bei 4°C und 13.000 U/min für 30 min zentrifugiert. Der Überstand wurde für die Messungen der Enzymaktivität verwendet und der Proteingehalt wurde nach Bradford (Bradford 1976) bestimmt.Cell crude extracts of E. coli were prepared by adding 5 ml of BugBuster 10X protein extraction reagent (Merck Bioscience, Darmstadt, Germany), previously diluted 1:10 with 0.1 M Tris / HCl buffer, pH 6.0, per Grams of wet cell weight and the suspension was incubated at room temperature for 20 minutes. To remove the cell debris, the suspension was centrifuged at 4 ° C and 13,000 rpm for 30 min. The supernatant was used for measurements of enzyme activity and the protein content was determined according to Bradford (Bradford 1976).

Für den NADPH-gekoppelten Thiolase-Assay wurde Acetoacetyl-CoA-Reduktase(PhaB)-Aktivität durch Rohextrakte von E. coli BL21 (DE3) pET30::phaB1 bereitgestellt. Dazu wurde das phaB-Gen aus chromosomaler DNA von R. eutropha H16 unter Verwendung der Primer phaB_fw und phaB_rv amplifiziert und in pET-30 Xa/LIC gemäß der Beschreibung des Herstellers (Merck Bioscience, Darmstadt, Deutschland, Kat.-Nr. 69073-3) kloniert. E. coli BL21 (DE3) pET30::phaBI wurde in LB, das 100 μg/ml Ampicillin und 25 μg/ml Chloramphenicol enthält, bei 37°C bis zu einer OD600 von 0,6–0,8 gezüchtet, 24 mg/ml Isopropyl-β-D-thiogalactopyranosid (IPTG) wurden zugegeben und die Kultur wurde bei 30°C für 4 Std. weiter inkubiert. Die Zellen wurden durch Zentrifugation bei 4°C und 5000 × g für 10 min geerntet und die Zellsedimente wurden bei –20°C aufbewahrt, wenn notwendig. Zellrohextrakte wurden hergestellt, wie vorstehend beschrieben. Die PhaB-Aktivität wurde spektralphotometrisch gemessen: 10–50 μl Rohextrakt wurden zu 0,9 ml Kaliumphosphatpuffer (0,05 M, pH 6,0), der 32 nM Acetoacetyl-CoA und 100 nM NADPH enthielt, zugegeben und die Absorption wurde bei 340 nm aufgezeichnet (Haywood et al. 1988).For the NADPH-coupled thiolase assay, acetoacetyl-CoA reductase (PhaB) activity was provided by crude extracts of E. coli BL21 (DE3) pET30 :: phaB1. For this, the phaB gene from chromosomal DNA of R. eutropha H16 was amplified using the primers phaB_fw and phaB_rv and amplified in pET-30 Xa / LIC according to the manufacturer's description (Merck Bioscience, Darmstadt, Germany, cat. 3) cloned. E. coli BL21 (DE3) pET30 :: phaBI was cultured in LB containing 100 μg / ml ampicillin and 25 μg / ml chloramphenicol at 37 ° C to an OD 600 of 0.6-0.8, 24 mg / ml of isopropyl-β-D-thiogalactopyranoside (IPTG) were added and the culture was further incubated at 30 ° C for 4 hrs. The cells were harvested by centrifugation at 4 ° C and 5000 x g for 10 min, and the cell pellets were stored at -20 ° C, if necessary. Cell crude extracts were prepared as described above. The PhaB activity was measured spectrophotometrically: 10-50 μl of crude extract was added to 0.9 ml of potassium phosphate buffer (0.05 M, pH 6.0) containing 32 nM acetoacetyl-CoA and 100 nM NADPH, and absorption was monitored 340 nm recorded (Haywood et al., 1988).

Die Kondensationsreaktion von Thiolaseaktivitäten wurde in Extrakten von E. coli BL21 (DE3) pASK-IBA3::thlA in 50 mM Kaliumphosphatpuffer, pH 6,0, der 1 mM Dithiothreitol (DTT), 0,2 mM NADPH und 2 U PhaB (in Rohextrakten von E. coli BL21 (DE3) pET30::phaB1) enthielt, bestimmt. Die Reaktion wurde durch Zugabe von 1 mM Acetyl-CoA gestartet und bei 340 nm an einem Ultrospec 3000-Photometer (Amersham Buchler GmbH & Co. KG, Braunschweig, Deutschland) überwacht. Die umgekehrte thiolytische Spaltungsreaktion wurde spektralphotometrisch anhand der Acetoacetyl-CoA-Abnahme bei 303 nm gemessen, wie beschrieben (Hartmanis und Gatenbeck (1984). Zellextraktpräparation aus C. acetobutylicum-Stämmen und Thiolaseaktivitätsmessungen wurden durchgeführt, wie zuvor im Detail beschrieben (Hartmanis und Gatenbeck 1984; Lehmann und Lütke-Eversloh 2011). Enzymaktivitätsmessungen in E. coli-Zellextrakten sind in Tabelle II gezeigt. Tabelle II. Enzymaktivitäten in Zellextrakten von E. coli-Wirten. Acetoacetyl-CoA-Reduktase (PhaB) Thiolase (ThlA) Stamm NADH NADPH Thiolytische Spaltung Kondensation E coli BL21 (DE3) pASK-IBA3 (Kontrolle) 0,03 ± 0,02 0,02 ± 0,01 0,08 ± 0,04 0,2 ± 0,09 E. coli BL21 (DE3) pASK-IBA3::thlAWT 0,05 ± 0,03 0,73 ± 0,09 65,94 ± 4,61 68,96 ± 1,54 E. coli Tuner (DE3) pET30::phaB1 0,15 ± 0,02 34,27 ± 1,43 0,02 ± 0,003 0,3 ± 0,11 The condensation reaction of thiolase activities has been reported in extracts of E. coli BL21 (DE3) pASK-IBA3 :: thlA in 50 mM potassium phosphate buffer, pH 6.0, containing 1 mM dithiothreitol (DTT), 0.2 mM NADPH and 2 U PhaB (in crude extracts of E. coli BL21 (DE3 ) pET30 :: phaB1). The reaction was started by addition of 1 mM acetyl-CoA and monitored at 340 nm on an Ultrospec 3000 photometer (Amersham Buchler GmbH & Co. KG, Braunschweig, Germany). The reverse thiolytic cleavage reaction was measured spectrophotometrically by acetoacetyl-CoA decrease at 303 nm as described (Hartmanis and Gatenbeck (1984). Cell extract preparation from C. acetobutylicum strains and thiolase activity measurements were performed as previously described in detail (Hartmanis and Gatenbeck 1984 Lehmann and Lütke-Eversloh 2011). Enzyme activity measurements in E. coli cell extracts are shown in Table II. Enzyme activities in cell extracts of E. coli hosts. Acetoacetyl-CoA reductase (PhaB) Thiolase (ThlA) tribe NADH NADPH Thiolytic cleavage condensation E coli BL21 (DE3) pASK-IBA3 (control) 0.03 ± 0.02 0.02 ± 0.01 0.08 ± 0.04 0.2 ± 0.09 E. coli BL21 (DE3) pASK-IBA3 :: thlA WT 0.05 ± 0.03 0.73 ± 0.09 65.94 ± 4.61 68.96 ± 1.54 E. coli tuner (DE3) pET30 :: phaB1 0.15 ± 0.02 34.27 ± 1.43 0.02 ± 0.003 0.3 ± 0.11

Beispiel 4: Thiolase-Bank-KonstruktionExample 4: Thiolase Bank Construction

Zur Konstruktion der thlA-Mutantenbank (als pASK-IBA3::thlAMUT bezeichnet) wurden synthetische Oligonukleotide, die das degenerierte Rückgrat der Bank bildeten, ohne irgendeine beteiligte Amplifizierungsreaktion (nicht-amplifizierte Bank) assembliert und die Diversität der Bank war direkt mit der Menge an produzierten DNA-Molekülen korreliert, d. h. 67 fmol/μl entsprachen 4 × 1010 Molekülen (Geneart AG, Regensburg, Deutschland). Zur Herstellung der amplifizierten Bank wurden 4 μl (268 fmol oder 1,6 × 1011 Moleküle) der nicht-amplifizierten Bank mit den Primern T7_fw und M13_rv amplifiziert, Volllängenfragmente wurden gelgereinigt und in 100 μl Tris/EDTA-Puffer resuspendiert. Die Konzentration der amplifizierten Bank wurde durch UV-Spektroskopie zu 400 ng/μl bestimmt. Die amplifizierte Bank wurde mit EcoRI und KpnI gepalten und in den EcoRI/Kpnl-gespaltenen Vektor pASK-IBA3 ligiert. Ligationsreaktionen wurden in E. coli BL21 (DE3) transformiert und die Transformationsrate wurde durch Ausplattieren von Verdünnungsreihen ermittelt. Die Anzahl der Transformanten betrug 5,7 × 104 koloniebildende Einheiten (CFU). Gesamtzellen von den Transformationsplatten wurden für die Plasmidpräparation geerntet. Die Konzentration der klonierten Bank wurde durch UV-Spektroskopie zu 0,46 μg/μl bestimmt. Die Plasmidpräparationen wurden mit den Primern pASK_fw, pASK_rv und 1107435.S1_rv sequenziert (Geneart AG, Regensburg, Deutschland). Gesamtzellen von den Transformationsplatten wurden geerntet, in 50 Vol-% Glycerin resuspendiert und Aliquote der Zellsuspension, die 3,9 × 1010 Zellen/ml umfassten, wurden bei –70°C aufbewahrt. Alle in diesem Beispiel verwendeten Stämme, Plasmide und Oligonukleotide sind in Tabelle I aufgeführt.To construct the thlA mutant library (termed pASK-IBA3 :: thlA MUT ), synthetic oligonucleotides that formed the degenerate backbone of the library were assembled without any involved amplification reaction (non-amplified library) and the diversity of the library was directly related to the amount correlated to produced DNA molecules, ie 67 fmol / ul corresponded to 4 × 1010 molecules (Geneart AG, Regensburg, Germany). To prepare the amplified library, 4 μl (268 fmol or 1.6 x 10 11 molecules) of the unamplified library were amplified with primers T7_fw and M13_rv, full length fragments were gel purified and resuspended in 100 μl Tris / EDTA buffer. The concentration of the amplified library was determined by UV spectroscopy to be 400 ng / μl. The amplified library was cleaved with EcoRI and KpnI and ligated into the EcoRI / KpnI digested vector pASK-IBA3. Ligation reactions were transformed into E. coli BL21 (DE3) and the transformation rate was determined by plating out serial dilutions. The number of transformants was 5.7 × 10 4 colony forming units (CFU). Total cells from the transformation plates were harvested for plasmid preparation. The concentration of the cloned library was determined to be 0.46 μg / μl by UV spectroscopy. The plasmid preparations were sequenced with the primers pASK_fw, pASK_rv and 1107435.S1_rv (Geneart AG, Regensburg, Germany). Total cells from the transformation plates were harvested, resuspended in 50% by volume glycerol and aliquots of the cell suspension, which included 3.9 x 10 10 cells / ml, were stored at -70 ° C. All strains, plasmids and oligonucleotides used in this example are listed in Table I.

Beispiel 5: Screening-VerfahrenExample 5: Screening method

Die E. coli pASK-IBA3::thlAWT-Bank wurde auf LB-Agarplatten plus 100 μg/ml Ampicillin (LB + Ap) ausplattiert und über Nacht bei 37°C inkubiert. Kolonien wurden mit sterilen Zahnstochern in Mikrotiterplatten mit 96 Vertiefungen, die 200 μl LB + Ap enthielten, überführt und über Nacht bei 37°C gezüchtet. Jede Mikrotiterplatte umfasste jeweils zwei Proben von E. coli pASK-IBA3::thlAWT und E. coli pASK-IBA3 (leerer Vektor) als Kontrollen. 10 μl-Aliquote der Kulturen wurden zum Beimpfen von frischem LB + Ap verwendet und die angewachsenen Mikrotiterplatten wurden nach Zugabe von 10 Vol-% Glycerin bei –70°C aufbewahrt. Die beimpften Mikrotiterplatten wurden bei 37°C inkubiert, bis die Kulturen eine OD600 von 0,5–0,7 zeigten. Für die Induktion der Genexpression wurden 20 μg/ml AHT zugegeben und die Kulturen wurden über Nacht bei 20°C inkubiert. Anschließend wurden Zellrohextrakte unter Verwendung von BugBuster 10× Proteinextraktionsreagenz (Merck Bioscience, Darmstadt, Deutschland) hergestellt, wie vorstehend beschrieben, um die Thiolaseaktivitäten der E. coli pASK-IBA3::thlAMUT-Bank zu bestimmen. Dazu wurden 150 μl Kaliumphosphatpuffer (50 mM, pH 6,0), der 1 mM DTT und 0,2 mM NADPH enthielt, in die Vertiefungen frischer Mikrotiterplatten pipettiert. Bei der Analyse der CoA-SH-Sensitivität enthielt der Puffer 10 μM freies Coenzym A (Sigma-Aldrich Chemie, Deisenhofen, Deutschland). Nach Zugabe von 20 μl PhaB-Extrakt (2 U) und 10 μl Zellrohextrakten wurde die Reaktion durch Zugabe von 20 μl Acetyl-CDA-Lösung (20 mM) gestartet. Die Absorption bei 340 nm wurde für 3 min in 3 s-Intervallen an einem SpectraMax M2e Multi-Mode-Mikrotiterplattenablesegerät aufgezeichnet und die Steigungswerte wurden automatisch berechnet.The E. coli pASK-IBA3 :: thlA WT library was plated on LB agar plates plus 100 μg / ml ampicillin (LB + Ap) and incubated overnight at 37 ° C. Colonies were transferred with sterile toothpicks into 96-well microtiter plates containing 200 μl LB + Ap and grown overnight at 37 ° C. Each microtiter plate each comprised two samples of E. coli pASK-IBA3 :: thlA WT and E. coli pASK-IBA3 (empty vector) as controls. 10 μl aliquots of the cultures were used to inoculate fresh LB + Ap and the grown microtiter plates were stored at -70 ° C after addition of 10% by volume glycerol. The inoculated microtiter plates were incubated at 37 ° C until the cultures showed an OD 600 of 0.5-0.7. For the induction of gene expression, 20 μg / ml AHT was added and the cultures were incubated overnight at 20 ° C. Subsequently, crude cell extracts were prepared using BugBuster 10X Protein Extraction Reagent (Merck Bioscience, Darmstadt, Germany) as described above to determine the thiolase activities of the E. coli pASK-IBA3 :: thlA MUT library. For this, 150 μl of potassium phosphate buffer (50 mM, pH 6.0) containing 1 mM DTT and 0.2 mM NADPH were pipetted into the wells of fresh microtiter plates. In the analysis of CoA-SH sensitivity, the buffer contained 10 μM free coenzyme A (Sigma-Aldrich Chemie, Deisenhofen, Germany). After addition of 20 .mu.l of PhaB extract (2 U) and 10 .mu.l of cell crude extracts, the reaction was started by adding 20 .mu.l of acetyl-CDA solution (20 mM). Absorbance at 340 nm was recorded for 3 min at 3 sec intervals on a SpectraMax M2e multi-mode microtiter plate reader and the slope values were calculated automatically.

Um die Ergebnisse des Mikrotiterplatten-Screenings zu validieren, wurden die 14 positiven Klone in einem größeren Maßstab gezüchtet und die Thiolaseaktivitäten wurden spektralphotometrisch im Küvettenformat bestimmt (Tabelle III). Keine der ThlAMUT-Varianten zeigte eine erhöhte Gesamt-Thiolaseaktivität, aber Unterschiede zu ThlAWT wurden in Gegenwart von 10–50 μM CoA-SH nachgewiesen. Während 8 Klone bei verschiedenen CoA-SH-Konzentrationen ähnliche Aktivitäten wie die Wildtyp-ThlA zeigten, wiesen die Klone 9G4, 13D7, 19C10, 21B8, 25C8 und 28C9 signifikant erhöhte Thiolaseaktivitäten auf, wenn CoA-SH zu dem Assay zugegeben wurde (Tabelle III). Anschließende DNA-Sequenzierung der jeweiligen Plasmide zeigte, dass alle 6 positiven Klone genau den gleichen Genotyps hatten, was darauf hindeutet, dass in der Tat nur eine neue ThlAMUT-Variante isoliert worden war. Im Grunde bestätigten die 6 unabhängig identifizierten Treffer die Zuverlässigkeit des Screening-Verfahrens zum Auffinden verbesserter Thiolase-Mutanten. So wurde der Klon 9G4 als Vertreter für anschließende Experimente ausgewählt und wurde als E. coli BL21 (DE3) pASK-IBA3::thlAOPT bezeichnet. Tabelle III. Thiolaseaktivitäten von mutmaßlich positiven Klonen, die beim Screening der E. coli BL21 (DE3) pASK-IBA3::thlAMUT-Bank identifiziert wurden. ThlA-Variante Thiolaseaktivität in Gegenwart von freiem CoA-SH 0 μM 10 μM 20 μM 30 μM 40 μM 50 μM Wildtyp 68,96 ± 1,54 25,80 ± 0,84 8,44 ± 0,67 1,30 ± 0,03 0,28 ± 0,03 0,11 ± 0,03 7D5 69,80 ± 3,41 26,23 ± 1,58 8,54 ± 0,13 1,33 ± 0,08 0,29 ± 0,04 0,13 ± 0,01 9G4 69,19 ± 0,55 34,60 ± 1,67 17,23 ± 1,06 9,83 ± 0,25 2,06 ± 0,10 1,18 ± 0,08 11B9 69,39 ± 2,01 24,81 ± 0,58 8,38 ± 0,06 1,22 ± 0,04 0,30 ± 0,05 0,10 ± 0,03 12B8 69,50 ± 1,37 25,23 ± 0,23 8,52 ± 0,09 1,30 ± 0,12 0,27 ± 0,03 0,11 ± 0,03 13D7 68,94 ± 0,89 36,45 ± 0,68 17,28 ± 0,57 11,87 ± 0,08 1,98 ± 0,17 1,17 ± 0,07 17C5 70,11 ± 1,27 24,58 ± 0,77 8,30 ± 0,41 1,06 ± 0,04 0,32 ± 0,02 0,13 ± 0,02 19C10 69,76 ± 0,90 37,89 ± 0,53 18,57 ± 0,58 10,52 ± 0,28 1,86 ± 0,76 1,43 ± 0,09 21B8 68,72 ± 0,12 34,13 ± 1,06 16,79 ± 0,43 11,32 ± 0,20 2,37 ± 0,09 1,38 ± 0,15 22B7 69,85 ± 1,19 24,85 ± 0,98 8,47 ± 0,09 3,76 ± 4,83 0,32 ± 0,05 0,13 ± 0,02 25C8 70,33 ± 0,53 35,92 ± 0,47 17,33 ± 0,53 9,95 ± 0,77 2,12 ± 0,18 1,34 ± 0,19 28B9 68,61 ± 0,54 24,80 ± 0,53 8,90 ± 0,73 1,02 ± 0,08 0,37 ± 0,02 0,15 ± 0,01 28C4 69,88 ± 1,00 24,61 ± 0,81 8,42 ± 0,30 1,12 ± 0,03 0,31 ± 0,05 0,14 ± 0,00 28C9 69,51 ± 1,00 37,89 ± 0,53 20,73 ± 4,51 9,83 ± 0,33 2,00 ± 0,17 0,01 ± 1,23 30F3 71,03 ± 0,79 24,56 ± 0,65 8,41 ± 0,01 1,32 ± 0,20 0,29 ± 0,04 0,12 ± 0,01 To validate the results of the microtiter plate screening, the 14 positive clones were grown on a larger scale and the thiolase activities were determined spectrophotometrically in the cuvette format (Table III). None of the ThlA MUT variants showed increased total thiolase activity, but differences to ThlA WT were detected in the presence of 10-50 μM CoA-SH. While 8 clones showed activities similar to wild-type ThlA at different CoA-SH concentrations, clones 9G4, 13D7, 19C10, 21B8, 25C8 and 28C9 had significantly increased thiolase activities when CoA-SH was added to the assay (Table III ). Subsequent DNA sequencing of the respective plasmids revealed that all 6 positive clones had exactly the same genotype, suggesting that in fact only one new ThlA MUT variant had been isolated. In essence, the 6 independently identified hits confirmed the reliability of the screening method for finding improved thiolase mutants. Thus, clone 9G4 was chosen as a proxy for subsequent experiments and was designated as E. coli BL21 (DE3) pASK-IBA3 :: thlA OPT . Table III. Thiolase activities of putative positive clones identified in the screening of the E. coli BL21 (DE3) pASK-IBA3 :: thlA MUT library. ThIA variant Thiolase activity in the presence of free CoA-SH 0 μM 10 μM 20 μM 30 μM 40 μM 50 μM wildtype 68.96 ± 1.54 25.80 ± 0.84 8.44 ± 0.67 1.30 ± 0.03 0.28 ± 0.03 0.11 ± 0.03 7D5 69.80 ± 3.41 26.23 ± 1.58 8.54 ± 0.13 1.33 ± 0.08 0.29 ± 0.04 0.13 ± 0.01 9G4 69.19 ± 0.55 34.60 ± 1.67 17.23 ± 1.06 9.83 ± 0.25 2.06 ± 0.10 1.18 ± 0.08 11b9 69.39 ± 2.01 24.81 ± 0.58 8.38 ± 0.06 1.22 ± 0.04 0.30 ± 0.05 0.10 ± 0.03 12B8 69.50 ± 1.37 25.23 ± 0.23 8.52 ± 0.09 1.30 ± 0.12 0.27 ± 0.03 0.11 ± 0.03 13D7 68.94 ± 0.89 36.45 ± 0.68 17.28 ± 0.57 11.87 ± 0.08 1.98 ± 0.17 1.17 ± 0.07 17C5 70.11 ± 1.27 24.58 ± 0.77 8.30 ± 0.41 1.06 ± 0.04 0.32 ± 0.02 0.13 ± 0.02 19C10 69.76 ± 0.90 37.89 ± 0.53 18.57 ± 0.58 10.52 ± 0.28 1.86 ± 0.76 1.43 ± 0.09 21B8 68.72 ± 0.12 34.13 ± 1.06 16.79 ± 0.43 11.32 ± 0.20 2.37 ± 0.09 1.38 ± 0.15 22B7 69.85 ± 1.19 24.85 ± 0.98 8.47 ± 0.09 3.76 ± 4.83 0.32 ± 0.05 0.13 ± 0.02 25C8 70.33 ± 0.53 35.92 ± 0.47 17.33 ± 0.53 9.95 ± 0.77 2.12 ± 0.18 1.34 ± 0.19 28B9 68.61 ± 0.54 24.80 ± 0.53 8.90 ± 0.73 1.02 ± 0.08 0.37 ± 0.02 0.15 ± 0.01 28C4 69.88 ± 1.00 24.61 ± 0.81 8.42 ± 0.30 1.12 ± 0.03 0.31 ± 0.05 0.14 ± 0.00 28C9 69.51 ± 1.00 37.89 ± 0.53 20.73 ± 4.51 9.83 ± 0.33 2.00 ± 0.17 0.01 ± 1.23 30F3 71.03 ± 0.79 24.56 ± 0.65 8.41 ± 0.01 1.32 ± 0.20 0.29 ± 0.04 0.12 ± 0.01

Beispiel 5: Fermentationsexperimente für die LösungsmittelproduktionExample 5: Fermentation experiments for solvent production

Züchtungsexperimente von rekombinanten C. acetobutylicum wurden in 200 ml MS-MES, das 40 μg/ml Erythromycin enthielt, durchgeführt, wie zuvor im Detail beschrieben (Lehmann et al. 2012a;. Lehmann und Lütke-Eversloh 2011; Lehmann et al. 2012b). Proben wurden regelmäßig genommen, um den pH-Wert mit einem pH-Meter (Wissenschaftlich-Technische Werkstätten GmbH, Weilheim, Deutschland) und die optische Dichte bei 600 nm in einem Spektralphotometer (Zeiss Spekol 1100-Photometer, Analytik Jena AG, Jena, Deutschland) unter Verwendung von 1,5 ml-Kunststoff-Küvetten mit einem Lichtweg von 1 cm zu bestimmen. Proben von zellfreiem Überstand wurden bis zur Quantifizierung von Glucose (Bergmeyer 1983) und Fermentationsprodukten bei –20°C aufbewahrt. Acetat, Butyrat, Aceton, Ethanol und Butanol wurden gemäß Thormann et al. (Thormann et al. 2002) an einem Agilent 7890A-Gaschromatographen (Agilent Technologies, Böblingen, Deutschland), der mit einer Chromosorb 101(80/100 Mesh, 2,0 m × 3,0 mm × 1,6 mm)-Glassäule ausgestattet war, bestimmt.Cultivation experiments of recombinant C. acetobutylicum were performed in 200 ml of MS-MES containing 40 μg / ml of erythromycin, as previously described in detail (Lehmann et al 2012a, Lehmann and Lütke-Eversloh 2011, Lehmann et al., 2012b). , Samples were taken regularly to determine the pH with a pH meter (Wissenschaftlich-Technische Werkstätten GmbH, Weilheim, Germany) and the optical density at 600 nm in a spectrophotometer (Zeiss Spekol 1100-Photometer, Analytik Jena AG, Jena, Germany ) using 1.5 ml plastic cuvettes with a 1 cm light path. Samples of cell-free supernatant were stored at -20 ° C until quantification of glucose (Bergmeyer 1983) and fermentation products. Acetate, butyrate, acetone, ethanol and butanol were prepared according to Thormann et al. (Thormann et al., 2002) on an Agilent 7890A gas chromatograph (Agilent Technologies, Boeblingen, Germany) equipped with a Chromosorb 101 (80/100 mesh, 2.0 m x 3.0 mm x 1.6 mm) glass column was equipped, certainly.

Wenn das als SEQ ID NO: 2 dargestellte Protein rekombinant in C. acetobutylicum exprimiert wurde, wurden die folgenden Ergebnisse erhalten: Neben einer deutlich verzögerten Ethanol- und Aceton-Bildung war der Ethanol-Titer um 46% erhöht. Der Butanol-Titer war um 18% erhöht, wohingegen die endgültigen Aceton-Konzentrationen ähnlich wie bei dem Vektor Kontrollstamm waren.When the protein represented as SEQ ID NO: 2 was recombinantly expressed in C. acetobutylicum, the following results were obtained: In addition to significantly delayed ethanol and acetone formation, the ethanol titer was increased by 46%. The butanol titer was increased by 18%, whereas the final acetone concentrations were similar to the vector control strain.

Im Sequenzprotokoll dargestellte ProteinsequenzenProtein sequences shown in the Sequence Listing

  • SEQ ID NO: 1: Thl-Wildtyp (Clostridium acetobutylicum)SEQ ID NO: 1: Thl wild type (Clostridium acetobutylicum)
  • SEQ ID NO: 2: ThlOPTSEQ ID NO: 2: ThlOPT
  • SEQ ID NO: 12: Nukleinsäure, die das Polypeptid der SEQ ID NO: 1 codiertSEQ ID NO: 12: Nucleic acid encoding the polypeptide of SEQ ID NO: 1
  • SEQ ID NO: 13: Nukleinsäure, die das Polypeptid der SEQ ID NO: 2 codiertSEQ ID NO: 13: Nucleic acid encoding the polypeptide of SEQ ID NO: 2

Weitere im Sequenzprotokoll dargestellte Oligonukleotidsequenzen sind auch in Tabelle I aufgeführt.Other oligonucleotide sequences shown in the sequence listing are also listed in Table I.

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Sequence List.txt SEQUENZPROTOKOLL

Figure DE112013003420T5_0004
Sequence List.txt SEQUENCE LOG
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Figure DE112013003420T5_0009
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Figure DE112013003420T5_0010
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Claims (16)

Verfahren zur Herstellung einer Chemikalie unter Verwendung eines Acetoacetyl-CoA-abhängigen Stoffwechselweges, der eine Thiolaseaktivität mit höherer spezifischer Aktivität und/oder verringerter Sensitivität gegenüber dem Inhibitor Coenzym A im Vergleich zu der Aktivität und Sensitivität des Polypeptids mit der SEQ ID NO: 1 besitzt, wobei die Thiolase ein mutiertes Protein mit mindestens einer Mutation in der CoA-SH-bindenden Schleifendomäne in Bezug auf das parentale Wildtyp-Enzym ist und wobei die Bestimmung der Thiolaseaktivität durch einen 3-Hydroxybutyryl-CoA-Dehydrogenase-gekoppelten spektralphotometrischen Assay durchgeführt wird.A method of producing a chemical using an acetoacetyl-CoA dependent pathway having a thiolase activity with higher specific activity and / or reduced sensitivity to the inhibitor coenzyme A compared to the activity and sensitivity of the polypeptide of SEQ ID NO: 1, wherein the thiolase is a mutant protein having at least one mutation in the CoA-SH binding loop domain relative to the parental wild-type enzyme, and wherein the determination of thiolase activity is performed by a 3-hydroxybutyryl-CoA dehydrogenase-coupled spectrophotometric assay. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Thiolase 5% oder höhere, vorzugsweise 10% oder höhere, stärker bevorzugt 20% oder höhere, noch stärker bevorzugt 30% oder höhere Aktivität im Vergleich zu dem parentalen Wildtyp-Enzym unter physiologischen Bedingungen besitzt.The method of claim 1, wherein the thiolase has 5% or higher, preferably 10% or higher, more preferably 20% or higher, even more preferably 30% or higher activity compared to the parental wild-type enzyme under physiological conditions. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Aktivität der Thiolase durch 10 μM CoA-SH nicht gehemmt wird.Method according to one of claims 1 or 2, wherein the activity of the thiolase is not inhibited by 10 μM CoA-SH. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, wobei die Chemikalie ein C4-Alkohol ist.The method of any of claims 1-3, wherein the chemical is a C4 alcohol. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Chemikalie Butanol, vorzugsweise n-Butanol, ist.The method of claim 4, wherein the chemical is butanol, preferably n-butanol. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–5, wobei die Produktion in einer Wirtszelle erfolgt, die zur Gattung Clostridium gehört.The method of any of claims 1-5, wherein the production is in a host cell belonging to the genus Clostridium. Verfahren nach Anspruch 6, wobei eine solche Wirtszelle zu einer der folgenden Spezies gehört: C. acetobutylicum, C. beijerinckii, C. saccharoperbutylacetonicum, C. butyricum, C. pasteurianum, C. saccharobutylicum, C. Ijungdahlii, C. thermocellum, C. thermobutyricum, C. cellulolyticum.The method of claim 6, wherein such a host cell belongs to one of the following species: C. acetobutylicum, C. beijerinckii, C. saccharoperbutylacetonicum, C. butyricum, C. pasteurianum, C. saccharobutylicum, C. Ijungdahlii, C. thermocellum, C. thermobutyricum, C. cellulolyticum. Verfahren nach einem der Ansprüche 5–7, wobei Butanol durch nicht-natürliche Butanol-produzierende Stämme produziert wird.A process according to any one of claims 5-7, wherein butanol is produced by non-natural butanol producing strains. Verfahren nach einem der Ansprüche 5–8, wobei Butanol durch einen Stamm produziert wird, der zur Gattung Escherichia, Bacillus, Lactobacillus, Pseudomonas, Ralstonia, Saccharomyces gehört.A method according to any one of claims 5-8, wherein butanol is produced by a strain belonging to the genus Escherichia, Bacillus, Lactobacillus, Pseudomonas, Ralstonia, Saccharomyces. Verfahren nach einem der Ansprüche 5–9, wobei Butanol durch einen Stamm produziert wird, der zur Spezies E. coli, B. subtilis, L. brevis, L. plantarum, P. putida, P. fluorescens, P. aeruginosa, R. eutropha, S. cerevisiae gehört.A method according to any of claims 5-9, wherein butanol is produced by a strain belonging to the species E. coli, B. subtilis, L. brevis, L. plantarum, P. putida, P. fluorescens, P. aeruginosa, R. eutropha, S. cerevisiae. Polypeptid mit Thiolaseaktivität, dadurch gekennzeichnet, dass es 70% oder mehr, vorzugsweise 75% oder mehr, stärker bevorzugt 80% oder mehr, stärker bevorzugt 85% oder mehr, stärker bevorzugt 90% oder mehr, stärker bevorzugt 95% oder mehr, wie 96% oder mehr, 97% oder mehr, 98% oder mehr, 99% oder mehr Sequenzidentität mit der SEQ ID NO: 1 hat, unter der Voraussetzung, dass mindestens eine, wie eine beliebige Kombination von zwei oder alle drei der Reste 133, 156, 222 eine Mutation (ausgewählt aus Substitution, Deletion oder Insertion) in Bezug auf die SEQ ID NO: 1 aufweisen. A polypeptide having thiolase activity, characterized in that it is 70% or more, preferably 75% or more, more preferably 80% or more, more preferably 85% or more, more preferably 90% or more, more preferably 95% or more, such as 96% % or greater, 97% or greater, 98% or greater, 99% or greater sequence identity to SEQ ID NO: 1, provided that at least one, such as any combination of two or all three of residues 133, 156 , 222 have a mutation (selected from substitution, deletion or insertion) with respect to SEQ ID NO: 1. Polypeptid nach Anspruch 11, wobei die Mutation(en) ausgewählt aus • einer beliebigen, • einer beliebigen Kombination von zwei und • vorzugsweise allen drei (SEQ ID NO: 2) der folgenden Substitutionen: R133G, H156N, G222V ist/sind.The polypeptide of claim 11, wherein the mutation (s) is selected from • any, • any combination of two and Preferably all three (SEQ ID NO: 2) of the following substitutions: R133G, H156N, G222V is / are. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Thiolaseaktivität durch das Enzym nach einem der Ansprüche 11 bis 12 bereitgestellt wird.Method according to one of claims 1 to 10, characterized in that the thiolase activity is provided by the enzyme according to any one of claims 11 to 12. Nukleinsäure, die ein Polypeptid codiert, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus (a) dem Polypeptid nach einem der Ansprüche 11 oder 12 und (b) dem in einem der Ansprüche 1 bis 10 definierten Enzym mit der Thiolaseaktivität.A nucleic acid encoding a polypeptide selected from the group consisting of (a) the polypeptide of any one of claims 11 or 12 and (b) the enzyme having the thiolase activity as defined in any one of claims 1 to 10. Vektor, umfassend die Nukleinsäure nach Anspruch 14.A vector comprising the nucleic acid of claim 14. Wirtszelle, die die Nukleinsäure nach Anspruch 14 oder den Vektor nach Anspruch 15 birgt.A host cell harboring the nucleic acid of claim 14 or the vector of claim 15.
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