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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer
L-Aminosäure,
insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur
Herstellung von L-Threonin, L-Glutaminsäure, L-Homoserin, L-Methionin,
L-Arginin, L-Prolin oder L-Isoleucin unter Einsatz eines Bakteriums
der Gattung Escherichia.
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Hintergrund
der Erfindung
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L-Aminosäuren, wie
L-Threonin und L-Glutaminsäure
sind herkömmlich
durch Fermentationsverfahren grundsätzlich unter Einsatz coryneformer
Bakterien der Gattung Brevibakterium, Corynebakterium, und von Mikrobakterien
oder Mutanten davon hergestellt worden ("Amino Acid Fermentation", Gakkai Shuppan Center,
S. 195-215, 1986).
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Andererseits
sind Verfahren zur Züchtung
von L-Aminosäure
produzierenden Bakterien der Gattung Escherichia unter Einsatz genetischer
Rekombinationstechniken offenbart worden.
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Beispielsweise
wurde ein Verfahren zur Produktion von L-Lysin unter Einsatz von
Escherichia coli offenbart, worin Gene, die für Dihydrodipicolinatsynthetase
und Aspartokinase von der Rückkopplungshemmung durch
L-Lysin und L-Threonin befreit sind, und worin Diaminopimelatdehydrogenase
(oder Tetrahydrodipicolinatsuccinylase und Succinyldiaminopimelatdeacylase)
verstärkt
sind (WO 95/16042).
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Obwohl
die Produktivität
für L-Aminosäuren durch
Züchtung
solcher Mikroorganismen, wie vorstehend beschrieben, oder durch
Produktionsverfahren verbessert worden ist, besteht immer noch ein
Bedarf an der Entwicklung eines effizienteren Verfahrens zur Produktion
von L-Aminosäuren,
den zukünftig
erwarteten erhöhten
Bedarf an L-Rminosäuren
zu befriedigen.
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Pyruvatcarboxylase
[Pyruvat: Kohlendioxidligase (ADP-bildend), EC 6.4.1.1] ist ein
Biotin enthaltendes Enzym. Es katalysiert die Carboxylierung von
Pyruvat unter Bildung von Oxalacetat. Pyruvatcarboxylase ist nicht
in Escherichia coli bekannt, jedoch haben Bacillus subtilis (Diesterhaft,
M. D. and Freese, E., J. Biol. Chem., 248, Nr. 17, 6062-6070 (1973))
und Corynebakterium glutamicum (Peters-Wendisch, P. G. et al., Microbiology,
144, 915-927 (1998)) Pyruvatcarboxylase, und die Nucleotidsequenzen
der für
diese Enzyme kodierenden Gene sind berichtet worden.
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Außerdem ist
Corynebakterium glutamicum bekannt, worin die Aktivität von Pyruvatcarboxylase
verstärkt
ist, oder Corynebakterium glutamicum, worin Pyruvatcarboxylasegene
inaktiviert sind (Peters-Wendisch, P. G. et al., Microbiology, 144,
915-927 (1998)).
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WO
99/18228 offenbart die verstärkte
Produktion von L-Treonin, L-Homoserin und L-Glutaminsäure durch Überexpression
des Pyruvatcarboxylase kodierenden Gens von Corynebakterium glutamicum.
WO 99/53035 offenbart, dass die Expression des Pyruvatcarboxylase
kodierenden Gens aus Rhizobium etli eine verstärkte Threoninproduktion in
Escherichia coli bewirkt.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung wurde ausgehend von dem vorstehenden Beschriebenen
gemacht, und die Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, ein
Verfahren zur Herstellung einer L-Aminosäure, insbesondere L-Threonin,
L-Glutaminsäure
oder L-Homoserin in hoher Effizienz zu produzieren.
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Als
Ergebnis eingehender Untersuchungen zur Lösung der vorstehend genannten
Aufgabe haben die Erfinder der vorliegenden Er findung gefunden,
dass die Einführung
eines Gens, das für
Pyruvatcarboxylase kodiert (im Folgenden als "pyc-Gen" bezeichnet), in ein Bakterium der Gattung
Escherichia die L-Aminosäureproduktivität des Bakteriums
verbessern kann. Auf diese Weise wurde die vorliegende Erfindung
gemacht.
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Das
heißt,
die vorliegende Erfindung betrifft ein Bakterium der Gattung Escherichia,
das mit einem Gen, das für
Pyruvatcarboxylase kodiert, transformiert ist und L-Aminosäure produziert,
worin die Pyruvatcarboxylase die Aminosäuresequenz der SEQ ID NO:4
umfasst.
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Die
vorliegende Erfindung stellt auch das vorstehend beschriebene Bakterium
bereit, worin das für
Pyruvatcarboxylase kodierende Gen von einem Bakterium der Gattung
Bacillus abgeleitet ist.
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Die
vorliegende Erfindung stellt weiterhin das vorstehend beschriebene
Bakterium bereit, worin das für
die Pyruvatcarboxylase kodierende Gen in das Bakterium in geringer
Kopienzahl eingeführt
ist.
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Die
vorliegende Erfindung stellt außerdem
das vorstehend beschriebene Bakterium bereit, worin die L-Aminosäure aus
der Gruppe ausgewählt
ist, die aus L-Threonin, L-Glutaminsäure und L-Homoserin besteht.
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Die
vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Produktion einer
L-Aminosäure
bereit, welches das Kultivieren des vorstehenden Bakteriums in einem
Medium, die Produktion und das Akkumulieren der L-Aminosäure in dem
Medium und das Gewinnen der L-Aminosäure aus dem Medium umfasst.
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Die
vorliegende Erfindung stellt außerdem
das vorstehend beschriebene Verfahren bereit, worin die L-Aminosäure aus
der Gruppe ausgewählt
ist, die aus L-Threonin, L-Glutaminsäure und L-Homoserin besteht.
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Der
Ausdruck "L-Aminosäureproduktivität" bedeutet die Fähigkeit,
dass ein Bakterium die L-Aminosäure
in einem Medium in einer größeren Menge
als der entsprechende Wildtypstamm produziert und akkumuliert.
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Erfindungsgemäß kann die
L-Aminosäureproduktivität, wie für L-Threonin, L-Glutaminsäure oder L-Homoserin,
in einem Bakterium der Gattung Escherichia verbessert werden. Außerdem kann
die vorliegende Erfindung eingesetzt werden, um einen L-Aminosäure produzierenden
Stamm der Gattung Escherichia zu züchten.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 zeigt ein Schema zur Konstruktion
des Bacillus subtilis pycA::KmR-Empfängerstammes zur Klonierung
des pycA-Gens.
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2 zeigt ein Schema zur Klonierung
des pycA-Gens aus Bacillus subtilis 168.
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3 zeigt ein Schema zur Konstruktion
des Plasmids, welches das pycA-Gen enthält.
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Genaue Beschreibung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung wird nachstehend eingehend erklärt.
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<1> Bakterium
der Gattung Escherichia, das mit dem pyc-Gen transformiert ist.
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Ein
Bakterium der Gattung Escherichia gemäß der vorliegenden Erfindung
ist ein Bakterium, das mit dem pyc-Gen transformiert ist: Als Bakterium
der Gattung Escherichia kann beispielhaft Escherichia coli genannt
werden. Während
das in der vorliegenden Erfindung eingesetzte pyc-Gen nicht besonders
eingeschränkt
ist, solange es für
ein Protein mit Pyruvatcarboxylaseaktivität kodieren kann, umfassen Beispiele
des pyc-Gens das pyc-Gen, das aus Bakterien der Gattung Bacillus
abgeleitet ist, oder das pyc-Gen aus coryneformen Bakterien. Die
Nucleo tidsequenz des aus Bacillus subtilis abgeleiteten pyc-Gens
(Genbank/EMBL/DDBJ Accession Z97025, NID g2224758) und des aus Corynebakterium
glutamicum abgeleiteten pyc-Gens (Peters-Wendisch, P. G. et al.,
Microbiology, 144, 915-927 (1998)) wurden berichtet. Deshalb kann
das pyc-Gen durch PCR (polymerase Kettenreaktion: White, T. J. et
al., Trends Genet., 5, 185 (1989)) unter Einsatz von Primern, die
gemäß den Nucleotidsequenzen
aus der chromosomalen DNA von Bakterien der Gattung Bacillus, wie
Bacillus subtilis, oder von coryneformen Bakterien, wie Corynebakterium
glutamicum, synthetisiert wurden, als Matrize erhalten werden.
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Eine
Transformante von Escherichia coli 44/pMW119-pycA, welches das Plasmid
pMW119-pycA enthält,
welches das pyc-Gen von Bacillus subtilis trägt, ist in der Russian National
Collection of Industrial Microorganisms (VKPM) Depositary, GNIIgenetika;
1, Dorozhny Proezd., 1, 113545, Moskau, Russland, am 30. August
1999 unter der Hinterlegungsnummer VKPM B-7822 hinterlegt worden
und am 1. September 2000 aus der ursprünglichen Hinterlegung in eine
internationale Hinterlegung gemäß dem Budapester
Vertrag überführt worden.
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Eine
Transformante von Escherichia coli MG442/pMW119-pycA, welche das
Plasmid pMW119-pycA trägt,
welches das pyc-Gen von Bacillus subtilis enthält, ist in der Russian National
Collection of Industrial Microorganisms (VKPM) Depositary, GNIIgenetika;
1, Dorozhny Proezd., 1, 113545, Moskau, Russland, am 30. August
1999 unter der Hinterlegungsnummer VKPM B-7821 hinterlegt worden
und am 1. September 2000 aus der ursprünglichen Hinterlegung in eine
internationale Hinterlegung gemäß dem Budapester
Vertrag überführt worden.
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Übrigens
ist das Gen, das für
die Pyruvatcarboxylase aus Bacillus subtilis kodiert (pycA-Gen),
wie nachstehend beschrie ben in einem Verfahren zur Durchführung der
vorliegenden Erfindung kloniert worden.
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Zunächst wurde
ein Stamm von Bacillus subtilis, der das pycA-Gen nicht enthielt, konstruiert. Dann wurde
unter Verwendung des Stammes als Empfänger das pycA-Gen durch Isolieren
eines DNA-Fragments, welches die Citrat- oder Aspartatauxotrophie
des Stammes komplementiert, aus einer genomischen DNA-Bibliothek
eines Wildtypstammes von Bacillus subtilis kloniert. Da Bacillus
subtilis Oxalacetat durch Pyruvatcarboxylase bildet, kann Bacillus
subtilis auf einem Minimalmedium nicht wachsen, wenn es dieses Enzym
nicht enthält.
Das Wachstum wird jedoch durch Zugabe von L-Aspartat, L-Glutamat,
Citrat oder Succinat wieder hergestellt. Die Nucleotidsequenz des
pycA-Gens und die Aminosäuresequenz,
die durch dieses Gen kodiert wird, sind in den SEQ ID NO: 3 und
4 gezeigt.
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Der
Stamm, der das pycA-Gen nicht enthält, wird beispielsweise wie
nachstehend beschrieben erhalten. Ein Teil-DNA-Fragment des ylaP-Gens,
das unmittelbar nach dem pycA-Gen auf dem Chromosom liegt, wird
durch PCR erhalten. Als Primer für
die PCR können
beispielsweise Oligonucleotide der SEQ ID NO: 1 und 2 eingesetzt
werden. Dann wird ein Wildtypstamm von Bacillus subtilis mit einer
Plasmid-DNA, die das erhaltene DNA-Fragment und ein Markergen enthält, transformiert,
und danach wird die Plasmid-DNA in das ylaP-Gen auf der chromosomalen
DNA durch homologe Rekombination integriert. Dann wird eine chromosomale
DNA-Bibliothek des erhaltenen Stammes unter Einsatz eines Restriktionsenzyms
konstruiert, welches eine Restriktionsschnittstelle innerhalb des
pycA-Gens erkennt, beispielsweise PstI. Das rekombinante Plasmid,
welches das Markergen und das Teil-pycA-Genfragment enthält, kann
durch Transformieren eines Wildtypstammes von Bacillus subtilis
mit der Bibliothek und durch Selektieren von Klonen, die das Markergen
exprimieren, erhalten werden. Dann wird ein Wildtypstamm von Bacillus
sub tilis mit dem linearisierten rekombinanten Plasmid transformiert,
und Klone, die das Markergen exprimieren, werden selektiert, wobei
ein Stamm, der das pycA-Gen nicht enthält und worin die Plasmid-DNA
in das pycA-Gen auf der chromosomalen DNA des Stammes integriert
ist, selektiert wird.
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Die
Transformation eines Bakteriums der Gattung Escherichia mit dem
pyc-Gen kann durch Einführen des
pyc-Gens in einen geeigneten Vektor, der in einem Bakterium der
Gattung Escherichia funktionsfähig
ist, zur Konstruktion eines rekombinanten Vektors und durch Einführen des
rekombinanten Vektors in ein Bakterium der Gattung Escherichia durchgeführt werden.
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Der
Vektor ist beispielsweise ein Plasmid, wie pBR322, pMW118, pMW119,
pUCl8, pUCl9 oder dergleichen, ein Phagenvektor, wie λ1059, λBF101, M13mp9
oder dergleichen, und ein Transposon, wie Mu, Tn10, Tn5 oder dergleichen.
In der vorliegenden Erfindung ist jedoch ein Plasmid mit geringer
Kopienzahl, wie pMW118 und pMW119, bevorzugt, weil eine den Vektor
tragende Transformante instabil sein kann, wenn ein Mehrkopienplasmid
eingesetzt wird, um das pycA-Gen einzuführen.
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Die
Einführung
einer DNA in ein Bakterium der Gattung Escherichia kann beispielsweise
durch ein Verfahren von D. A. Morrison (Methods in Enzymology 68,
326 (1979)) oder durch ein Verfahren durchgeführt werden, worin Empfänger-Bakterienzellen
zur Erhöhung
der Permeabilität
der DNA mit Calciumchlorid behandelt werden (Mandel, M. und Higa,
A., J. Mol. Biol., 53, 159 (1970)) und dergleichen.
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Die
Herstellung der genomischen DNA, die Konstruktion einer genomischen
DNA-Bibliothek, wie Hybridisierung, PCR, Präparation der Plasmid-DNA, Verdauung
und Ligation von DNA, die Transformation und dergleichen werden
nach Verfahren durchgeführt,
die dem Fachmann bekannt sind. Solche Verfahren wurden in Sambrook,
J., Fritsche, E. F., Maniatis, T. in Molecular Cloning, Cold Spring
Harbor Laboratory Press, 1.21 (1989) beschrieben.
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Die
L-Aminosäureproduktivität eines
Bakteriums der Gattung Escherichia kann durch Übertragen oder Verstärken der
Pyruvatcarboxylaseaktivität
des Bakteriums durch Transformieren des Bakteriums mit einem pyc-Gen
verbessert werden. Dies geschieht wahrscheinlich dadurch, dass Oxalessigsäure nicht
nur aus Phosphoenolbrenztraubensäure,
sondern auch aus Brenztraubensäure
gebildet wird. Das heißt,
der Transport von Glucose (oder Saccharose) in eine Bakteriumzelle,
der durch das Phosphoenolbrenztraubensäure-System vermittelt wird,
läuft durch
Verbrauchen eines Moleküls
Phosphoenolbrenztraubensäure
unter Bildung eines Moleküls
Brenztraubensäure
ab.
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Als
Bakterium der Gattung Escherichia, worin das pyc-Gen eingeführt werden
soll, wird ein Stamm mit der Fähigkeit
zur Produktion einer gewünschten
L-Aminosäure
eingesetzt. Alternativ dazu kann ein Bakterium der Gattung Escherichia,
das mit dem pyc-Gen transformiert ist, mit der L-Rminosäureproduktivität versehen werden. Übrigens
ist das pyc-Gen von Escherichia coli nicht bekannt, wenn das Gen
jedoch in Escherichia coli gefunden werden sollte, kann dieses Gen
eingesetzt werden.
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Beispiele
für L-Aminosäure produzierende
Bakterien der Gattung Escherichia werden im Folgenden beschrieben.
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(1) L-Threonin produzierende
Bakterien
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Die
L-Threonin produzierenden Bakterien der Gattung Escherichia sind
beispielsweise der Stamm MG442 (hinterlegt bei der Russian National
Collection of Industrial Microorganisms (VKPM) Depositary, GNIIgenetika;
1, Dorozhny Proezd., 1, 113545, Moskau, Russland, unter der Hinterlegungsnummer
VKPM B-1628) (USP 4,278,765; Guayatiner M. M. et al., Genetika (in
Russisch), 14, 947-956 (1978)). Der Stamm MG442 wurde als Mut ante
erhalten, die gegen das L-Threoninanalogon, nämlich 2-Amino-3-hydroxyvaleriansäure, resistent
ist, wobei dieser Stamm auch eine unvollständige Isoleucinauxotrophie
(leaky type) aufwies. Er produziert L-Threonin und L-Glutamat als
Nebenprodukt.
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Alternativ
dazu kann eine Transformante von MG442, die mit pVIC40 (USP 5,175,107)
transformiert ist, vorzugsweise als L-Threonin produzierender Stamm eingesetzt
werden.
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(2) L-Lysin produzierende
Bakterien
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Die
L-Lysin produzierenden Bakterien der Gattung Escherichia sind beispielsweise
verschiedene Bakterien, die in WO95/16042 beschrieben sind. Die
L-Lysin produzierenden Bakterien sind beispielsweise ein Bakterium,
worin die Aspartokinaseaktivität
und die Dihydrodipicolinat-Reduktaseaktivität erhöht sind, wie W3110(tyrA)RSFD80+pdapB.
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(3) L-Homoserin produzierende
Bakterien
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Die
L-Homoserin produzierenden Bakterien der Gattung Escherichia sind
beispielsweise der Stamm 44 (thrB). Dieser Stamm wurde von dem bekannten
Stamm C600 (thrB, leuB) abgeleitet (Appleyard R. K., Genetics, 39,
440-452 (1954)), nämlich
als Leu+-Revertante. Ein transformierter
Stamm 44, der mit einem Plasmid transformiert ist, das ein thrA-Gen,
welches für
die Aspartokinasehomoserindehydrogenase I kodiert, enthält, kann
vorzugsweise eingesetzt werden.
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Ein
Stamm von Escherichia coli 44 wurde bei der Russian National Collection
of Industrial Microorganisms (VKPM) Depositary, GNIIgenetika; 1,
Dorozhny Proezd., 1, 113545, Moskau, Russland, am 23. September
1980 unter der Hinterlegungsnummer VKPM B-2175 hinterlegt und am
1. September 2000 von der ursprünglichen
Hinterlegung in eine internationale Hinterlegung gemäß dem Budapester
Vertrag überführt.
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(4) L-Glutaminsäure produzierende
Bakterien
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Die
L-Glutaminsäure
produzierenden Bakterien der Gattung Escherichia sind beispielsweise
ein Stamm, der gegen L-Valin resistent ist, beispielsweise Escherichia
coli B11, K-12 (ATCC10798), B (ATCC11303) und W (ATCC9637).
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(5) L-Isoleucin produzierende
Bakterien
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Die
L-Isoleucin produzierenden Bakterien der Gattung Escherichia sind
beispielsweise ein Stamm TDH6/pVIC40, pMWD5 (Hashiguchi, K. et al.,
Biosci. Biotechnol.. Biochem., 63(4), 672-679 (1999)) oder AJ12919,
beschrieben in EP0 685 555 A1.
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<2> Verfahren
zur Herstellung einer L-Aminosäure
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Eine
L-Aminosäure
kann durch Kultivieren eines Bakteriums der Gattung Escherichia,
das wie vorstehend beschrieben mit dem pycA-Gen transformiert ist
und in einem geeigneten Medium eine L-Aminosäure produzieren kann, durch
Produzieren und Akkumulieren der L-Aminosäure in dem Medium und durch
Gewinnen der L-Aminosäure
aus dem Medium effizient hergestellt werden.
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Die
L-Aminosäure
ist beispielsweise vorzugsweise L-Threonin, L-Lysin, L-Glutaminsäure, L-Homoserin,
L-Methionin, L-Arginin, L-Prolin und L-Isoleucin. Die L-Aminosäure kann
durch das erfindungsgemäße Verfahren
entweder allein oder als ein Gemisch von mehr als zwei Arten der
L-Aminosäuren
produziert werden.
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In
der vorliegenden Erfindung kann die Kultivierung des Bakteriums
der Gattung Escherichia, das Gewinnen und das Reinigen der Aminosäure aus
dem flüssigen
Medium auf ähnliche
Weise wie herkömmlich
für die
Produktion einer Aminosäure
durch Fermentation unter Einsatz eines Bakteriums durchgeführt werden.
Ein für
die Kultivierung eingesetztes Medium kann entweder ein synthetisches
Medium oder ein natürliches
Medium sein, solange das Medium eine Kohlenstoff- und eine Stickstoff-Quelle
und Mineralien und, falls erforderlich, Nährstoffe enthält, welche
für ein
ausreichendes Wachstum des Bakteriums erforderlich sind. Die Kohlenstoffquelle
kann verschiedene Kohlenhydrate, wie Glucose und Saccharose, und
verschiedene organische Säuren
enthalten. In Abhängigkeit
von der assimilatorischen Aktivität des eingesetzten Bakteriums
kann Alkohol, wie Ethanol und Glycerin, eingesetzt werden. Als Stickstoffquelle
können
Ammoniak, verschiedene Ammoniumsalze, wie Ammoniumsulfat, andere
Stickstoffverbindungen, wie Amine, eine natürliche Stickstoffquelle, wie
Pepton, Sojabohnenhydrolysat und verdaute fermentierte Bakterien
eingesetzt werden. Als Mineralien können Monokaliumphosphat, Magnesiumsulfat,
Natriumchlorid, Eisensulfat, Mangansulfat, Calciumcarbonat eingesetzt
werden.
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Die
Kultivierung wird vorzugsweise unter aeroben Bedingungen durchgeführt, wie
in einer Schüttelkultur
und in einer Belüftungskultur
und Rührkultur.
Die Temperatur der Kultur ist üblicherweise
20 bis 40°C,
vorzugsweise 30 bis 38°C.
Der pH-Wert der Kultur ist üblicherweise
zwischen 5 und 9, vorzugsweise zwischen 6,5 und 7,2. Der pH-Wert
der Kultur kann mit Ammoniak, Calciumcarbonat, verschiedenen Säuren, verschiedenen
Basen und Puffern eingestellt werden. Üblicherweise führt eine
1bis 3-tägige
Kultivierung zur Akkumulation der Ziel-L-Aminosäure in dem Medium.
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Das
Gewinnen und Reinigen der L-Aminosäure kann durch Entfernen von
Feststoffen, wie Zellen, aus dem Medium durch Zentrifugation oder
Membranfiltration nach der Kultivierung, anschließender Ionenauschtausch,
Konzentration und durch Kristallfraktionierungsverfahren und dergleichen
durchgeführt
werden.
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Beste Ausführungsform
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung wird anhand der Beispiele eingehender beschrieben.
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Beispiel 1: Klonierung des
pycA-Gens aus Bacillus subtilis Stamm 168
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<1> Konstruktion
des Empfängerstammes
B. subtilis pycA::KmR zum Klonieren
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Der
Empfängerstamm
B. subtilis wurde durch Insertionsmutagenese des pycA-Gens konstruiert.
Das Fragment des pycA-Gens wurde in zwei Stufen kloniert (vergleiche 1 und 2).
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In
einer Datenbank wurde ein Leserahmen (ylap) aus dem Bacillus-subtilis-Genomsequenzierungsprojekt
als pycA-Gen, welches für
Pyruvatcarboxylase kodiert, identifiziert. Die Region unmittelbar
nach dem pycA-Genterminator wurde durch PCR-Rmplifizierung unter
Einsatz des folgenden Oligonucleotidpaares kloniert:
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Das
269bp große
DNA-Fragment wurde mit einem Klenow-Fragment der DNA-Polymerase-I
mit glatten Enden versehen und in die ScaI-Schnittstelle des Plasmids
pBR322 in einen E.-coli-Stamm kloniert. Das erhaltene Plasmid pBRPYCA11
wurde durch ClaI verdaut und an ein 1628bp großes DNA-Fragment, welches das
cat-Gen trägt,
das durch Verdauen von pC194 mit ClaI erhalten wurde, ligiert. Dann
wurde unter Einsatz des erhaltenen Plasmids pBRPYCA11CmR3 der Bacillus-subtilis-Stamm
168 trpC2 transformiert, und CmR-Klone wurden
selektiert. Das Plasmid pBRPYCA11CmR3 kann in einem Bakterium der
Gattung Bacillus nicht autonom replizieren, es kann jedoch in das
Chromosom neben das pycA-Gen durch die Homologie mit dem 269bp großen DNA-Fragment integrieren.
Der Stamm wurde als B. subtilis trpC2 xyz::pBRPYCACmR3 bezeichnet.
Dieser Stamm trug ein pBR322-Replicon, das für die Resistenz gegen Tetracyclin
kodierende tet-Gen, abgeleitet von pBR322, und einen CmR-Marker.
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Chromosomale
DNA von B. subtilis trpC2 xyz::pBRPYCACmR3 wurde isoliert und eingesetzt,
um den entfernten Teil des pycA-Gens zu klonieren. Die chromosomale
DNA, die mit PstI verdaut wurde, wurde mit sich selbst ligiert und
in den E.-coli-Stamm TG1 transformiert. Rekombinanten, die gegen
Tetracyclin und Chloramphenicol resistent waren, wurden selektiert.
Das Plasmid wurde aus einer der Rekombinanten gewonnen und pPYC1
bezeichnet. Das Plasmid pPYC1 enthielt eine einzelne BglII-Restriktionsschnittstelle,
die in dem pycA-Genfragment enthalten war.
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Diese
Stelle wurde verwendet, um das 1818bp große DNA-Fragment, das einen
Kanamycinresistenzmarker für
B. subtilis enthielt, einzuführen.
Das Plasmid pPYC1 wurde mit BglII verdaut und mit pUC7KmR verbunden,
das mit BamHI verdaut wurde, wobei ein Plasmid pPYC1::KmR erhalten
wurde.
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Die
Inaktivierung des pycA-Gens in einem Wildtypstamm B. subtilis 168
trpC2 wurde durch Transformation desselben Stammes mit einem linearisierten
Plasmid pPYC1::KmR durch ein einstufiges
Verfahren erhalten, und danach wurde auf einem Luriabroth-Medium,
das mit Kanamycin versetzt war, selektiert. Der KmR-Marker
wurde in ein pycA-Gen auf der chromosomalen DNA durch homologe Doppelkreuzrekombination eingeführt.
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Der
konstruierte Stamm von B. subtilis pycA::Km trpC2 wuchs nicht in
Spizizen-Minimalmedium (Anagnostopoulos, C und Spizizen, J., J.
Bacteriol., 81, 741-746 (1961)) mit Tryptophan, wenn Citrat oder
Aspartat nicht zu dem Medium gegeben wurden. (Zusammensetzung
des Spizizen-Minimalmediums)
K2HPO4 · 3H2O | 18,3
g/l |
KH2PO4 | 6,0
g/l |
(NH4)2SO4 | 2,0
g/l |
Natriumcitrat · 5H2O | 1,2
g/l |
MgSO4 . 7H2O | 0,2
g/l |
Glucose | 10,0
g/l |
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Der
Stamm B. subtilis trpC2 pycA::Km recE::TcR wurde
durch Transduktion des inaktivierten Allels des recE-Gens aus B.
subtilis recE::TcR mit dem Phagen E40 konstruiert
(2). Es war erforderlich,
die Rekombination in dem Empfängerstamm
für die
Klonierung des pycA-Gens aus B. subtilis zu inaktivieren. Der konstruierte
Stamm B. subtilis trpC2 pycA::KmR recE::TcR wurde als Empfängerstamm zum Klonieren des
pycA-Gens eingesetzt.
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<2> Klonierung
des nativen pycA-Gens aus B. subtilis durch Komplementation
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Das
pycA-Gen wurde aus dem Stamm B. subtilis 168 trpC2 kloniert. Chromosomale
DNA, hergestellt aus dem Stamm 168 trpC2, wurde mit EcoRI teilweise
verdaut und an pCB20 (EmR) ligiert (zur Verfügung gestellt von Dr. Yu Jomantas,
vergleiche "Genetic
transformation and expression " L.
O. Butler, et al. Herausgeber, Intercept Ltd., PO Box 402, Wimborne,
Dorset, BH229T2, Großbritannien,
1989, S. 269-281), welches mit EcoRI verdaut wurde. Dann wurde der
Empfängerstamm
trpC2 pycA::KmR recE::TcR mit
dem Ligationsgemisch transformiert (2).
Die Klone Asp+, EmR,
KmR wurden auf Spizizen-Minimalmedium ohne
Citrat- oder Aspartatzugabe, jedoch mit Zugabe von Tryptophan, Erythromycin
und Kanamycin selektiert. Das Plasmid pPYCR3, das in einem der selektierten
Klone enthalten war, komplementierte eine pycA-Mutation, hatte die vorhergesagte
Struktur und übertrug
den Phenotyp als Asp+, EmR nach
der zweiten Transformation.
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<3> Klonierung
eines DNA-Fragments, welches das pycA-Gen aus B. subtilis 168 trpC2
enthielt, in ein Mehrkopienplasmid pUCl8 und pUC19
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Das
Plasmid pPYCR3 wurde mit HindII und ScaI verdaut, und das HindII-ScaI-Fragment
(4414 bp), welches das pycA-Gene mit der stromaufwärtigen Sequenz
am 5'-Ende enthielt
(einschließlich
dem Promotor und der Ribosomenbindungsstelle, wurde in pUCl8, verdaut
mit SmaI, kloniert. Somit wurde das Plasmid pUCl8-pycA erhalten
(3, Oberseite). Die
Ligationsreaktion wurde wie folgt durchgeführt. 90 ng des mit SmaI verdauten
pUCl8 und 300 ng des HindII-ScaI-Fragments (4414 bp), welches das
pycA-Gen trug und durch Agarosegelelektrophorese gereinigt wurde,
wurden mit 2 Einheiten T4 DNA-Ligase (Pharmacia, Sweden) in 45 µl eines
Reaktionsgemisches, das 1x One-Phor-All-Puffer (Pharmacia, Schweden)
und 1 mM ATP enthielt, ligiert.
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E.
coli TG1 wurde mit pUCl8-pycA transformiert. Erhaltene Transformanten
wurden unter Verwendung von KpnI-, XbaI-, Bam-HI-, HindIII- und EcoRI-Endonucleasen
analysiert. Alle Klone trugen das pycA-Gen in entgegengesetzter
Richtung zum lac-Promotor des pUCl8-Plasmids. Die pycA-Gene, die
in pUC18 kloniert waren, kennen unter der Kontrolle des inhärenten Promotors
des Gens exprimiert werden.
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Dann
wurde, um das pycA-Gen unter die Kontrolle des lac-Promotors zu
bringen, das KpnI-XbaI-Fragment von pUC18-pycA in pUC19, verdaut
mit KpnI-XbaI, kloniert. Die erhaltenen Klone waren jedoch instabil, und
das rekombinante Plasmid wurde innerhalb kurzer Zeit (6-8 Stunden)
der Kultivierung eliminiert.
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<4> Klonierung
eines DNA-Fragments, welches das pycA-Gen enthält, in ein Plasmid pMW119 mit
geringer Kopienzahl
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Das
KpnI--XbaI-Fragment von pUC18-pycA wurde in das Plasmid mit geringer
Kopienzahl pMW119, verdaut mit KpnI und XbaI, ligiert (3, Unterseite). Die Ligationsreaktion
wurde in 50 µl
eines Reakiionsgemisches, das 60 ng pMW119, verdaut mit KpnI-XbaI, 120 ng KpnI-XbaI-Fragment
von pUC18-pycA, das durch Agarosegelelektrophorese gereinigt worden
war, 1x One-Phor-All- Puffer
(Pharmacia, Schweden), 1 mM ATP und 1 Einheit T4-DNA-Ligase (Pharmacia,
Schweden) enthielt, durchgeführt.
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Unter
Verwendung des Ligationsgemisches wurde E. coli TG1 transformiert.
Die erhaltenen Transformanten wurden unter Verwendung von SacI,
KpnI, XbaI, BamHI, HindIII und EcoRI analysiert. Alle Klone trugen
das pycA-Gen unter der Kontrolle des lac-Promotors von pMW119 und
ihres eigenen Promotors. Der so erhaltene Klon wurde TG1(pMW119-pycA)
bezeichnet, und auf diesem Klon wurde das Plasmid pMW119-pycA erhalten.
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Beispiel 2: Produktion
von L-Threonin und L-Glutaminsäure
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Der
E.-coli-Stamm MG442 wurde mit dem Plasmid pMW119-pycA transformiert,
und 10 Amp
r-Kolonien wurden selektiert.
Die Produktivitäten
für L-Threonin
und L-Glutaminsäure
der Klone wurden unter Verwendung des folgenden Fermentationsmediums
untersucht. (Zusammensetzung
des Fermentationsmediums)
Glucose
(getrennt sterilisiert) | 60
g/l |
(NH4)2SO4 | 15,0
g/l |
KH2PO4 | 1,5
g/l |
MgSO4 · 7H2O | 1,0
g/l |
L-Isoleucin | 100
mg/l |
Thiamin | 0,1
mg/l |
CaCO3 (getrennt sterilisiert) | 20
g/l |
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Die
Fermentation wurde in Teströhrchen
(20 x 300 mm) bei 32°C
während
72 Stunden unter Verwendung eines Rotationsschüttlers durchgeführt. Eine
Impföse
mit jeweils einem der 10 Klone wurde in das Teströhrchen,
das 2,0 ml des Fermentationsmediums enthielt, eingeimpft. Als Kontrolle
wurden 10 einzelne Kolonien des Plasmid-freien Stammes MG442 eingesetzt.
Nach der Fermentation wurden die Konzentrationen von L-Threonin
und L-Glutaminsäure, akkumuliert
in dem Medium, durch Dünnschicht chromatografie
gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.
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Beispiel 3: Produktion von
L-Homoserin
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Der
L-Homoserin produzierende Stamm E. coli 44 wurde mit dem Plasmid
pMWl19-pycA transformiert, und 5 Ampicilin-resistente Klone wurden
selektiert. Die Produktion von L-Homoserin wurde untersucht wie
in Beispiel 1 beschrieben, das Fermentationsmedium wurde jedoch
mit 0,5 g/l L-Threonin versetzt. Als Kontrolle wurden 5 Kolonien
des Plasmid-freien Stammes 44 eingesetzt. Nach der Fermentation
waren die mittleren L-Homoserin-Konzentrationen
4,5 g/l (Stamm 44) und 5,7 g/l (Stamm 44 mit dem Plasmid pMW119-pycA).
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Es
kann auch eine Wirkung des pycA-Gens auf die Produktion von L-Lysin
erwartet werden, weil das pycA-Gen dafür bekannt ist, dass es eine
positive Wirkung auf die Produktion von L-Threo nin und L-Homoserin hat,
welche teilweise denselben Biosyntheseweg wie L-Lysin haben.
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Sequenzliste
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