EA040778B1 - ADDING ARGININE TO INCREASE THE EFFICIENCY OF GAS FERMENTING ACETOGENES - Google Patents

ADDING ARGININE TO INCREASE THE EFFICIENCY OF GAS FERMENTING ACETOGENES Download PDF

Info

Publication number
EA040778B1
EA040778B1 EA201891335 EA040778B1 EA 040778 B1 EA040778 B1 EA 040778B1 EA 201891335 EA201891335 EA 201891335 EA 040778 B1 EA040778 B1 EA 040778B1
Authority
EA
Eurasian Patent Office
Prior art keywords
arginine
microorganism
pathway
clostridium
growth
Prior art date
Application number
EA201891335
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Каспар Вальгепея
Михаэль Кёпке
Джеймс Брюс Ярнтон Хэйкок Берендорфф
Эстебан Марселлин
Ларс К. Нильсен
Ренато де С.П. Лемгрубер
Original Assignee
ЛанцаТек НЗ, Инк.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ЛанцаТек НЗ, Инк. filed Critical ЛанцаТек НЗ, Инк.
Publication of EA040778B1 publication Critical patent/EA040778B1/en

Links

Description

Перекрестная ссылка на родственные заявкиCross-reference to related applications

Эта заявка заявляет приоритет по предварительным патентным заявкам США № 62/262886, поданной 3 декабря 2015 г., и № 62/282888, поданной 3 декабря 2015 г., все содержание которых включено в данный документ посредством ссылки в полном объеме.This application claims priority over U.S. Provisional Applications No. 62/262886, filed December 3, 2015, and No. 62/282888, filed December 3, 2015, the entire contents of which are incorporated herein by reference in their entirety.

Уровень техникиState of the art

Около 10% мировых потребностей в энергии и химических веществах неспецифического действия в настоящее время продуцируются из возобновляемого сырья в основном с применением выращенных сахаров. Однако все большее внимание уделяется перспективному применению непродовольственных ресурсов для достижения целей связанных с изменением климата. Ферментация газа предлагает путь к преобразованию широкого спектра недорогого промышленного сырья С1, такого как газы промышленных отходов, синтез-газ или метан, подвергнутый риформингу, в химические вещества и топливо. Полагая, что это один из первых биохимических путей, которые появились на Земле, метаболический путь Вуда-Льюнгдаля позволяет ацетогенной Clostridia вносить эти газы С1 в ацетил-КоА. Clostridium autoethanogenum, в частности, предлагает надежную и гибкую платформу для ферментации газа и применяется в промышленном масштабе. Ферментация газа с помощью С. autoethanogenum является высокоселективной, устойчивой к загрязняющим веществам, преодолевает рефрактивность процессов Фишера-Тропша и экономически оправдана даже при подаче потоков с небольшими объемами газа.About 10% of the world's energy and non-specific chemicals requirements are currently produced from renewable feedstocks, mostly using farmed sugars. However, increasing attention is being paid to the prospective use of non-food resources to achieve climate change goals. Gas fermentation offers a way to convert a wide range of inexpensive C1 industrial feedstocks such as industrial waste gases, syngas or reformed methane into chemicals and fuels. Considering this to be one of the first biochemical pathways to appear on Earth, the Wood-Ljungdahl metabolic pathway allows the acetogenic Clostridia to contribute these C1 gases to acetyl-CoA. Clostridium autoethanogenum in particular offers a robust and flexible platform for gas fermentation and is applied on an industrial scale. Gas fermentation with C. autoethanogenum is highly selective, resistant to contaminants, overcomes the refractivity of Fischer-Tropsch processes, and is economically viable even with low volume gas streams.

Известно, что, хотя ацетогены способны продуцировать много полезных короткоцепочечных химических веществ, продуцирование молекул углерода с более длинной цепью для применения в биодизельном или реактивном топливе выходит за пределы метаболической способности самих ацетогенных бактерий из-за АТФ-лимитирующего процесса. По данным Fast et al., несмотря на то что путь Вуда-Льюнгдаля является наилучшим вариантом для продуцирования ацетата и этанола, бутанольная ферментация является АТФ-лимитирующим процессом, что обуславливает неэффективность анаэробной продукции бутанола по пути Вуд-Льюнгдаля.It is known that while acetogens are capable of producing many useful short chain chemicals, the production of longer chain carbon molecules for use in biodiesel or jet fuel is beyond the metabolic capacity of the acetogenic bacteria themselves due to the ATP-limiting process. According to Fast et al., although the Wood-Ljungdahl pathway is the best option for the production of acetate and ethanol, butanol fermentation is an ATP-limiting process, which makes the anaerobic production of butanol by the Wood-Ljungdahl pathway inefficient.

С. autoethanogenum изначально продуцирует ацетат, этанол, 2,3-бутандиол (2,3-BDO) и лактат. Если энергетические препятствия будут преодолены, синтетическая биология обещает расширить спектр продуктов С. autoethanogenum. Ацетогенные бактерии широко распространены в природе и играют важную роль в глобальном углеродном цикле, но, как считается, живут на термодинамическом краю жизни.C. autoethanogenum initially produces acetate, ethanol, 2,3-butanediol (2,3-BDO), and lactate. If the energy hurdles are overcome, synthetic biology promises to expand the range of C. autoethanogenum products. Acetogenic bacteria are widely distributed in nature and play an important role in the global carbon cycle, but are thought to live at the thermodynamic edge of life.

Энергетические характеристики пути Вуд-Льюнгдаля анаэробных ацетогенов только обретают свои очертания, но в отличие от состояний аэробного роста или гликолиза сахароферментирующих организмов в пути Вуд-Льюнгдаля АТФ не продуцируется посредством субстратного фосфорилирования, и фактически для активации СО2 действительно необходима одна молекула АТФ и мембранный градиент (WO 2013/180584).The energetic characteristics of the Wood-Ljungdahl pathway of anaerobic acetogens are only beginning to take shape, but unlike the states of aerobic growth or glycolysis of sugar-fermenting organisms, ATP is not produced in the Wood-Ljungdahl pathway through substrate phosphorylation, and in fact one ATP molecule and a membrane gradient are actually needed to activate CO2 (WO 2013/180584).

Генерацию АТФ посредством субстратного фосфорилирования можно применять в качестве движущей силы для синтеза продуктов, особенно в АТФ-лимитирующих системах. В частности, известно, что ацетогенные бактерии живут на термодинамическом краю жизни (Schuchmann, Nat. Rev. Microbiol., 12:809-821, 2014). Таким образом, все ацетогенные микроорганизмы, выделенные до настоящего времени, были описаны как продуцирующие ацетат (Drake, Ацетогенные прокариоты, Прокариоты, 3-е издание, с. 354-420, New York, NY, Springer, 2006; Liew et al., Понимание пути фиксации СО2 Clostridium autethanogenum путем целевого мутагенеза, mBio, 2016, 7:е00427-16), поскольку продуцирование ацетата дает микроорганизму возможность непосредственно генерировать АТФ в результате субстратного фосфорилирования посредством Pta (фосфотрансацетилазы) (ЕС 2.3.1.8) и Ack (ацетаткиназы) (ЕС 2.7.2.1). Система Pta-Ack очень специфична для превращения ацетил-КоА в ацетат и не использует другие ацилКоА. Несмотря на то что такие механизмы, как мембранные градиенты и ферменты бифуркации электронов, связанные с ионными или протонными транслокационными системами, например комплекс Rnf (Schuchmann, Nat. Rev. Microbiol., 12:809-821, 2014), сохраняют АТФ в этих микроорганизмах, непосредственная генерация АТФ остается крайне важной для их выживания. В результате при введении гетерологичных путей, которые не позволяют генерировать АТФ, ацетат продуцируется в виде побочного продукта (Schiel-Bengelsdorf, FEBS Lett, 586:2191-2198, 2012).ATP generation via substrate phosphorylation can be used as a driving force for product synthesis, especially in ATP-limiting systems. In particular, acetogenic bacteria are known to live at the thermodynamic edge of life (Schuchmann, Nat. Rev. Microbiol., 12:809-821, 2014). Thus, all acetogenic microorganisms isolated to date have been described as producing acetate (Drake, Acetogenic Prokaryotes, Prokaryotes, 3rd edition, pp. 354-420, New York, NY, Springer, 2006; Liew et al., Understanding the CO2 fixation pathway of Clostridium autethanogenum by targeted mutagenesis, mBio, 2016, 7:e00427-16) since acetate production enables the microorganism to directly generate ATP through substrate phosphorylation via Pta (phosphotransacetylase) (EC 2.3.1.8) and Ack (acetate kinase) ) (EC 2.7.2.1). The Pta-Ack system is very specific for the conversion of acetyl-CoA to acetate and does not use other acyl-CoAs. Although mechanisms such as membrane gradients and electron bifurcation enzymes associated with ion or proton translocation systems, such as the Rnf complex (Schuchmann, Nat. Rev. Microbiol., 12:809-821, 2014), conserve ATP in these microorganisms , direct generation of ATP remains critical to their survival. As a result, when heterologous pathways are introduced that do not generate ATP, acetate is produced as a by-product (Schiel-Bengelsdorf, FEBS Lett, 586:2191-2198, 2012).

Сущность изобретенияThe essence of the invention

В данном изобретении предлагается способ повышения эффективности ферментации газообразного С1-содержащего субстрата при получении продукта, при этом указанный способ включаетThe present invention provides a process for improving the fermentation efficiency of a gaseous C1-containing substrate in the production of a product, said process comprising

a) впускание потока газообразного С1-содержащего субстрата в биореактор, содержащий культуру С1-фиксирующего микроорганизма в жидкой питательной среде; иa) introducing a stream of gaseous C1-containing substrate into a bioreactor containing a culture of C1-fixing microorganism in a liquid nutrient medium; And

b) ферментацию культуры с целью получения по меньшей мере одного продукта, при этом аргинин добавляют в культуру в качестве единственного источника азота; и при этом С1-фиксирующий микроорганизм представляет собой рекомбинантный генетически модифицированный микроорганизм, содержащий путь метаболизма аргинина, и где С1-фиксирующий микроорганизм представляет собой Clostridium.b) fermenting the culture to produce at least one product, wherein arginine is added to the culture as the sole source of nitrogen; and wherein the C1 fixing microorganism is a recombinant genetically modified microorganism containing an arginine metabolic pathway, and wherein the C1 fixing microorganism is Clostridium.

В одном из вариантов осуществления изобретения указанный путь метаболизма аргинина включает в себя путь аргининдезиминазы и/или путь аргининдекарбоксилазы, при этом путь аргининдезиминазы включает в себя один или большее количество ферментов, выбранных из группы, состоящей из аргининIn one embodiment of the invention, said arginine metabolic pathway includes the arginine deiminase pathway and/or the arginine decarboxylase pathway, wherein the arginine deiminase pathway includes one or more enzymes selected from the group consisting of arginine

- 1 040778 дезиминазы (ЕС 3.5.3.6), орнитинкарбамоилтрансферазы (ЕС 2.1.3.3) и карбаматкиназы (ЕС 2.7.2.2), а путь аргининдекарбоксилазы включает в себя один или большее количество ферментов, выбранных из группы, состоящей из аргининдекарбоксилазы (ЕС 4.1.1.19), агматиндезиминазы (ЕС 3.5.3.12), путресцинкарбамоилтрансферазы (ЕС 2.1.3.6) и карбаматкиназы (ЕС 2.7.2.2).- 1 040778 deiminase (EC 3.5.3.6), ornithinecarbamoyltransferase (EC 2.1.3.3) and carbamate kinase (EC 2.7.2.2), and the arginine decarboxylase pathway includes one or more enzymes selected from the group consisting of arginine decarboxylase (EC 4.1. 1.19), agmatine deiminase (EC 3.5.3.12), putrescinecarbamoyltransferase (EC 2.1.3.6) and carbamate kinase (EC 2.7.2.2).

В одном из вариантов осуществления изобретения указанный путь метаболизма аргинина включает в себя одно или более из сверхэкспрессированного эндогенного фермента, мутированного эндогенного фермента или экзогенного фермента.In one embodiment, said arginine metabolic pathway comprises one or more of an overexpressed endogenous enzyme, a mutated endogenous enzyme, or an exogenous enzyme.

В одном из вариантов осуществления изобретения аргинин добавляют в культуру в количестве, превышающем потребности клеток культуры вплоть до 1000 раз.In one of the embodiments of the invention, arginine is added to the culture in an amount exceeding the needs of the cells of the culture up to 1000 times.

В одном из вариантов осуществления изобретения концентрация аргинина в биореакторе составляет по меньшей мере 20 мг/л.In one of the embodiments of the invention, the concentration of arginine in the bioreactor is at least 20 mg/l.

В одном из вариантов осуществления изобретения потребность клеток культуры составляет 0,012 г аргинина на грамм клеточной биомассы.In one of the embodiments of the invention, the requirement of the culture cells is 0.012 g of arginine per gram of cell biomass.

В одном из вариантов осуществления изобретения указанный продукт выбирают из группы, состоящей из этанола, 2,3-бутандиола, 1,3-бутандиола, лактата, сукцината, метилэтилкетона (МЕК), бутирата, 2-бутанола, 1,2-пропандиола (1,2-PDO), 1-пропанола, изопропанола (IPA), ацетоина, изобутанола, изопрена, фарнезена, бисаболена, пинена, лимонена, ацетона, 3-гидроксибутирата, 2гидроксиизомасляной кислоты (2-HIBA), цитрамалата, бутадиена, полимолочной кислоты, 1-бутанола, 3гидроксипропионата (3-НР), бензоата, этиловых эфиров жирной кислоты, жирных кислот и изобутилена.In one of the embodiments of the invention, the specified product is selected from the group consisting of ethanol, 2,3-butanediol, 1,3-butanediol, lactate, succinate, methyl ethyl ketone (MEK), butyrate, 2-butanol, 1,2-propanediol (1 ,2-PDO), 1-propanol, isopropanol (IPA), acetoin, isobutanol, isoprene, farnesene, bisabolene, pinene, limonene, acetone, 3-hydroxybutyrate, 2hydroxyisobutyric acid (2-HIBA), citramalate, butadiene, polylactic acid, 1-butanol, 3-hydroxypropionate (3-HP), benzoate, fatty acid ethyl esters, fatty acids and isobutylene.

В одном из вариантов осуществления изобретения аргинин катаболизируется посредством пути метаболизма аргинина для продуцирования аммония, при этом С1-фиксирующий микроорганизм использует аммоний в качестве источника азота.In one embodiment, arginine is catabolized via the arginine metabolic pathway to produce ammonium, with the C1-fixing microorganism using the ammonium as a nitrogen source.

В одном из вариантов осуществления изобретения указанный С1-фиксирующий микроорганизм содержит разрушающую мутацию в транспортере аргинина:орнитина.In one of the embodiments of the invention, the specified C1-fixing microorganism contains a destructive mutation in the arginine:ornithine transporter.

В одном из вариантов осуществления изобретения С1-фиксирующий микроорганизм содержит одну или большее количество генетических модификаций в пути метаболизма аргинина, причем одна или большее количество генетических модификаций выбраны из группы, состоящей из (i) разрушающей мутации регуляторных элементов и (ii) замены сайтов связывания оператора или нативных промоторов на конститутивные или синтетические промоторы.In one embodiment, the C1-fixing microorganism contains one or more genetic modifications in the arginine metabolic pathway, wherein the one or more genetic modifications are selected from the group consisting of (i) disruptive mutations of regulatory elements and (ii) replacement of operator binding sites. or native promoters to constitutive or synthetic promoters.

В одном из вариантов осуществления изобретения указанная разрушающая мутация представляет собой нокаут репрессора аргинина argR.In one of the embodiments of the invention, the specified destructive mutation is a knockout of the arginine repressor argR.

В одном из вариантов осуществления изобретения указанная замена представляет собой замену промотора оперона пути аргининдезиминазы на конститутивный или синтетический промотор.In one embodiment of the invention, said replacement is a replacement of the arginine deiminase pathway operon promoter with a constitutive or synthetic promoter.

В некоторых вариантах данного изобретения аргинин добавляют в культуру в количестве, превышающем потребности клеток от 2 до 1000 раз, или от 2 до 800 раз, или от 2 до 500 раз, или от 2 до 100 раз, или от 2 до 50 раз, или от 2 до 10 раз, или от 50 до 1000 раз, или от 50 до 800 раз, или от 50 до 600 раз, или от 50 до 500 раз, или от 50 до 300 раз, или от 50 до 200 раз, или от 50 до 100 раз, или от 100 до 1000 раз, или от 100 до 800 раз, или от 100 до 600 раз, или от 100 до 500 раз, или от 100 до 300 раз, или от 100 до 200 раз.In some embodiments of this invention, arginine is added to the culture in an amount exceeding the needs of the cells from 2 to 1000 times, or from 2 to 800 times, or from 2 to 500 times, or from 2 to 100 times, or from 2 to 50 times, or 2 to 10 times, or 50 to 1000 times, or 50 to 800 times, or 50 to 600 times, or 50 to 500 times, or 50 to 300 times, or 50 to 200 times, or 50 to 100 times, or 100 to 1000 times, or 100 to 800 times, or 100 to 600 times, or 100 to 500 times, or 100 to 300 times, or 100 to 200 times.

Согласно некоторым вариантам осуществления данного изобретения аргинин добавляют в культуру таким образом, что концентрация аргинина поддерживается на уровне по меньшей мере 20 мг/л, или по меньшей мере 100 мг/л, или по меньшей мере 300 мг/л, или по меньшей мере 500 мг/л, или по меньшей мере 1 г/л, или по меньшей мере 2 г/л, или по меньшей мере 3 г/л, или по меньшей мере 4 г/л, или по меньшей мере 5 г/л, или по меньшей мере 10 г/л, или по меньшей мере 20 г/л. В некоторых вариантах осуществления данного изобретения концентрация аргинина поддерживается на уровне от 20 мг/л до 20 г/л, или от 100 мг/л до 20 г/л, или от 500 мг/л до 20 г/л, или от 500 мг/л до 10 г/л, или от 1 до 10 г/л, или от 5 до 10 г/л, или от 5 до 20 г/л. В определенном варианте осуществления данного изобретения аргинин добавляют в культуру таким образом, что потребление аргинина культурой составляет по меньшей мере 20 мг аргинина на грамм сухого веса клеток, или по меньшей мере 100 мг аргинина на грамм сухого веса клеток, или по меньшей мере 1 г аргинина на грамм сухого веса клеток, или по меньшей мере 5 г аргинина на грамм сухого веса клеток, или по меньшей мере 10 г аргинина на грамм сухого веса клеток. В некоторых вариантах осуществления данного изобретения аргинин добавляют в культуру таким образом, что потребление аргинина культурой составляет от 20 мг до 20 г на грамм сухого веса клеток, или от 100 мг до 20 г на грамм сухого веса клеток, или от 1 до 10 г на грамм сухого веса клеток.In some embodiments of the invention, arginine is added to the culture such that the arginine concentration is maintained at at least 20 mg/l, or at least 100 mg/l, or at least 300 mg/l, or at least 500 mg/l, or at least 1 g/l, or at least 2 g/l, or at least 3 g/l, or at least 4 g/l, or at least 5 g/l, or at least 10 g/l, or at least 20 g/l. In some embodiments of this invention, the concentration of arginine is maintained at a level of from 20 mg/l to 20 g/l, or from 100 mg/l to 20 g/l, or from 500 mg/l to 20 g/l, or from 500 mg /l to 10 g/l, or from 1 to 10 g/l, or from 5 to 10 g/l, or from 5 to 20 g/l. In a certain embodiment of the invention, arginine is added to the culture such that the culture's arginine consumption is at least 20 mg arginine per gram cell dry weight, or at least 100 mg arginine per gram cell dry weight, or at least 1 g arginine per gram of cell dry weight, or at least 5 g of arginine per gram of cell dry weight, or at least 10 g of arginine per gram of cell dry weight. In some embodiments of the present invention, arginine is added to the culture such that the culture's arginine consumption is 20 mg to 20 g per gram of cell dry weight, or 100 mg to 20 g per gram of cell dry weight, or 1 to 10 g per grams dry weight of cells.

Потребность клеток в аргинине для синтеза биомассы может составлять от 0,012 до 24 г на грамм биомассы. Потребность в аргинине для синтеза биомассы может составлять по меньшей мере 0,012 г на грамм биомассы, или по меньшей мере 0,024 г на грамм биомассы, до 0,048 г на грамм биомассы, или по меньшей мере 0,120 г на грамм биомассы, или по меньшей мере 0,24 г на грамм биомассы, или по меньшей мере 0,48 г на грамм биомассы, или по меньшей мере 1,2 г на грамм биомассы, или по меньшей мере 2,4 г на грамм биомассы, или по меньшей мере 4,8 г на грамм биомассы, или по меньшей мере 12 г на грамм биомассы.The need for cells in arginine for biomass synthesis can range from 0.012 to 24 g per gram of biomass. The requirement for arginine for biomass synthesis can be at least 0.012 g per gram of biomass, or at least 0.024 g per gram of biomass, up to 0.048 g per gram of biomass, or at least 0.120 g per gram of biomass, or at least 0. 24 g per gram of biomass, or at least 0.48 g per gram of biomass, or at least 1.2 g per gram of biomass, or at least 2.4 g per gram of biomass, or at least 4.8 g per gram of biomass, or at least 12 g per gram of biomass.

Как правило, аргинин добавляют в культуру С1-фиксирующего микроорганизма в качестве компоAs a rule, arginine is added to the culture of the C1-fixing microorganism as a component

- 2 040778 нента жидкой питательной среды, которая непрерывно подается в биореактор. В других вариантах осуществления данного изобретения аргинин добавляют в биореактор независимо от жидкой питательной среды (например, путем непрерывной подачи или дозирования).- 2 040778 liquid nutrient medium, which is continuously fed into the bioreactor. In other embodiments of this invention, arginine is added to the bioreactor independently of the liquid nutrient medium (for example, by continuous feeding or dosing).

Время удвоения культуры увеличивается по меньшей мере на 10%, или по меньшей мере на 20%, или по меньшей мере на 30%, или по меньшей мере на 40%, или по меньшей мере на 50%, или по меньшей мере на 60%, или по меньшей мере на 70%, когда аргинин добавляют в культуру в количестве, превышающем потребности клеток микроорганизма, по сравнению с культурой, когда аргинин не добавляют в культуру в количестве, превышающем потребности клеток культуры.Culture doubling time is increased by at least 10%, or at least 20%, or at least 30%, or at least 40%, or at least 50%, or at least 60% , or at least 70% when arginine is added to the culture in an amount exceeding the needs of the cells of the microorganism, compared to the culture when arginine is not added to the culture in an amount exceeding the needs of the cells of the culture.

С1-фиксирующий микроорганизм представляет собой ацетогенный карбоксидотрофный микроорганизм. Примеры подходящих С1-фиксирующих микроорганизмов включают в себя Clostridium. В различных вариантах осуществления данного изобретения микроорганизм выбирают из группы, состоящей из Clostridium autoethanogenum, Clostridium ljungdahlii, Clostridium carboxidivorans, Clostridium drakei, Clostridium scatologenes, Clostridium aceticum, Clostridium formicoaceticum, Clostridium magnum, Clostridium ragsdalei, Clostridium coskatii.The C1-fixing microorganism is an acetogenic carboxydotrophic microorganism. Examples of suitable C1-fixing microorganisms include Clostridium. In various embodiments of this invention, the microorganism is selected from the group consisting of Clostridium autoethanogenum, Clostridium ljungdahlii, Clostridium carboxidivorans, Clostridium drakei, Clostridium scatologenes, Clostridium aceticum, Clostridium formicoaceticum, Clostridium magnum, Clostridium ragsdalei, Clostridium coskatii.

В конкретных вариантах осуществления данного изобретения С1-фиксирующий микроорганизм представляет собой Clostridium autoethanogenum или Clostridium ljungdahlii. В одном конкретном варианте осуществления данного изобретения микроорганизм представляет собой Clostridium autoethanogenum. В конкретных вариантах осуществления данного изобретения бактерия имеет идентифицирующие характеристики номера доступа DSM10061, DSM19630 или DSM23693. Эти бактерии депонированы в Немецком ресурсном центре биологического материала (DSMZ), адрес которого DSMZ GmbH Inhoffenstraβe, 7 В, D-38124.In specific embodiments of this invention, the C1-fixing microorganism is Clostridium autoethanogenum or Clostridium ljungdahlii. In one particular embodiment of the present invention, the microorganism is Clostridium autoethanogenum. In particular embodiments of this invention, the bacterium has the identifying characteristics of the access number DSM10061, DSM19630, or DSM23693. These bacteria are deposited at the German Biological Material Resource Center (DSMZ), whose address is DSMZ GmbH Inhoffenstraβe, 7B, D-38124.

В некоторых вариантах осуществления данного изобретения С1-фиксирующий микроорганизм выбирают из группы, состоящей из Clostridium autoethanogenum, Clostridium ljungdahlii, Clostridium scatologenes, Clostridium drakei.In some embodiments of this invention, the C1-fixing microorganism is selected from the group consisting of Clostridium autoethanogenum, Clostridium ljungdahlii, Clostridium scatologenes, Clostridium drakei.

Концентрацию аргинина, добавляемого в культуру, можно повышать с целью увеличения продуцирования по меньшей мере одного АТФ-емкого продукта. Как правило, скорость продуцирования по меньшей мере одного АТФ-емкого продукта превышает по меньшей мере в 1,5 раза скорость продуцирования по меньшей мере одного АТФ-емкого продукта в тех случаях, когда аргинин не добавляют в количестве, превышающем потребности клеток культуры. Скорость продуцирования по меньшей мере одного АТФ-емкого продукта является по меньшей мере в 2 раза больше, или по меньшей мере в 3 раза больше, или по меньшей мере в 4 раза больше, или по меньшей мере в 5 раз больше, или по меньшей мере в 10 раз больше.The concentration of arginine added to the culture can be increased to increase the production of at least one ATP-capable product. Typically, the rate of production of at least one ATP-hungry product is at least 1.5 times the rate of production of at least one ATP-hungry product when arginine is not added in excess of the needs of the culture cells. The production rate of at least one ATP-capacious product is at least 2 times greater, or at least 3 times greater, or at least 4 times greater, or at least 5 times greater, or at least 10 times more.

Как правило, АТФ-емкие продукты определяются как продукты, которые имеют непосредственную потребность в АТФ в метаболическом пути. Примеры АТФ-емких продуктов (продуктов, которые характеризуются непосредственной потребностью АТФ для синтеза, имеющего АТФ-зависимую реакцию в указанном пути) включают в себя, но не ограничиваются ими, продукты, производные от терпеноидного/мевалонатного пути, в том числе изопрен, фарнезин, бисаболен и лимонен, продукты, производные от пути жирных кислот, включая жирные кислоты, этиловые эфиры жирных кислот или молекулы, такие как 3-гидроксипропионат (3-НР) или изобутилен.Generally, ATP-rich foods are defined as foods that have an immediate need for ATP in the metabolic pathway. Examples of ATP-intensive products (products that are characterized by a direct requirement of ATP for synthesis having an ATP-dependent reaction in said pathway) include, but are not limited to, products derived from the terpenoid/mevalonate pathway, including isoprene, farnesine, bisabolene and limonene, products derived from the fatty acid pathway, including fatty acids, fatty acid ethyl esters, or molecules such as 3-hydroxypropionate (3-HP) or isobutylene.

Концентрацию аргинина, добавляемого в культуру, можно повышать с целью увеличения продуцирования по меньшей мере одного продукта, выбранного из группы продуктов, которые непосредственно не требуют АТФ, но также и не выдают такого же количества АТФ на ацетил-КоА, как образование ацетата. В некоторых вариантах осуществления данного изобретения концентрацию аргинина, добавляемого в культуру, повышают с целью увеличения продуцирования по меньшей мере одного продукта, выбранного из группы, состоящей из ацетона, IPA, 3-НВ, 2-HIBA, 1,3-BDO, 2,3-BDO, лактата, 1,2-PDO, 1-пропанола, изобутанола, бутрирата, бутанола, цитрамалата, сукцината и MEK.The concentration of arginine added to the culture can be increased to increase the production of at least one product selected from the group of products that do not directly require ATP, but also do not provide the same amount of ATP to acetyl-CoA as acetate production. In some embodiments of this invention, the concentration of arginine added to the culture is increased to increase the production of at least one product selected from the group consisting of acetone, IPA, 3-HB, 2-HIBA, 1,3-BDO, 2, 3-BDO, lactate, 1,2-PDO, 1-propanol, isobutanol, butryrate, butanol, citramalate, succinate and MEK.

Культура может продуцировать уменьшенное количество ацетата по сравнению с культурой, в которую аргинин не добавляют в количестве, превышающем потребности клеток. Так, культура может продуцировать по меньшей мере на 10% меньше ацетата, или по меньшей мере на 20% меньше ацетата, или по меньшей мере на 30% меньше ацетата, или по меньшей мере на 40% меньше ацетата, или по меньшей мере на 50% меньше ацетата, или по меньшей мере на 60% меньше ацетата, или по меньшей мере на 80% меньше ацетата. В некоторых вариантах осуществления данного изобретения чистый ацетат продуцируется в количестве менее 1 г/л ацетата, менее 0,5 г/л ацетата, менее 0,1 г/л ацетата, менее 0,05 г/л ацетата или менее 0,01 г/л ацетата.The culture may produce a reduced amount of acetate compared to a culture to which arginine is not added in excess of the requirements of the cells. Thus, the culture may produce at least 10% less acetate, or at least 20% less acetate, or at least 30% less acetate, or at least 40% less acetate, or at least 50% less acetate. % less than acetate, or at least 60% less than acetate, or at least 80% less than acetate. In some embodiments of this invention, pure acetate is produced in an amount of less than 1 g/l acetate, less than 0.5 g/l acetate, less than 0.1 g/l acetate, less than 0.05 g/l acetate, or less than 0.01 g /l acetate.

В конкретных вариантах осуществления данного изобретения газообразный субстрат выбирают из группы, состоящей из СО, Н2 и СО2. В конкретных вариантах осуществления данного изобретения аргинин и газообразный субстрат поглощаются культурой в соотношении по меньшей мере 2:1, или по меньшей мере 1:1, или по меньшей мере 1:2.In specific embodiments of this invention, the gaseous substrate is selected from the group consisting of CO, H 2 and CO 2 . In specific embodiments of this invention, arginine and gaseous substrate are taken up by the culture in a ratio of at least 2:1, or at least 1:1, or at least 1:2.

Краткое описание графических материаловBrief description of graphic materials

На фиг. 1 приведен график, демонстрирующий рост С. autoethanogenum DSM10061 в среде определенного состава из 20 аминокислот +5 г фруктозы/л.In FIG. 1 is a graph showing the growth of C. autoethanogenum DSM10061 in a defined medium of 20 amino acids +5 g fructose/L.

На фиг. 2 приведен график, демонстрирующий данные по потреблению и продуцированию аминоIn FIG. 2 is a graph showing data on consumption and production of amino

- 3 040778 кислот для С. autoethanogenum DSM10061, растущей на среде 20АК. Метка обозначает ОП при вводе проб; измерение цистеина для первых двух проб было вне диапазона калибровки.- 3 040778 acids for C. autoethanogenum DSM10061 growing on 20AK medium. The label indicates the OD when entering samples; the cysteine measurement for the first two samples was out of calibration range.

На фиг. 3 приведен график, демонстрирующий рост для С. autoethanogenum DSM10061 на среде 14АК и 8АК вместе со сравнением со средой 20АК. Планка погрешностей представляет собой стандартное отклонение между дубликатами культур. 4х и 2х Означают 4-кратное и 2-кратное увеличение концентрации АК по сравнению с средой 20АК соответственно.In FIG. 3 is a graph showing the growth of C. autoethanogenum DSM10061 on 14AK and 8AK media along with a comparison to 20AK media. The error bar is the standard deviation between duplicate cultures. 4x and 2x Mean a 4-fold and 2-fold increase in the concentration of AA compared to the 20AA medium, respectively.

На фиг. 4 приведен график, демонстрирующий время удвоения tD для С. autoethanogenum DSM10061 для сред 14АК и 8АК по сравнению со средой 20АК. tD - время удвоения. Планка погрешностей представляет собой стандартное отклонение между дубликатами культур. 4х и 2х Означают 4-кратное и 2-кратное увеличение концентрации АК по сравнению с средой 20АК соответственно.In FIG. 4 is a graph showing the doubling time tD for C. autoethanogenum DSM10061 for 14AA and 8AA media compared to 20AA medium. tD - doubling time. The error bar is the standard deviation between duplicate cultures. 4x and 2x Mean a 4-fold and 2-fold increase in the concentration of AA compared to the 20AA medium, respectively.

На фиг. 5 приведен график, демонстрирующий данные по потреблению и продуцированию аминокислот для С. autoethanogenum DSM10061 в среде 14АК 4х. 4х Означает 4-кратное увеличение концентрации АК по сравнению со средой 20АК. Метка обозначает ОП при вводе проб.In FIG. 5 is a graph showing amino acid intake and production data for C. autoethanogenum DSM10061 in 14AA 4x medium. 4x Indicates a 4-fold increase in the concentration of AA compared to 20AA medium. The label indicates the OD when introducing samples.

На фиг. 6 приведен график, демонстрирующий данные по потреблению и продуцированию аминокислот для С. autoethanogenum DSM10061 в среде 8АК 2х. 2х Означает 2-кратное увеличение концентрации АК по сравнению со средой 20АК. Метка обозначает ОП при вводе проб. Измерение цистеина для первой пробы было вне диапазона калибровки.In FIG. 6 is a graph showing amino acid intake and production data for C. autoethanogenum DSM10061 in 8AA 2x medium. 2x Indicates a 2-fold increase in the concentration of AA compared to the medium 20AA. The label indicates the OD when introducing samples. The cysteine measurement for the first sample was out of calibration range.

На фиг. 7 приведен график, демонстрирующий данные о росте для С. autoethanogenum DSM10061 в средах 12АК и 4АК. Планка погрешностей представляет собой стандартное отклонение между дубликатами культур.In FIG. 7 is a graph showing growth data for C. autoethanogenum DSM10061 on 12AA and 4AA media. The error bar is the standard deviation between duplicate cultures.

На фиг. 8 приведен график, демонстрирующий данные по потреблению и продуцированию аминокислот для С. autoethanogenum DSM10061 в среде 12АК. Метка обозначает ОП при вводе проб.In FIG. 8 is a graph showing amino acid intake and production data for C. autoethanogenum DSM10061 on 12AA medium. The label indicates the OD when introducing samples.

На фиг. 9 приведен график, демонстрирующий данные по потреблению и продуцированию аминокислот для С. autoethanogenum DSM10061 в среде 4АК. Метка обозначает ОП при вводе проб. Единица измерения μМ не применима к пику 8,3 мин.In FIG. 9 is a graph showing amino acid intake and production data for C. autoethanogenum DSM10061 in 4AA medium. The label indicates the OD when introducing samples. The μM unit does not apply to the 8.3 min peak.

На фиг. 10 приведен график, демонстрирующий данные о росте для С. autoethanogenum DSM10061 в среде 4АК с применением BugLab. BugЕд, ln необработанных данных. Удельная скорость роста 0,34 ч-1 соответствует tD ~2ч.In FIG. 10 is a graph showing growth data for C. autoethanogenum DSM10061 in 4AK medium using BugLab. BugUnit, ln raw data. The specific growth rate of 0.34 h-1 corresponds to tD ~2 h.

На фиг. 11 приведен график, демонстрирующий данные о росте для С. autoethanogenum DSM10061 в бездрожжевой среде PETC-MES с 5 г аргинина/л+5 г фруктозы/л.In FIG. 11 is a graph showing growth data for C. autoethanogenum DSM10061 in yeast-free PETC-MES medium with 5 g arginine/L+5 g fructose/L.

На фиг. 12 приведен график, демонстрирующий данные о продуцировании ацетата для С. autoethanogenum DSM10061 в бездрожжевой среде PETC-MES с 5 г аргинина/л+5 г фруктозы/л.In FIG. 12 is a graph showing acetate production data for C. autoethanogenum DSM10061 in yeast-free PETC-MES medium with 5 g arginine/L+5 g fructose/L.

На фиг. 13 приведен график, демонстрирующий данные по потреблению и продуцированию аминокислот для С. autoethanogenum DSM10061 в среде с 5 г аргинина/л+5 г фруктозы/л. Метка обозначает ОП при вводе проб. Единица измерения μМ не применима к пику 8,3 мин.In FIG. 13 is a graph showing amino acid intake and production data for C. autoethanogenum DSM10061 in 5 g arginine/l+5 g fructose/l medium. The label indicates the OD when introducing samples. The μM unit does not apply to the 8.3 min peak.

На фиг. 14 приведен график, демонстрирующий данные о росте для С. autoethanogenum DSM10061 в бездрожжевой среде PETC-MES с 5 г аргинина/л+5 г фруктозы/л с использованием BugLab. BugEд, ln необработанных данных. Удельная скорость роста 0,21 ч-1 соответствует tD ~3 ч.In FIG. 14 is a graph showing growth data for C. autoethanogenum DSM10061 in yeast-free PETC-MES medium with 5 g arginine/L + 5 g fructose/L using BugLab. BugEd, ln raw data. The specific growth rate of 0.21 h-1 corresponds to tD ~3 h.

На фиг. 15 приведен график, демонстрирующий разницу в кривой роста и показателях времени удвоения аргинина и дрожжевого экстракта экспериментах в биореакторе с фруктозой.In FIG. 15 is a graph showing the difference in growth curve and doubling times between arginine and yeast extract in fructose bioreactor experiments.

На фиг. 16 приведен график, демонстрирующий автотрофный рост С. autoethanogenum DSM 23693 с (△) и без 1*1 добавления аргинина.In FIG. 16 is a graph showing the autotrophic growth of C. autoethanogenum DSM 23693 with (△) and without 1*1 arginine supplementation.

На фиг. 17 приведен график, демонстрирующий автотрофный рост С. autoethanogenum DSM 23693 с (△) и без добавления аргинина, а также рост аргинина только в отсутствие газа СО/СО2/Н2In FIG. 17 is a graph showing the autotrophic growth of C. autoethanogenum DSM 23693 with (△) and no addition of arginine, and the growth of arginine only in the absence of CO/CO2/H2 gas

На фиг. 18 приведен график в логарифмическом масштабе автотрофного роста С. autoethanogenum DSM 23693 с и без (·) добавления аргинина.In FIG. 18 is a log plot of the autotrophic growth of C. autoethanogenum DSM 23693 with and without (·) arginine supplementation.

На фиг. 19 приведен график, демонстрирующий продуцирование ацетата при автотрофном росте С. autoethanogenum DSM 23693 с (△) и без (·) добавления аргинина.In FIG. 19 is a graph showing acetate production during autotrophic growth of C. autoethanogenum DSM 23693 with (△) and without (·) arginine addition.

На фиг. 20 представлено схематическое изображение пути аргининдекарбоксилазы.In FIG. 20 is a schematic representation of the arginine decarboxylase pathway.

На фиг. 21 представлено схематическое изображение расщепления L-аргинина в пути аргининдезиминазы.In FIG. 21 is a schematic representation of the cleavage of L-arginine in the arginine deiminase pathway.

На фиг. 22A, 22B приведена круговая диаграмма, демонстрирующая поток углерода для продуктов.In FIG. 22A, 22B is a pie chart showing carbon flux for products.

На фиг. 23 продемонстрированы ферменты, необходимые для потребления орнитина в Clostridium sticklandii.In FIG. 23 shows the enzymes required for ornithine consumption in Clostridium sticklandii.

На фиг. 24 приведена диаграмма, демонстрирующая распределение продукции АТФ при гетеротрофном росте С. autoethanogenum на средах 4АК или ARG с фруктозой.In FIG. 24 is a diagram showing the distribution of ATP production during heterotrophic growth of C. autoethanogenum on 4AA or ARG media with fructose.

Подробное описание изобретенияDetailed description of the invention

Определения и общие сведения.Definitions and general information.

Термин в количестве, превышающим потребности клеток относится к добавлению компонента к микроорганизму в таком количестве, которое является больше, чем количество компонента, необходимое микроорганизму для синтеза биомассы.The term in excess of the needs of the cells refers to the addition of a component to a microorganism in an amount that is greater than the amount of the component required by the microorganism for biomass synthesis.

- 4 040778- 4 040778

Термин АТФ-емкий относится к метаболиту, для синтеза которого АТФ (энергия) вводится по меньшей мере на одной стадии пути его синтеза (например, при наличии АТФ-зависимой реакции в этом пути).The term ATP-capacious refers to a metabolite for the synthesis of which ATP (energy) is introduced at least one stage of its synthesis pathway (for example, in the presence of an ATP-dependent reaction in this pathway).

Термин удельная скорость роста относится к скорости роста биомассы клеток на биомассу клетки в час.The term specific growth rate refers to the growth rate of cell biomass per cell biomass per hour.

Термин время удвоения относится к времени в часах, когда биомасса клеток должна удвоиться.The term doubling time refers to the time in hours when the cell biomass should double.

Термин путь метаболизма аргинина в широком смысле относится к любому пути, вовлеченному в метаболизм аргинина. Как правило, путь метаболизма аргинина включает в себя по меньшей мере один из путей: путь аргининдезиминазы и путь аргининдекарбоксилазы.The term arginine metabolic pathway broadly refers to any pathway involved in the metabolism of arginine. Typically, the arginine metabolic pathway includes at least one of the arginine deiminase pathway and the arginine decarboxylase pathway.

Термин генетическая модификация или генная инженерия в широком смысле относится к манипулированию геномом или нуклеиновыми кислотами микроорганизма. Аналогично термин генетически сконструированный относится к микроорганизму, содержащему манипулируемый геном или нуклеиновые кислоты. Способы генетической модификации включают, например, экспрессию гетерологичных генов, вставку или делецию гена или промотора, мутацию нуклеиновой кислоты, измененную экспрессию или инактивацию гена, ферментную инженерию, направленную эволюцию, основанную на знаниях конструкцию, способы случайного мутагенеза, перетасовку генов и оптимизацию кодонов.The term genetic modification or genetic engineering broadly refers to the manipulation of the genome or nucleic acids of a microorganism. Similarly, the term genetically engineered refers to a microorganism containing a manipulated gene or nucleic acids. Methods for genetic modification include, for example, expression of heterologous genes, insertion or deletion of a gene or promoter, nucleic acid mutation, altered gene expression or inactivation, enzyme engineering, directed evolution, knowledge-based design, random mutagenesis methods, gene shuffling, and codon optimization.

Термин рекомбинантный указывает, что нуклеиновая кислота, белок или микроорганизм являются продуктом генетической модификации, инженерии или рекомбинации. Как правило, термин рекомбинант относится к нуклеиновой кислоте, белку или микроорганизму, который содержит или кодируется генетическим материалом, производным от нескольких источников, таких как два или большее количество различных штаммов или видов микроорганизмов. В данном контексте термин рекомбинант также можно применять для описания микроорганизма, который включает мутантную нуклеиновую кислоту или белок, включая мутированную форму эндогенной нуклеиновой кислоты или белка.The term recombinant indicates that the nucleic acid, protein, or microorganism is the product of genetic modification, engineering, or recombination. Generally, the term recombinant refers to a nucleic acid, protein, or microorganism that contains or is encoded by genetic material derived from multiple sources, such as two or more different strains or species of microorganisms. In this context, the term recombinant can also be used to describe a microorganism that includes a mutant nucleic acid or protein, including a mutated form of an endogenous nucleic acid or protein.

Термин эндогенный относится к нуклеиновой кислоте или белку, который присутствует или экспрессируется в микроорганизме дикого типа или родительском микроорганизме, из которого получают микроорганизм по данному изобретению. Например, эндогенный ген представляет собой ген, который изначально присутствует в микроорганизме дикого типа или родительском микроорганизме, из которого получают микроорганизм по данному изобретению. В одном варианте осуществления данного изобретения экспрессия эндогенного гена может контролироваться экзогенным регуляторным элементом, таким как экзогенный промотор.The term endogenous refers to a nucleic acid or protein that is present or expressed in the wild-type or parental microorganism from which the microorganism of the invention is derived. For example, an endogenous gene is a gene that is originally present in a wild-type microorganism or parental microorganism from which the microorganism of the present invention is derived. In one embodiment of the present invention, expression of an endogenous gene may be controlled by an exogenous regulatory element, such as an exogenous promoter.

Термин экзогенный относится к нуклеиновой кислоте или белку, который не присутствует в микроорганизме дикого типа или родительском микроорганизме, из которого получают микроорганизм по данному изобретению. В одном варианте осуществления данного изобретения экзогенный ген или фермент может быть производным от гетерологичного (т.е. другого) штамма или вида и ввести или экспрессировать в микроорганизме по данному изобретению. В другом варианте осуществления данного изобретения экзогенный ген или фермент можно искусственным или рекомбинантным путем создать и ввести или экспрессировать в микроорганизм по данному изобретению. Экзогенные нуклеиновые кислоты можно адаптировать для интеграции в геном микроорганизма по данному изобретению или для того, чтобы оставаться во внехромосомном состоянии в микроорганизме по данному изобретению, например, в плазмиде.The term exogenous refers to a nucleic acid or protein that is not present in the wild-type microorganism or parental microorganism from which the microorganism of the present invention is derived. In one embodiment of the present invention, the exogenous gene or enzyme may be derived from a heterologous (ie different) strain or species and introduced or expressed in the microorganism of the present invention. In another embodiment of this invention, an exogenous gene or enzyme can be artificially or recombinantly created and introduced or expressed in the microorganism according to this invention. Exogenous nucleic acids can be adapted to integrate into the genome of the microorganism of the invention, or to remain in an extrachromosomal state in the microorganism of the invention, for example, in a plasmid.

Термин ферментативная активность или просто активность в широком смысле относится к ферментативной активности, включая, но не ограничиваясь этим, активность фермента, количество фермента или доступность фермента для катализирования реакции. Соответственно термин возрастающая активность фермента включает в себя повышение активности фермента, увеличение количества фермента или увеличение доступности фермента для катализирования реакции. Аналогичным образом термин снижающаяся активность фермента включает в себя снижение активности фермента, уменьшение количества фермента или уменьшение доступности фермента для катализирования реакции.The term enzymatic activity or simply activity in a broad sense refers to enzymatic activity, including, but not limited to, the activity of the enzyme, the amount of the enzyme, or the availability of the enzyme to catalyze the reaction. Accordingly, the term increasing enzyme activity includes an increase in enzyme activity, an increase in the amount of enzyme, or an increase in the availability of an enzyme to catalyze a reaction. Similarly, the term decreasing enzyme activity includes a decrease in enzyme activity, a decrease in the amount of enzyme, or a decrease in the availability of an enzyme to catalyze a reaction.

Термин мутированный относится к нуклеиновой кислоте или белку, который был модифицирован в микроорганизме по данному изобретению по сравнению с микроорганизмом дикого типа или родительским микроорганизмом, из которого получают микроорганизм по данному изобретению. В одном варианте осуществления данного изобретения мутация может представлять собой делецию, вставку или замещение в гене, кодирующем фермент. В другом варианте осуществления данного изобретения мутация может представлять собой делецию, вставку или замещение одной или большего количества аминокислот в ферменте.The term mutated refers to a nucleic acid or protein that has been modified in the microorganism of the invention compared to the wild-type or parental microorganism from which the microorganism of the invention is derived. In one embodiment of the present invention, the mutation may be a deletion, insertion, or substitution in a gene encoding an enzyme. In another embodiment of the present invention, the mutation may be a deletion, insertion or substitution of one or more amino acids in the enzyme.

В частности, разрушающая мутация представляет собой мутацию, которая уменьшает или устраняет (т.е. разрушает) экспрессию или активность гена или фермента. Разрушающая мутация может частично инактивировать, полностью инактивировать или удалять ген или фермент. Разрушающая мутация может представлять собой нокаутную мутацию (КО). Разрушающая мутация может представлять собой любую мутацию, которая уменьшает, предотвращает или блокирует биосинтез продукта, продуцируемого ферментом. Разрушающая мутация может включать в себя, например, мутацию в гене, кодирующем фермент, мутацию в генетическом регуляторном элементе, участвующем в экспрессии гена, кодирующего фермент, введение нуклеиновой кислоты, продуцирующей белок, который уменьшает или ингибируетIn particular, a destructive mutation is a mutation that reduces or eliminates (ie destroys) the expression or activity of a gene or enzyme. A destructive mutation may partially inactivate, completely inactivate, or remove a gene or enzyme. The destructive mutation may be a knockout mutation (KO). A disruptive mutation can be any mutation that reduces, prevents, or blocks the biosynthesis of a product produced by an enzyme. A disruptive mutation may include, for example, a mutation in a gene encoding an enzyme, a mutation in a genetic regulatory element involved in the expression of a gene encoding an enzyme, the introduction of a nucleic acid producing a protein that reduces or inhibits

- 5 040778 активность фермента или введение нуклеиновой кислоты (например, антисмысловой РНК, siPHK, CRISPR) или белка, который ингибирует экспрессию фермента. Разрушающую мутацию можно ввести любым способом, известным в данной области техники.- 5 040778 enzyme activity or the introduction of a nucleic acid (eg antisense RNA, siRNA, CRISPR) or a protein that inhibits the expression of the enzyme. A destructive mutation can be introduced by any method known in the art.

Введение разрушающей мутации приводит к тому, что микроорганизм по данному изобретению не продуцирует целевой продукт или по существу не продуцирует целевой продукт или продуцирует уменьшенное количество целевого продукта по сравнению с родительским микроорганизмом, из которого получают микроорганизм по данному изобретению. Например, микроорганизм по данному изобретению может не продуцировать целевой продукт или продуцировать целевой продукт в количестве, по меньшей мере на 1, 3, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 или на 95% меньшем по сравнению с родительским микроорганизмом. Например, микроорганизм по данному изобретению может продуцировать менее 0,001, 0,01, 0,10, 0,30, 0,50 или 1,0 г/л целевого продукта.The introduction of a destructive mutation results in the microorganism of the invention not producing the desired product, or essentially not producing the desired product, or producing a reduced amount of the desired product compared to the parent microorganism from which the microorganism of the invention is derived. For example, the microorganism according to this invention may not produce the desired product or produce the desired product in an amount of at least 1, 3, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, or 95% less than compared to the parent microorganism. For example, the microorganism of this invention may produce less than 0.001, 0.01, 0.10, 0.30, 0.50, or 1.0 g/L of the desired product.

Термин оптимизация кодонов относится к мутации нуклеиновой кислоты, такой как ген, для оптимизации или улучшения трансляции нуклеиновой кислоты в конкретном штамме или виде. Оптимизация кодонов может привести к более быстрой скорости трансляции или более высокой точности трансляции. В предпочтительном варианте осуществления данного изобретения гены по данному изобретению представляют собой кодон, оптимизированный для экспрессии в Clostridium, в частности, Clostridium autoethanogenum, Clostridium ljungdahlii, или Clostridium ragsdalei. В еще одном предпочтительном варианте осуществления данного изобретения гены по данному изобретению представляют собой кодоны, оптимизированные для экспрессии в Clostridium autoethanogenum LZ1561, который депонирован в DSMZ под номером доступа DSM23693.The term codon optimization refers to the mutation of a nucleic acid, such as a gene, to optimize or improve translation of the nucleic acid in a particular strain or species. Codon optimization can result in faster translation rates or higher translation fidelity. In a preferred embodiment of the invention, the genes of the invention are a codon optimized for expression in Clostridium, in particular Clostridium autoethanogenum, Clostridium ljungdahlii, or Clostridium ragsdalei. In yet another preferred embodiment of the present invention, the genes of the present invention are codons optimized for expression in Clostridium autoethanogenum LZ1561, which is deposited with the DSMZ under accession number DSM23693.

Термин сверхэкспрессированный относится к увеличению экспрессии нуклеиновой кислоты или белка в микроорганизме по данному изобретению по сравнению с микроорганизмом дикого типа или родительским микроорганизмом, из которого получают микроорганизм по данному изобретению. Сверхэкспрессия может быть достигнута с помощью любых способов, известных в данной области техники, включая модификацию количества копий гена, скорости транскрипции гена, скорости трансляции гена или скорости ферментного расщепления.The term overexpressed refers to an increase in the expression of a nucleic acid or protein in a microorganism of the invention compared to the wild-type microorganism or parental microorganism from which the microorganism of the invention is derived. Overexpression can be achieved by any means known in the art, including modifying the copy number of a gene, the rate of gene transcription, the rate of translation of a gene, or the rate of enzymatic cleavage.

Термин варианты включает в себя нуклеиновые кислоты и белки, последовательность которых отличается от последовательности эталонной нуклеиновой кислоты и белка, такой как последовательность эталонной нуклеиновой кислоты и белка, описанная в предшествующем уровне техники или проиллюстрированная в данном документе примерами. Данное изобретение может быть осуществлено на практике с применением вариантов нуклеиновых кислот или белков, которые выполняют по существу ту же функцию, что и эталонная нуклеиновая кислота или белок. Например, вариант белка может выполнять по существу ту же функцию или катализировать по существу ту же реакцию, что и эталонный белок. Вариант гена может кодировать тот же или по существу тот же белок, что и эталонный ген. Вариантный промотор может иметь по существу такую же способность стимулировать экспрессию одного или большего количества генов, что и эталонный промотор.The term variants includes nucleic acids and proteins whose sequence differs from that of a reference nucleic acid and protein, such as the reference nucleic acid and protein sequence described in the prior art or exemplified herein. The invention may be practiced using nucleic acid or protein variants that perform essentially the same function as the reference nucleic acid or protein. For example, a protein variant may perform essentially the same function or catalyze essentially the same reaction as a reference protein. The gene variant may encode the same or substantially the same protein as the reference gene. The variant promoter may have substantially the same ability to drive the expression of one or more genes as the reference promoter.

Такие нуклеиновые кислоты или белки могут называться в данном документе функционально эквивалентными вариантами. В качестве примера функционально эквивалентные варианты нуклеиновой кислоты могут включать аллельные варианты, фрагменты гена, мутированные гены, полиморфизмы и тому подобное. Гомологичные гены других микроорганизмов также являются примерами функционально эквивалентных вариантов. К ним относятся гомологичные гены у таких видов, как Clostridium acetobutylicum, Clostridium beijerinckii, или Clostridium Ijungdahlii, информация о которых находится в открытом доступе на веб-сайтах, таких как Genbank или NCBI. Функционально эквивалентные варианты также включают в себя нуклеиновые кислоты, последовательность которых изменяется в результате оптимизации кодонов для конкретного микроорганизма. Функционально эквивалентный вариант нуклеиновой кислоты предпочтительно будет иметь по меньшей мере около 70%, около 80%, около 85%, около 90%, около 95%, около 98% или более идентичности последовательности нуклеиновой кислоты (процент гомологии) с эталонной нуклеиновой кислотой. Функционально эквивалентный вариант белка предпочтительно будет иметь по меньшей мере около 70%, около 80%, около 85%, около 90%, около 95%, около 98% или более идентичности аминокислоты (процент гомологии) с эталонным белком. Функциональную эквивалентность варианта нуклеиновой кислоты или белка можно оценить с помощью любого способа, известного в данной области техники.Such nucleic acids or proteins may be referred to herein as functionally equivalent variants. By way of example, functionally equivalent nucleic acid variants may include allelic variants, gene fragments, mutated genes, polymorphisms, and the like. Homologous genes from other microorganisms are also examples of functionally equivalent variants. These include homologous genes in species such as Clostridium acetobutylicum, Clostridium beijerinckii, or Clostridium Ijungdahlii, which are publicly available on websites such as Genbank or NCBI. Functionally equivalent variants also include nucleic acids whose sequence changes as a result of codon optimization for a particular microorganism. A functionally equivalent nucleic acid variant will preferably have at least about 70%, about 80%, about 85%, about 90%, about 95%, about 98% or more nucleic acid sequence identity (percent homology) with the reference nucleic acid. A functionally equivalent protein variant will preferably have at least about 70%, about 80%, about 85%, about 90%, about 95%, about 98% or more amino acid identity (percent homology) with the reference protein. The functional equivalence of a nucleic acid or protein variant can be assessed using any method known in the art.

Нуклеиновые кислоты можно доставить в микроорганизм по данному изобретению с помощью любого способа, известного в данной области техники. Например, нуклеиновые кислоты можно доставить в виде оголенных нуклеиновых кислот или можно скомпоновать с одним или большим количеством агентов, таких как липосомы. Нуклеиновые кислоты могут представлять собой ДНК, РНК, кДНК или их комбинации, что является подходящим. В некоторых вариантах осуществления данного изобретения могут применяться ингибиторы рестрикции. Дополнительные векторы могут включать в себя плазмиды, вирусы, бактериофаги, космиды и искусственные хромосомы. В предпочтительном варианте осуществления данного изобретения нуклеиновые кислоты доставляют в микроорганизм по данному изобретению с помощью плазмиды. В качестве примера трансформация (включая трансдукцию или трансфекцию) может быть достигнута путем электропорации, ультразвуковой обработки, трансформации, опосредованнойNucleic acids can be delivered to the microorganism of this invention using any method known in the art. For example, nucleic acids can be delivered as naked nucleic acids or can be combined with one or more agents such as liposomes. Nucleic acids can be DNA, RNA, cDNA, or combinations thereof, as appropriate. In some embodiments of the invention, restriction inhibitors may be used. Additional vectors may include plasmids, viruses, bacteriophages, cosmids, and artificial chromosomes. In a preferred embodiment of the present invention, the nucleic acids are delivered to the microorganism of the present invention using a plasmid. As an example, transformation (including transduction or transfection) can be achieved by electroporation, sonication, mediated transformation

- 6 040778 полиэтиленгликолем, химической или естественной компетентности, трансформации протопластов, индукции профагов или конъюгации. В некоторых вариантах осуществления данного изобретения, имеющих активные системы рестрикционных ферментов, может оказаться необходимым метилировать нуклеиновую кислоту до введения нуклеиновой кислоты в микроорганизм.- 6 040778 polyethylene glycol, chemical or natural competence, protoplast transformation, prophage induction or conjugation. In some embodiments of the invention having active restriction enzyme systems, it may be necessary to methylate the nucleic acid prior to introducing the nucleic acid into the microorganism.

Кроме того, нуклеиновые кислоты можно сконструировать так, чтобы они содержали регуляторный элемент, такой как промотор, для увеличения или иного контроля экспрессии конкретной нуклеиновой кислоты. Промотор может быть конститутивным промотором или индуцибельным промотором. В идеальном варианте промотор представляет собой промотор пути Вуд-Льюнгдаля, промотор ферредоксина, промотор пирувата:ферредоксин-оксидоредуктазы, промотор оперона комплекса Rnf, промотор оперона АТФ-синтазы или промотор оперона фосфотрансанетилазы/ацетаткиназы.In addition, nucleic acids can be designed to contain a regulatory element, such as a promoter, to increase or otherwise control the expression of a particular nucleic acid. The promoter may be a constitutive promoter or an inducible promoter. Ideally, the promoter is a Wood-Ljungdahl pathway promoter, a ferredoxin promoter, a pyruvate:ferredoxin oxidoreductase promoter, an Rnf complex operon promoter, an ATP synthase operon promoter, or a phosphotransanethylase/acetate kinase operon promoter.

Микроорганизм представляет собой микроскопический организм, особенно бактерию, архею, вирус или гриб. Как правило, микроорганизм по данному изобретению представляет собой бактерию. В данном контексте термин микроорганизм следует применять для обозначения бактерии.A microorganism is a microscopic organism, especially a bacterium, archaea, virus, or fungus. Typically, the microorganism of this invention is a bacterium. In this context, the term microorganism should be used to refer to bacteria.

Родительский микроорганизм представляет собой микроорганизм, применяемый для генерирования микроорганизма по данному изобретению. Родительский микроорганизм может быть природным микроорганизмом (т.е. микроорганизмом дикого типа) или микроорганизмом, который был ранее модифицирован (т.е. мутантным или рекомбинантным микроорганизмом). Микроорганизм по данному изобретению можно также модифицировать для экспрессии или сверхэкспрессии одного или большего количества ферментов, которые не были экспрессированы или сверхэкспрессированы в родительском микроорганизме. Аналогичным образом микроорганизм по данному изобретению можно модифицировать для того, чтобы он содержал один или большее количество генов, которых не было в родительском микроорганизме. Микроорганизм по данному изобретению можно также модифицировать с целью отсутствия экспрессии или экспрессии более низкого уровня одного или большего количества ферментов, которые были экспрессированы в родительском микроорганизме. В одном варианте осуществления данного изобретения родительский микроорганизм представляет собой Clostridium autoethanogenum, Clostridium ljungdahlii или Clostridium ragsdalei. В предпочтительном варианте осуществления данного изобретения родительский микроорганизм представляет собой Clostridium autoethanogenum LZ1561, который был депонирован 7 июня 2010 г. в Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH (DSMZ), расположенным по адресу Inhoffenstraβ 7B, D-38124 Braunschwieg, Германия, 7 июня 2010 г. в соответствии с условиями Будапештского договора и получил номер доступа DSM23693.The parent microorganism is the microorganism used to generate the microorganism of this invention. The parent microorganism may be a naturally occurring microorganism (ie, a wild-type microorganism) or a microorganism that has been previously modified (ie, a mutant or recombinant microorganism). The microorganism of this invention can also be modified to express or overexpress one or more enzymes that were not expressed or overexpressed in the parent microorganism. Similarly, the microorganism of this invention can be modified to contain one or more genes that were not in the parent microorganism. The microorganism of this invention can also be modified to lack or lower expression of one or more enzymes that were expressed in the parent microorganism. In one embodiment of the invention, the parent microorganism is Clostridium autoethanogenum, Clostridium ljungdahlii, or Clostridium ragsdalei. In a preferred embodiment of the present invention, the parent microorganism is Clostridium autoethanogenum LZ1561, which was deposited June 7, 2010 at Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH (DSMZ) located at Inhoffenstraβ 7B, D-38124 Braunschwieg, Germany, June 7, 2010 in accordance with the terms of the Budapest Treaty and received access number DSM23693.

Термин производный от указывает, что нуклеиновая кислота, белок или микроорганизм модифицированы или адаптированы из другой (например, родительской или дикого типа) нуклеиновой кислоты, белка или микроорганизма с целью получения новой нуклеиновой кислоты, белка или микроорганизма. Такие модификации или адаптации обычно включают в себя вставку, делецию, мутацию или замещение нуклеиновых кислот или генов. Как правило, микроорганизм по данному изобретению является производным от родительского микроорганизма. В одном варианте осуществления данного изобретения микроорганизм по данному изобретению является производным от Clostridium autoethanogenum, Clostridium ljungdahlii или Clostridium ragsdalei. В предпочтительном варианте осуществления данного изобретения микроорганизм по данному изобретению является производным от Clostridium autoethanogenum LZ1561, который депонирован в DSMZ под номером доступа DSM23693.The term derived from indicates that a nucleic acid, protein, or microorganism is modified or adapted from another (eg, parental or wild-type) nucleic acid, protein, or microorganism to produce a new nucleic acid, protein, or microorganism. Such modifications or adaptations typically include insertion, deletion, mutation, or substitution of nucleic acids or genes. As a rule, the microorganism according to this invention is derived from the parent microorganism. In one embodiment of this invention, the microorganism of this invention is derived from Clostridium autoethanogenum, Clostridium ljungdahlii or Clostridium ragsdalei. In a preferred embodiment of the present invention, the microorganism of the present invention is derived from Clostridium autoethanogenum LZ1561, which is deposited with the DSMZ under accession number DSM23693.

Микроорганизм по данному изобретению можно дополнительно классифицировать на основе функциональных характеристик. Например, микроорганизм по данному изобретению может представлять собой или может быть производным от С1-фиксирующего микроорганизма, анаэроба, ацетогена, этанологена, карбоксидотрофа и/или метанотрофа. В таблице ниже представлен репрезентативный перечень микроорганизмов и указаны их функциональные характеристики.The microorganism of this invention can be further classified based on functional characteristics. For example, the microorganism of the present invention may be or may be derived from a C1-fixing microorganism, anaerobe, acetogen, ethanologen, carboxydotroph and/or methanotroph. The table below provides a representative list of microorganisms and their functional characteristics.

- 7 040778- 7 040778

Cl-фиксация Cl fixation Анаэроб Anaerobe Ацетоген Acetogen Этанологен Ethanologen о о н и O They ф οάτοϊ/ποχοράυ^ f οάτοϊ/ποχοράυ^ Метанотроф methanotroph Acetobacterium woodii Acetobacterium woodii + + + + + + +/- 1 +/- 1 - - - - - - Alkalibaculum bacchii Alkalibaculum bacchii + + + + + + + + + + + + - - Blautia product Blautia product + + + + + + - - + + + + - - В и tyri bacteri um m e thylotroph icum B and tyri bacteri um m e thylotroph icum + + + + + + + + + + + + - - Clostridium aceticum Clostridium aceticum + + + + + + - - + + + + - - Clostridium autoethanogenum Clostridium autoethanogenum + + + + + + + + + + + + - - Clostridium carbonicivorans Clostridium carbonicivorans + + + + + + + + + + + + - - Clostridium coskatii Clostridium coskatii + + + + + + + + + + + + - - Clostridium drakei Clostridium drakei + + + + + + - - + + + + - - Clostridium formicoaceticum Clostridium formicoaceticum + + + + + + - - + + + + - - Clostridium Ijungdahlii Clostridium Ijungdahlii + + + + + + + + + + + + - - Clostridium magnum Clostridium magnum + + + + + + - - + + +/-2 +/- 2 - - Clostridium ragsdalei Clostridium ragsdalei + + + + + + + + + + + + - - Clostridium scatologenes Clostridium scatologenes + + + + + + - - + + + + - - Eubacterium limosum Eubacterium limosum + + + + + + - - + + + + - - Moorella thermautotrophica Moorella thermautotrophica + + + + + + + + + + + + - - Moorella thermoacetica (прежнее название Clostridium thermoaceticum) Moorella thermoacetica (formerly Clostridium thermoaceticum) + + + + + + 3 3 + + + + - - Oxobacter pfennigii Oxobacter pfennigii + + + + + + - - + + + + - - Sporomusa ovata Sporomus ovata + + + + + + - - + + +/-4 +/- 4 - - Sporomusa silvacetica Sporomusa silvacetica + + + + + + - - + + +/-5 +/- 5 - - Sporomusa sphaeroides Sporomusa sphaeroides + + + + + + - - + + +/-6 +/- 6 - - Thermoanaerobacter kiuvi Thermoanaerobacter kiuvi + + + + + + - - + + - - - -

1 Acetobacterium woodi может продуцировать этанол из фруктозы, но не из газа. 1 Acetobacterium woodi can produce ethanol from fructose, but not from gas.

2 Не изучено, может ли Clostridium magnum расти на СО. 2 It has not been studied whether Clostridium magnum can grow on CO.

3 Один штамм Moorella thermoacetica, Moorella sp. HUC22-1, как сообщается, продуцирует этанол из газа. 3 One strain of Moorella thermoacetica, Moorella sp. HUC22-1 is reported to produce ethanol from gas.

4 Не изучено, может ли Sporomusa ovata расти на СО. 4 It has not been studied whether Sporomusa ovata can grow on CO.

5 Не изучено, может ли Sporomusa silvacetica расти на СО. 5 It has not been studied whether Sporomusa silvacetica can grow on CO.

6 Не изучено, может ли Sporomusa sphaeroides расти на СО. 6 It has not been studied whether Sporomusa sphaeroides can grow on CO.

С1 относится к молекуле с одним углеродом, например СО, СО2, СН4 или СН3ОН. С1-оксигенат относится к молекуле с одним углеродом, которая также содержит по меньшей мере один атом кислорода, например СО, СО2 или СН3ОН. Источник С1-углерода относится к одной молекуле углерода, которая служит в качестве частичного или единственного источника углерода для микроорганизма по данному изобретению. Например, источник С1-углерода может содержать один или большее количество из СО, СО2, СН4, СН3ОН или СН2О2. Предпочтительно источник С1-углерода содержит один или оба из СО и СО2. С1-фиксирующий микроорганизм представляет собой микроорганизм, который обладает способностью продуцировать один или большее количество продуктов из источника С1-углерода. Как правило, микроорганизм по данному изобретению представляет собой С1-фиксирующую бактерию. В предпочтительном варианте осуществления данного изобретения микроорганизм по данному изобретению является производным от С1-фиксирующего микроорганизма, указанного в таблице выше.C1 refers to a molecule with one carbon, such as CO, CO 2 , CH 4 or CH 3 OH. C1-oxygenate refers to a single carbon molecule that also contains at least one oxygen atom, such as CO, CO 2 or CH 3 OH. A C1 carbon source refers to a single carbon molecule that serves as a partial or sole carbon source for the microorganism of this invention. For example, the C1 carbon source may contain one or more of CO, CO 2 , CH 4 , CH 3 OH, or CH 2 O 2 . Preferably, the C1 carbon source contains one or both of CO and CO 2 . A C1 fixing microorganism is a microorganism that has the ability to produce one or more products from a C1 carbon source. Typically, the microorganism of this invention is a C1-fixing bacterium. In a preferred embodiment of the present invention, the microorganism of the present invention is derived from the C1-fixing microorganism indicated in the table above.

Анаэроб представляет собой микроорганизм, который не требует кислорода для роста. Анаэроб может отрицательно реагировать или даже погибнуть, если кислород присутствует выше определенного порога. Как правило, микроорганизм по данному изобретению представляет собой анаэроб. В предпочтительном варианте осуществления данного изобретения микроорганизм по данному изобретению является производным от анаэроба, указанного в таблице выше.An anaerobe is a microorganism that does not require oxygen for growth. The anaerobe can react negatively or even die if oxygen is present above a certain threshold. As a rule, the microorganism according to this invention is an anaerobe. In a preferred embodiment of the present invention, the microorganism of the present invention is derived from an anaerobe indicated in the table above.

Ацетогенами являются облигатно анаэробные бактерии, которые используют путь ВудЛьюнгдаля в качестве основного механизма сохранения энергии и для синтеза ацетил-КоА и продуктов, производных от ацетил-КоА, таких как ацетат (Ragsdale, Biochim Biophys Acta, 1784:1873-1898, 2008). Ацетогены используют путь ацетил-КоА как (1) механизм редуктивного синтеза ацетил-КоА из СО2;Acetogens are obligate anaerobic bacteria that use the WoodLjungdahl pathway as their primary energy conservation mechanism and for the synthesis of acetyl-CoA and acetyl-CoA derivatives such as acetate (Ragsdale, Biochim Biophys Acta, 1784:1873-1898, 2008). Acetogens use the acetyl-CoA pathway as (1) a mechanism for the reductive synthesis of acetyl-CoA from CO 2 ;

(2) процесс сохранения энергии, связанный с акцепцией терминальнх электронов;(2) the energy conservation process associated with the acceptance of terminal electrons;

(3) механизм фиксации (ассимиляции) СО2 в синтез клеточного углерода (Drake, Ацетогенные про-(3) the mechanism of fixation (assimilation) of CO 2 in the synthesis of cellular carbon (Drake, Acetogenic pro-

- 8 040778 кариоты, в Прокариоты, 3-е издание, стр. 354, New York, NY, 2006).- 8 040778 Karyotes, in Prokaryotes, 3rd edition, p. 354, New York, NY, 2006).

Все природные ацетогены являются С1-фиксирующими, анаэробными, автотрофными и неметанотрофными. Как правило, микроорганизм по данному изобретению является ацетогеном. В предпочтительном варианте осуществления данного изобретения микроорганизм по данному изобретению является производным от ацетогена, указанного в таблице выше.All natural acetogens are C1-fixing, anaerobic, autotrophic and non-methanotrophic. Typically, the microorganism of this invention is an acetogen. In a preferred embodiment of the present invention, the microorganism of the present invention is derived from the acetogen indicated in the table above.

Этанологен представляет собой микроорганизм, который продуцирует или способен продуцировать этанол. Как правило, микроорганизм по данному изобретению является этанологеном. В предпочтительном варианте осуществления данного изобретения микроорганизм по данному изобретению является производным от этанологена, указанного в таблице выше.An ethanologen is a microorganism that produces or is capable of producing ethanol. Typically, the microorganism of this invention is an ethanologen. In a preferred embodiment of this invention, the microorganism of this invention is derived from the ethanologen listed in the table above.

Автотроф представляет собой микроорганизм, способный расти в отсутствие органического углерода. Вместо него автотрофы используют неорганические источники углерода, такие как СО и/или СО2. Как правило, микроорганизм по данному изобретению является автотрофом. В предпочтительном варианте осуществления данного изобретения микроорганизм по данному изобретению является производным от автотрофа, указанного в таблице выше.An autotroph is a microorganism that can grow in the absence of organic carbon. Instead, autotrophs use inorganic carbon sources such as CO and/or CO 2 . As a rule, the microorganism according to this invention is an autotroph. In a preferred embodiment of the present invention, the microorganism of the present invention is derived from an autotroph listed in the table above.

Карбоксидотроф представляет собой микроорганизм, способный использовать СО в качестве единственного источника углерода. Как правило, микроорганизм по данному изобретению является карбоксидотрофом. В предпочтительном варианте осуществления данного изобретения микроорганизм по данному изобретению является производным от карбоксидотрофа, указанного в таблице выше.A carboxydotroph is a microorganism capable of using CO as its sole carbon source. As a rule, the microorganism according to this invention is a carboxydotroph. In a preferred embodiment of the present invention, the microorganism of the present invention is derived from the carboxydotroph indicated in the table above.

Метанотроф представляет собой микроорганизм, способный использовать метан в качестве единственного источника углерода и энергии. В некоторых вариантах осуществления данного изобретения микроорганизм по данному изобретению является производным от метанотрофа.A methanotroph is a microorganism capable of using methane as its sole source of carbon and energy. In some embodiments of this invention, the microorganism of this invention is derived from a methanotroph.

В более широком смысле микроорганизм по данному изобретению может быть производным от любого рода или вида, указанного в таблице выше.In a broader sense, the microorganism according to this invention may be derived from any genus or species listed in the table above.

В предпочтительном варианте осуществления данного изобретения микроорганизм по данному изобретению является производным от группы Clostridia, содержащий вид Clostridium autoethanogenum, Clostridium ljungdahlii и Clostridium ragsdalei. Эти виды были впервые описаны и охарактеризованы Abrini, Arch. Microbiol., 161: 345-351, 1994(Clostridium autoethanogenum), Tanner, Int. J. System Bacteriol., 43:232-236, 1993 (Clostridium ljungdahlii), и Huhnke, WO 2008/028055 (Clostridium ragsdalei).In a preferred embodiment of the present invention, the microorganism of the present invention is derived from the Clostridia group, comprising the species Clostridium autoethanogenum, Clostridium ljungdahlii and Clostridium ragsdalei. These species were first described and characterized by Abrini, Arch. Microbiol., 161: 345-351, 1994 (Clostridium autoethanogenum), Tanner, Int. J. System Bacteriol., 43:232-236, 1993 (Clostridium ljungdahlii), and Huhnke, WO 2008/028055 (Clostridium ragsdalei).

Эти три вида имеют много общих характеристик. В частности, все эти виды являются С1-фиксирующими анаэробными, ацетогенными, этанологенными и карбоксидотрофными представителями рода Clostridium. Эти виды имеют сходные генотипы и фенотипы, а также пути сохранения энергии и ферментативного метаболизма. Более того, эти виды группируются в группу I гомологии клостриальной рРНК с ДНК 16S рРНК, которая является более чем на 99% идентичной, имеют показатель содержания ДНК G+С, составляющий 22-30 мол.%, являются грамположительными, имеют сходную морфологию и размер (логарифмический рост клеток между 0,5-0,7х3- мкм), являются мезофильными (оптимально растут при 30-37°С), имеют сходные диапазоны рН 4-7,5 (с оптимальным рН 5,5-6), не содержат цитохромов и сохраняют энергию посредством комплекса Rnf. Кроме того, для этих видов было доказано восстановление карбоновых кислот до их соответствующих спиртов (Perez, Biotechnol. Bioeng., 110:1066-1077, 2012). Важно отметить, что эти виды также демонстрируют сильный автотрофный рост на СО-содержащих газах, продуцируют этанол и ацетат (или уксусную кислоту) в качестве основных продуктов ферментации, а при определенных условиях продуцируют небольшие количества 2,3-бутандиола и молочной кислоты.These three species share many common characteristics. In particular, all these species are C1-fixing anaerobic, acetogenic, ethanologenic, and carboxydotrophic members of the Clostridium genus. These species share similar genotypes and phenotypes, as well as energy conservation pathways and enzymatic metabolism. Moreover, these species are grouped into group I clostrial rRNA homology with 16S rRNA DNA that is more than 99% identical, have a G+C DNA content of 22-30 mole %, are Gram positive, have similar morphology and size. (logarithmic cell growth between 0.5-0.7x3-µm), are mesophilic (grow optimally at 30-37°C), have similar pH ranges of 4-7.5 (with an optimal pH of 5.5-6), do not contain cytochromes and store energy through the Rnf complex. In addition, reduction of carboxylic acids to their respective alcohols has been proven for these species (Perez, Biotechnol. Bioeng., 110:1066-1077, 2012). Importantly, these species also show strong autotrophic growth on CO-containing gases, produce ethanol and acetate (or acetic acid) as the main fermentation products, and under certain conditions produce small amounts of 2,3-butanediol and lactic acid.

Однако эти три вида также имеют ряд отличий. Эти виды были выделены из разных источников: Clostridium autoethanogenum - из кишечника кролика, Clostridium ljungdahlii - из мусора двора для кур, a Clostridium ragsdalei - из осадка пресноводного водоема. Эти виды отличаются использованием различных сахаров (например, рамнозы, арабинозы), кислот (например, глюконата, цитрата), аминокислот (например, аргинина, гистидина) и других субстратов (например, бетаина, бутанола). Более того, эти виды отличаются ауксотрофией относительно некоторых витаминов (например, тиамина, биотина). Эти виды имеют различия в нуклеиновых и аминокислотных последовательностях генов и белков пути Вуда-Льюнгдаля, хотя общая организация и количество этих генов и белков оказались одинаковыми у всех видов Корке, Curr. Opin. Biotechnol., 22:320-325, 2011).However, these three types also have a number of differences. These species have been isolated from various sources: Clostridium autoethanogenum from rabbit intestines, Clostridium ljungdahlii from chicken yard garbage, and Clostridium ragsdalei from freshwater pond sediment. These species differ in the use of various sugars (eg rhamnose, arabinose), acids (eg gluconate, citrate), amino acids (eg arginine, histidine) and other substrates (eg betaine, butanol). Moreover, these species differ in auxotrophy with respect to some vitamins (eg, thiamine, biotin). These species have differences in the nucleic and amino acid sequences of the genes and proteins of the Wood-Ljungdahl pathway, although the general organization and number of these genes and proteins turned out to be the same in all species of Korke, Curr. Opin. Biotechnol., 22:320-325, 2011).

Таким образом, в целом многие характеристики Clostridium autoethanogenum, Clostridium ljungdahlii или Clostridium ragsdalei не являются специфическими для этого вида, но являются довольно общими характеристиками для этого кластера С1-фиксирующих, анаэробных, ацетогенных, этанологенных и карбоксидотрофных представителей рода Clostridium. Однако, поскольку эти виды являются по сути различными, генетическая модификация или манипуляция одним из этих видов может не иметь одинакового эффекта у другого из этих видов. Например, могут наблюдаться различия в росте, функциональности или продуцировании продукта.Thus, in general, many characteristics of Clostridium autoethanogenum, Clostridium ljungdahlii, or Clostridium ragsdalei are not specific to this species, but are rather general characteristics for this cluster of C1-fixing, anaerobic, acetogenic, ethanologenic, and carboxydotrophic members of the genus Clostridium. However, since these species are inherently different, genetic modification or manipulation of one of these species may not have the same effect in another of these species. For example, there may be differences in growth, functionality, or production of the product.

Микроорганизм по данному изобретению также может быть производным от изолята или мутанта Clostridium autoethanogenum, Clostridium ljungdahlii или Clostridium ragsdalei, изоляты и мутанты Clostridium autoethanogenum включают в себя JA1-1 (DSM10061) (Abrini, Arch. Microbiol., 161:345-351, 1994),The microorganism of this invention may also be derived from an isolate or mutant of Clostridium autoethanogenum, Clostridium ljungdahlii or Clostridium ragsdalei, isolates and mutants of Clostridium autoethanogenum include JA1-1 (DSM10061) (Abrini, Arch. Microbiol., 161:345-351, 1994 ),

- 9 040778- 9 040778

LBS1560 (DSM19630) (WO 2009/064200) и LZ1561 (DSM23693). Изоляты и мутанты Clostridium ljungdahlii включают в себя АТСС 49587 (Tanner, Int. J. Syst. Bacteriol., 43:232-236, 1993), PETCT (DSM13528, ATCC 55383), ERI-2 (ATCC 55380) (US 5593886), C-01 (ATCC 55988) (US 6368819), O-52 (ATCC 55989) (US 6368819) и OTA-1 (Tirado-Acevedo, Продуцирование биоэтанола из синтез-газа с применением Clostridium ljungdahlii, диссертация на соискание научной степени кандидата наук, Государственный университет Северной Каролины, 2010). Изоляты и мутанты Clostridium ragsdalei включают в себя PI 1 (ATCC BAA-622, ATCC PTA-7826) (WO 2008/028055).LBS1560 (DSM19630) (WO 2009/064200) and LZ1561 (DSM23693). Clostridium ljungdahlii isolates and mutants include ATCC 49587 (Tanner, Int. J. Syst. Bacteriol., 43:232-236, 1993), PETCT (DSM13528, ATCC 55383), ERI-2 (ATCC 55380) (US 5593886) , C-01 (ATCC 55988) (US 6368819), O-52 (ATCC 55989) (US 6368819) and OTA-1 (Tirado-Acevedo, Bioethanol production from synthesis gas using Clostridium ljungdahlii, PhD thesis Sciences, North Carolina State University, 2010). Clostridium ragsdalei isolates and mutants include PI 1 (ATCC BAA-622, ATCC PTA-7826) (WO 2008/028055).

Субстрат относится к углероду и/или источнику энергии для микроорганизма по данному изобретению. Как правило, субстрат является газообразным и содержит источник С1-углерода, например СО, СО2 и/или СН4. Предпочтительно субстрат содержит источник С1-углерода или СО+СО2. Субстрат может дополнительно содержать другие не углеродные компоненты, такие как Н2, N2, или электроны.The substrate refers to carbon and/or energy source for the microorganism according to this invention. Typically, the substrate is gaseous and contains a source of C1 carbon, such as CO, CO 2 and/or CH 4 . Preferably the substrate contains a source of C1-carbon or CO+CO2. The substrate may additionally contain other non-carbon components such as H 2 , N 2 , or electrons.

Как правило, субстрат содержит по меньшей мере некоторое количество СО, такое как 1, 2, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 или 100 мол.% СО. Субстрат может содержать диапазон СО, такой как 20-80, 30-70 или 40-60 мол.% СО. Предпочтительно субстрат содержит 40-70 мол.% СО (например, газ для сталеплавления или доменный газ), 20-30 мол.% СО (например, газ для основной сталеплавильной печи с подачей кислорода) или 15-45 мол.% СО (например, синтез-газ). В некоторых вариантах осуществления данного изобретения субстрат может содержать относительно низкое количество СО, такое как 1-10 или 1-20 мол.% СО. Как правило, микроорганизм по данному изобретению превращает по меньшей мере часть СО в субстрате в продукт. В некоторых вариантах осуществления данного изобретения субстрат не содержит или по существу не содержит (< 1 мол.%) СО.Typically, the substrate contains at least some CO, such as 1, 2, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, or 100 mole % CO. The substrate may contain a CO range such as 20-80, 30-70 or 40-60 mole % CO. Preferably, the substrate contains 40-70 mol% CO (for example, steelmaking gas or blast furnace gas), 20-30 mol.% CO (for example, gas for the main oxygen-fed steelmaking furnace), or 15-45 mol.% CO (for example , synthesis gas). In some embodiments, implementation of this invention, the substrate may contain a relatively low amount of CO, such as 1-10 or 1-20 mol.% CO. Typically, the microorganism of the invention converts at least a portion of the CO in the substrate to a product. In some embodiments, implementation of this invention, the substrate does not contain or essentially does not contain (< 1 mol.%) CO.

Субстрат может содержать некоторое количество Н2. Например, субстрат может содержать 1, 2, 5, 10, 15, 20 или 30 мол.% Н2. В некоторых вариантах осуществления данного изобретения субстрат может содержать относительно высокое количество Н2, например 60, 70, 80 или 90 мол.% Н2. В дополнительных вариантах осуществления данного изобретения субстрат не содержит или по существу не содержит (<1 мол.%) Н2.The substrate may contain some H 2 . For example, the substrate may contain 1, 2, 5, 10, 15, 20, or 30 mole % H 2 . In some embodiments of this invention, the substrate may contain a relatively high amount of H 2 , such as 60, 70, 80 or 90 mol.% H 2 . In additional embodiments of this invention, the substrate does not contain or essentially does not contain (<1 mol.%) N 2 .

Субстрат может содержать некоторое количество СО2. Например, субстрат может содержать 1-80 или 1-30 мол.% СО2. В некоторых вариантах осуществления данного изобретения субстрат может содержать менее 20, 15, 10 или 5 мол.% СО2. В другом варианте осуществления данного изобретения субстрат не содержит или по существу не содержит (< 1 мол.%) СО2.The substrate may contain some CO2. For example, the substrate may contain 1-80 or 1-30 mol.% CO 2 . In some embodiments of this invention, the substrate may contain less than 20, 15, 10 or 5 mol.% CO 2 . In another embodiment of this invention, the substrate does not contain or essentially does not contain (< 1 mol.%) CO 2 .

Несмотря на то что субстрат обычно является газообразным, субстрат также может быть предложен в альтернативных формах. Например, субстрат может быть растворен в жидкости, насыщенной СО-содержащим газом, с помощью генератора микропузырьковой дисперсии. В качестве дополнительного примера субстрат может быть адсорбирован на твердой подложке.While the substrate is typically gaseous, the substrate can also be provided in alternative forms. For example, the substrate can be dissolved in a liquid saturated with CO-containing gas using a microbubble dispersion generator. As a further example, the substrate may be adsorbed onto a solid support.

Субстратом и/или источником С1-углерода может быть отработанный газ, полученный в качестве побочного продукта промышленного процесса или полученный из какого-либо другого источника, например из автомобильных выхлопных газов или газификации биомассы. В некоторых вариантах осуществления данного изобретения промышленный процесс выбирают из группы, состоящей из производства изделий из черных металлов, например, сталелитейного производства, производства цветных металлов, процессов переработки нефти, газификации угля, производства электроэнергии, производства углеродной сажи, производства аммиака, производства метанола и производства кокса. В этих вариантах осуществления данного изобретения субстрат и/или источник С1-углерода может быть отобран из промышленного процесса до его выброса в атмосферу с помощью любого удобного способа.The substrate and/or source of the C1 carbon may be an exhaust gas obtained as a by-product of an industrial process or obtained from some other source, such as from automobile exhaust or biomass gasification. In some embodiments of this invention, the industrial process is selected from the group consisting of the production of ferrous metal products, for example, steel production, non-ferrous metal production, oil refining processes, coal gasification, power generation, carbon black production, ammonia production, methanol production, and coke. In these embodiments, implementation of the present invention, the substrate and/or source of C1-carbon can be removed from the industrial process prior to its release into the atmosphere using any convenient method.

Субстратом и/или источником С1-углерода может быть синтез-газ, такой как синтез-газ, полученный путем газификации угля или остатков процесса нефтепереработки, газификации биомассы или лигноцеллюлозного материала, или риформинга природного газа. В другом варианте осуществления данного изобретения синтез-газ может быть получен из газификации бытовых твердых отходов или промышленных твердых отходов.The substrate and/or source of the C1 carbon can be a synthesis gas, such as synthesis gas obtained from gasification of coal or refining process residues, gasification of biomass or lignocellulosic material, or reforming of natural gas. In another embodiment of the present invention, synthesis gas can be obtained from the gasification of municipal solid waste or industrial solid waste.

Композиция субстрата может оказать значительное влияние на эффективность и/или стоимость реакции. Например, присутствие кислорода (O2) может снизить эффективность анаэробного ферментационного процесса. В зависимости от композиции субстрата, может оказаться желательным обработать, почистить или отфильтровать субстрат для удаления любых нежелательных примесей, таких как токсины, нежелательных компонентов или пылевых частиц, и/или увеличить концентрацию желаемых компонентов.The composition of the substrate can have a significant impact on the efficiency and/or cost of the reaction. For example, the presence of oxygen (O2) can reduce the efficiency of an anaerobic fermentation process. Depending on the composition of the substrate, it may be desirable to treat, clean or filter the substrate to remove any undesirable contaminants such as toxins, undesirable components or dust particles and/or increase the concentration of the desired components.

Микроорганизм по данному изобретению может быть культивирован для продуцирования одного или большего количества продуктов. Например, Clostridium autoethanogenum продуцирует или может быть сконструирована для продуцирования этанола (WO 2007/117157), ацетата (WO 2007/117157), бутанола (WO 2008/115080 и WO 2012/053905), бутирата (WO 2008/115080), 2,3-бутандиола (WO 2009/151342), лактата (WO 2011/112103), бутена (WO 2012/024522), бутадиена (WO 2012/024522), метилэтилкетона (2-бутанона) (WO 2012/024522 и WO (WO 2012/026833), ацетона (WO 2012/115527), изопропанола (WO 2012/115527), липидов (WO 2013/036147), 3-гидроксипропионата (3-НР) (WO 2013/180581), изопрена (WO 2013/180584), жирных кислот (WO 2013/191567), 2-бутанола (WO 2013/185123), 1,2-пропандиолаThe microorganism of this invention may be cultured to produce one or more products. For example, Clostridium autoethanogenum produces or can be engineered to produce ethanol (WO 2007/117157), acetate (WO 2007/117157), butanol (WO 2008/115080 and WO 2012/053905), butyrate (WO 2008/115080), 2, 3-butanediol (WO 2009/151342), lactate (WO 2011/112103), butene (WO 2012/024522), butadiene (WO 2012/024522), methyl ethyl ketone (2-butanone) (WO 2012/024522 and WO (WO 2012 /026833), acetone (WO 2012/115527), isopropanol (WO 2012/115527), lipids (WO 2013/036147), 3-hydroxypropionate (3-HP) (WO 2013/180581), isoprene (WO 2013/180584) , fatty acids (WO 2013/191567), 2-butanol (WO 2013/185123), 1,2-propanediol

- 10 040778 (WO 2014/0369152) и 1-пропанола (WO 2014/0369152). В дополнение к одному или большему количеству целевых продуктов микроорганизм по данному изобретению может также продуцировать этанол, ацетат и/или 2,3-бутандиол. В некоторых вариантах осуществления данного изобретения микробная биомасса сама по себе может считаться продуктом.- 10 040778 (WO 2014/0369152) and 1-propanol (WO 2014/0369152). In addition to one or more target products, the microorganism of this invention may also produce ethanol, acetate and/or 2,3-butanediol. In some embodiments of this invention, the microbial biomass itself may be considered a product.

Нативный продукт представляет собой продукт, который продуцируется генетически немодифицированным микроорганизмом. Например, этанол, ацетат и 2,3-бутандиол являются нативными продуктами Clostridium autoethanogenum, Clostridium ljungdahlii и Clostridium ragsdalei. Ненативный продукт представляет собой продукт, который продуцируется генетически модифицированным микроорганизмом, но не продуцируется генетически немодифицированным микроорганизмом, из которого получен генетически модифицированный микроорганизм.A native product is a product that is produced by a non-genetically modified microorganism. For example, ethanol, acetate and 2,3-butanediol are native products of Clostridium autoethanogenum, Clostridium ljungdahlii and Clostridium ragsdalei. A non-native product is a product that is produced by a genetically modified microorganism but not produced by the non-genetically modified microorganism from which the genetically modified microorganism is derived.

Селективность относится к соотношению продуцирования целевого продукта к продуцированию всех продуктов ферментации, которые продуцируются микроорганизмом. Микроорганизм по данному изобретению может быть сконструирован для продуцирования продуктов с определенной селективностью или с минимальной селективностью. В одном варианте осуществления данного изобретения целевой продукт составляет по меньшей мере 5, 10, 15, 20, 30, 50 или 75% всех продуктов ферментации, продуцируемых микроорганизмом по данному изобретению. В одном варианте осуществления данного изобретения целевой продукт составляет по меньшей мере 10% всех продуктов ферментации, продуцируемых микроорганизмом по данному изобретению, вследствие чего микроорганизм по данному изобретению имеет селективность для целевого продукта по меньшей мере 10%. В другом варианте осуществления данного изобретения целевой продукт составляет по меньшей мере 30% всех продуктов ферментации, продуцируемых микроорганизмом по данному изобретению, вследствие чего микроорганизм по данному изобретению имеет селективность для целевого продукта по меньшей мере 30%.Selectivity refers to the ratio of the production of the desired product to the production of all fermentation products that are produced by the microorganism. The microorganism of this invention can be designed to produce products with a certain selectivity or with a minimum selectivity. In one embodiment of this invention, the target product is at least 5, 10, 15, 20, 30, 50 or 75% of all fermentation products produced by the microorganism according to this invention. In one embodiment of this invention, the target product is at least 10% of all fermentation products produced by the microorganism of this invention, whereby the microorganism of this invention has a selectivity for the target product of at least 10%. In another embodiment of this invention, the target product is at least 30% of all fermentation products produced by the microorganism of this invention, whereby the microorganism of this invention has a selectivity for the target product of at least 30%.

Термины повышение эффективности, повышенная эффективности и т.п. включают в себя, но не ограничиваются ими, увеличение удельной скорости роста, скорости продуцирования или объема продукта, объема продукта на объем потребляемого субстрата или селективности продукта. Эффективность можно измерить относительно характеристик родительского микроорганизма, из которого получен микроорганизм по данному изобретению.Terms efficiency improvement, efficiency improvement, etc. include, but are not limited to, increasing specific growth rate, production rate or product volume, product volume per volume of substrate consumed, or product selectivity. Efficacy can be measured relative to the characteristics of the parent microorganism from which the microorganism of the present invention is derived.

Термины продуктивность или скорость продуцирования представляют собой объемный выход продукта. В непрерывных системах объемный выход продукта рассчитывается как отношение концентрации стационарного состояния продукта и времени отстаивания жидкости. В периодических системах объемный выход продукта рассчитывается как концентрация и время, необходимые для получения указанной концентрации в периодической системе. Объемный выход продукта регистрировали как г/л/сут.The terms productivity or production rate represent the volumetric yield of the product. In continuous systems, the volumetric yield of the product is calculated as the ratio of the steady state concentration of the product and the settling time of the liquid. In batch systems, the volumetric yield of the product is calculated as the concentration and time required to obtain the specified concentration in the batch system. The volumetric yield of the product was recorded as g/l/day.

Как правило, культивирование осуществляли в биореакторе. Термин биореактор включает в себя устройство для культивирования/ферментации, состоящее из одного или большего количества сосудов, стоек или системы трубок, например, проточный химический реактор с мешалкой (ПХМР), реактор иммобилизованных клеток (РИК), реактор с орошаемым слоем (РОС), барботажная колонна, газлифтный ферментер, статический смеситель или другой сосуд или другое устройство, подходящее для контакта газ-жидкость. В некоторых вариантах осуществления данного изобретения биореактор может содержать первый реактор роста и второй реактор культивирования/ферментации. Субстрат может помещен в один или оба из этих реакторов. В данном контексте термины культивирование и ферментация применяются взаимозаменяемо. Эти термины охватывают как фазу роста, так и фазу биосинтеза продукта в процессе культивирования/ферментации.As a rule, the cultivation was carried out in a bioreactor. The term bioreactor includes a culture/fermentation device consisting of one or more vessels, racks, or tubing, e.g., agitated flow chemical reactor (FCRM), immobilized cell reactor (ICR), trickle bed reactor (ROS), bubble column, gas lift fermenter, static mixer, or other vessel or other device suitable for gas-liquid contact. In some embodiments of this invention, the bioreactor may comprise a first growth reactor and a second culture/fermentation reactor. The substrate may be placed in one or both of these reactors. In this context, the terms cultivation and fermentation are used interchangeably. These terms cover both the growth phase and the biosynthetic phase of the product during cultivation/fermentation.

Как правило, культуру обычно поддерживают в водной культуральной среде, которая содержит питательные вещества, витамины и/или минералы, необходимые для роста определенного микроорганизма. Предпочтительно водная культуральная среда представляет собой анаэробную среду для микробного роста, такую как минимальная анаэробная среда для микробного роста. Подходящие среды хорошо известны в данной области техники.Typically, the culture is usually maintained in an aqueous culture medium that contains the nutrients, vitamins and/or minerals necessary for the growth of the particular microorganism. Preferably, the aqueous culture medium is an anaerobic microbial growth medium, such as minimal anaerobic microbial growth medium. Suitable media are well known in the art.

Культивирование/ферментацию желательно проводить в подходящих условиях для продуцирования целевого продукта. Как правило, культивирование/ферментацию проводят в анаэробных условиях. Рассматриваемые условия реакции включают в себя давление (или парциальное давление), температуру, расход газа, скорость потока жидкости, рН среды, окислительно-восстановительный потенциал среды, скорость перемешивания (при применении проточного химического реактора с мешалкой), уровень инокулята, максимальные концентрации газового субстрата для обеспечения того, что газ в жидкой фазе не становится предельным, а также максимальные концентрации продукта во избежание ингибирования продукта. В частности, скорость введения субстрата может контролироваться для обеспечения того, что концентрация газа в жидкой фазе не станет предельной, поскольку продукты могут потребляться культурой в условиях предельного газа.Cultivation/fermentation is preferably carried out under suitable conditions for the production of the desired product. As a rule, cultivation/fermentation is carried out under anaerobic conditions. Reaction conditions considered include pressure (or partial pressure), temperature, gas flow rate, liquid flow rate, pH of the medium, redox potential of the medium, agitation rate (when using a stirred flow chemical reactor), inoculum level, maximum gas substrate concentrations to ensure that gas in the liquid phase does not become limiting, as well as maximum product concentrations to avoid product inhibition. In particular, the rate of introduction of the substrate can be controlled to ensure that the concentration of gas in the liquid phase does not become limiting, since the products can be consumed by the culture under gas limit conditions.

Эксплуатация биореактора при повышенных показателях давления позволяет увеличить скорость переноса газовой массы из газовой фазы в жидкую фазу. Соответственно, как правило, предпочтительно осуществлять культивирование/ферментацию при показателях давления выше атмосферного. Кроме того, поскольку данная скорость конверсии газа частично зависит от времени удерживания субстрата, а время удерживания определяет требуемый объем биореактора, применение систем под давлением можетThe operation of the bioreactor at elevated pressures makes it possible to increase the rate of transfer of the gas mass from the gas phase to the liquid phase. Accordingly, it is generally preferred to carry out the culture/fermentation at a pressure above atmospheric pressure. In addition, since this gas conversion rate depends in part on the retention time of the substrate, and the retention time determines the required volume of the bioreactor, the use of pressurized systems can

- 11 040778 значительно уменьшить объем необходимого биореактора и, следовательно, снизить капитальные затраты на оборудование для культивирования/ферментации. Это, в свою очередь, означает, что время удерживания, определяемое как объем жидкости в биореакторе, деленное на скорость потока входного газа, может быть уменьшено, когда биореакторы поддерживаются при повышенном давлении, а не при атмосферном давлении.- 11 040778 significantly reduce the volume of the required bioreactor and, therefore, reduce the capital cost of equipment for cultivation/fermentation. This in turn means that the retention time, defined as the volume of liquid in the bioreactor divided by the inlet gas flow rate, can be reduced when the bioreactors are maintained at elevated pressure rather than at atmospheric pressure.

Оптимальные условия реакции будут частично зависеть от конкретного применяемого микроорганизма. Однако в целом предпочтительнее управлять ферментацией при давлении выше атмосферного. Кроме того, поскольку данная скорость конверсии газа частично зависит от времени удерживания субстрата, а достижение желаемого времени удерживания, в свою очередь, определяет требуемый объем биореактора, применение систем под давлением может значительно уменьшить объем необходимого биореактора и, следовательно, снизить капитальные затраты на оборудование для ферментации.Optimum reaction conditions will depend in part on the particular microorganism used. However, in general, it is preferable to control the fermentation at a pressure above atmospheric pressure. In addition, since this gas conversion rate depends in part on the retention time of the substrate, and achieving the desired retention time in turn determines the volume of bioreactor required, the use of pressurized systems can significantly reduce the volume of bioreactor required and therefore reduce the capital cost of equipment for fermentation.

Целевые продукты могут быть отделены или очищены от ферментационной среды с помощью любого способа или комбинации способов, известных в данной области техники, включая, например, фракционную перегонку, испарение, испарение через полупроницаемую мембрану, отдувку газом, разделение фаз и экстракционную ферментацию, включая, например, экстракция жидкости жидкостью. В некоторых вариантах осуществления данного изобретения целевые продукты извлекают из ферментационной среды путем непрерывного удаления части среды из биореактора, отделения микробиологических клеток от среды (удобно путем фильтрации) и извлечения одного или большего количества целевых продуктов из среды. Спирты и/или ацетон можно извлечь, например, путем перегонки. Кислоты можно извлечь, например, путем адсорбции на активированном угле. Отдельные микробные клетки предпочтительно возвращают в биореактор. Не содержащий клеток пермеат, оставшийся после удаления целевых продуктов, также предпочтительно возвращают в биореактор. Дополнительные питательные вещества (такие как витамины группы В) можно добавить в пермеат, не содержащий клеток, для пополнения среды до ее возвращения в биореактор.Target products can be separated or purified from the fermentation medium using any method or combination of methods known in the art, including, for example, fractional distillation, evaporation, evaporation through a semi-permeable membrane, stripping gas, phase separation and extraction fermentation, including, for example , liquid-liquid extraction. In some embodiments of this invention, the target products are recovered from the fermentation medium by continuously removing a portion of the medium from the bioreactor, separating the microbiological cells from the medium (conveniently by filtration), and recovering one or more target products from the medium. Alcohols and/or acetone can be recovered, for example, by distillation. Acids can be recovered, for example, by adsorption on activated carbon. Individual microbial cells are preferably returned to the bioreactor. The cell-free permeate remaining after removal of the desired products is also preferably returned to the bioreactor. Additional nutrients (such as B vitamins) can be added to the cell-free permeate to replenish the medium before it is returned to the bioreactor.

Термин кислота, кислоты и т.п., когда речь идет о добавлении кислоты в культуру или биореактор в соответствии с данным изобретением, широко применяется в данном документе и включает в себя любые монокарбоновые и дикарбоновые кислоты. Поэтому ссылку на добавление или продуцирование эквивалентных следует применять для включения ссылки на кислоту или смесь. Например, ссылку на термин ацетат следует применять, чтобы включить уксусную кислоту и наоборот. Отношение молекулярной кислоты к карбоксилату в ферментационной среде зависит от рН системы. Примеры кислот включают в себя уксусную кислоту, пропионовую кислоту, n-масляную кислоту, n-пентановую кислоту, n-гексановую кислоту и бензойную кислоту.The term acid, acids, etc., when referring to the addition of acid to a culture or bioreactor in accordance with this invention, is widely used in this document and includes any monocarboxylic and dicarboxylic acids. Therefore, reference to the addition or production of equivalents should be used to include reference to the acid or mixture. For example, reference to the term acetate should be used to include acetic acid and vice versa. The ratio of molecular acid to carboxylate in the fermentation medium depends on the pH of the system. Examples of acids include acetic acid, propionic acid, n-butyric acid, n-pentanoic acid, n-hexanoic acid, and benzoic acid.

В настоящем изобретении предлагаются способы повышения эффективности ферментации. Авторы изобретения обнаружили, что добавление определенных аминокислот в количестве, превышающем потребности клеток к микробной культуре, оказывает существенное влияние на рост культуры. Кроме того, авторы изобретения указали, что это избыточное добавление аминокислот позволяет увеличить продукцию продуктов ферментации, особенно продуктов ферментации с высокими потребностями в энергии/АТФ.The present invention provides methods for improving fermentation efficiency. The inventors have found that the addition of certain amino acids in excess of the requirements of the cells to the microbial culture has a significant effect on the growth of the culture. In addition, the inventors have indicated that this excess addition of amino acids makes it possible to increase the production of fermentation products, especially fermentation products with high energy/ATP requirements.

В настоящем изобретении предлагаются способы повышения эффективности ферментации. Авторы изобретения обнаружили, что добавление аргинина в количестве, превышающем потребности клеток к микробной культуре, оказывает существенное влияние на рост культуры. Кроме того, авторы изобретения указали, что это избыточное добавление аргинина позволяет увеличить продукцию продуктов ферментации, особенно продуктов ферментации с высокими потребностями в энергии/АТФ.The present invention provides methods for improving fermentation efficiency. The inventors have found that the addition of arginine in an amount exceeding the requirements of the cells to the microbial culture has a significant effect on the growth of the culture. In addition, the inventors have indicated that this excess addition of arginine makes it possible to increase the production of fermentation products, especially fermentation products with high energy/ATP requirements.

Не желая быть связанными теорией, полагают, что эффект повышения скорости роста при добавлении аргинина является результатом продукции АТФ при катаболизме аргинина микроорганизмом. Аргинин катаболизируется либо по пути аргининдезиминазы (ADI), либо по пути аргининдекарбоксилазы.Without wishing to be bound by theory, it is believed that the growth rate enhancing effect of arginine supplementation is the result of ATP production from the catabolism of arginine by the microorganism. Arginine is catabolized by either the arginine deiminase (ADI) pathway or the arginine decarboxylase pathway.

Катаболизм аргинина посредством аргининдезиминазы происходит по следующему механизму:Arginine is catabolized by arginine deiminase by the following mechanism:

Ьаргинин^- X .......................Xg1 Л Arginine ^- X ............... Xg 1 L

Н2о аммоний Фосфат L-оринитин АДФ Аммоний н* АТФH 2 o ammonium Phosphate L-orinitine ADP Ammonium n * ATP

Катаболизм аргинина по пути ADI приводит к продуцированию аммония, СО2 и АТФ.The catabolism of arginine via the ADI pathway leads to the production of ammonium, CO2 and ATP.

Катаболизм аргинина по пути аргининдекарбоксилазы происходит по следующему механизму:The catabolism of arginine along the arginine decarboxylase pathway occurs according to the following mechanism:

Аргининдекарб . оксидазаArginindecarb. oxidase

Предполагаемая агматиндезиминазаPutative agmatine deiminase

Путресцинкарбамо илтрансферазаPutrescincarbamoyltransferase

... |Карбамои ✓''‘“’SG * лфосфат speA aguA и ίο Л 3.5.5.12 N-Карбамо... | Carbamos ✓'''''SG * lphosphate speA aguA and ίο L 3.5.5.12 N-Carbamo

L-аргинин Агматин илпутресцин L-Arginine Agmatine Ilputrescine

АммонийAmmonium

Н·N

Фосфат ПутресцинМДФ^ Карбама ткиназаPhosphate PutrescineMDF^ Carbama kinase

Аммоний АТФ со.Ammonium ATP co.

2.7.2.22.7.2.2

Полученная в результате катаболизма аргинина продукция АТФ позволяет увеличить профиль рос та микроорганизма.The production of ATP obtained as a result of arginine catabolism makes it possible to increase the growth profile of the microorganism.

- 12 040778- 12 040778

Не желая быть связанными теорией, авторы полагают, что хотя катаболизм аргинина обеспечивает потребности микроорганизма в АТФ для своего роста, аргинин не используется в качестве источника углерода микроорганизмом, скорее используемый источник углерода является углеродным компонентом С1-содержащего газа.Without wishing to be bound by theory, the authors believe that while arginine catabolism provides the microorganism's ATP requirement for its growth, arginine is not used as a carbon source by the microorganism, rather the carbon source used is the carbon component of the C1-containing gas.

Способы микробной ферментации С1-содержащих газообразных субстратов для получения продуктов, таких как этанол и ацетат, широко известны в данной области техники. Такие способы обеспечивают средство для продуцирования коммерчески выгодных видов топлива из газов промышленных отходов, содержащих источники углерода С1. Как правило, эти процессы обычно включают подачу газообразного субстрата, содержащего, например, СО, в биореактор, содержащий культуру по меньшей мере одного ацетогенного карбоксидотрофного микроорганизма в жидкой питательной среде. Газообразный субстрат подвергают анаэробной ферментации с целью продуцирования спиртов, кислот и их смесей. Жидкая питательная среда, применяемая в биореакторе, как правило, содержит различные питательные вещества, которые поддерживают рост по меньшей мере одного ацетогенного карбоксидотрофного микроорганизма и используются в метаболических путях одного или большего количества микроорганизмов для продуцирования спиртов. Примеры таких питательных веществ включают в себя MgCl, CaCl, KCl, Н3РО4, Fe, Ni, Zn, Mn, B, W, Se и т.д.Methods for microbial fermentation of C1 containing gaseous substrates to produce products such as ethanol and acetate are widely known in the art. Such methods provide a means for producing commercially viable fuels from industrial waste gases containing C1 carbon sources. Typically, these processes typically involve feeding a gaseous substrate containing, for example, CO2 into a bioreactor containing a culture of at least one acetogenic carboxydotrophic microorganism in a liquid nutrient medium. The gaseous substrate is subjected to anaerobic fermentation to produce alcohols, acids and mixtures thereof. The liquid nutrient medium used in the bioreactor typically contains various nutrients that support the growth of at least one acetogenic carboxydotrophic microorganism and are used in the metabolic pathways of one or more microorganisms to produce alcohols. Examples of such nutrients include MgCl, CaCl, KCl, H 3 PO 4 , Fe, Ni, Zn, Mn, B, W, Se, etc.

Также известно, что штаммы Clostridium могут быть генетически модифицированы с целью обеспечения продуцирования ряда других полезных продуктов, включая сукцинат, метилэтилкетон (MEK), 2-бутанол, пропандиол, 2-пропанол, изопропанол, изопрен, ацетоин, изобутанол, цитрамалат, бутадиен, а также полимолочную кислоту, ацетон, бутанол, изобутилен, 3-гидроксипропионат (3НР) и жирные кислоты.It is also known that Clostridium strains can be genetically engineered to produce a number of other beneficial products, including succinate, methyl ethyl ketone (MEK), 2-butanol, propanediol, 2-propanol, isopropanol, isoprene, acetoin, isobutanol, citramalate, butadiene, and also polylactic acid, acetone, butanol, isobutylene, 3-hydroxypropionate (3HP) and fatty acids.

Неожиданно авторами был обнаружен тот факт, что увеличение концентрации аргинина, добавляемого в микробную культуру, повышает профиль роста микроорганизма и увеличивает количество АТФ-емких продуктов, которые могут продуцироваться указанной культурой.Unexpectedly, the authors found the fact that increasing the concentration of arginine added to the microbial culture, increases the growth profile of the microorganism and increases the amount of ATP-rich products that can be produced by this culture.

Один из вариантов осуществления данного изобретения включает в себя добавление в жидкую питательную среду аргинина, при этом количество аргинина, содержащегося в жидкой питательной среде, превышает потребности клетки С1-фиксирующего микроорганизма. Добавление аргинина в количестве, превышающем потребности клетки С1-фиксирующего микроорганизма, приводит к увеличению удельной скорости роста микробной культуры. В некоторых вариантах осуществления данного изобретения удельная скорость роста С1-фиксирующего микроорганизма увеличивается по меньшей мере на 10%, или по меньшей мере на 20%, или по меньшей мере на 30%, или по меньшей мере на 40%, или по меньшей мере на 50%, или по меньшей мере на 60%, или по меньшей мере на 70% по сравнению с микроорганизмом без избытка аргинина.One of the embodiments of the present invention includes adding arginine to the liquid nutrient medium, while the amount of arginine contained in the liquid nutrient medium exceeds the requirements of the C1-fixing microorganism cell. The addition of arginine in an amount exceeding the needs of the cell of the C1-fixing microorganism leads to an increase in the specific growth rate of the microbial culture. In some embodiments of the present invention, the specific growth rate of the C1-fixing microorganism is increased by at least 10%, or at least 20%, or at least 30%, or at least 40%, or at least 50%, or at least 60%, or at least 70% compared to the microorganism without excess arginine.

Потребность в аргинина клеток микроорганизма можно оценить путем определения аминокислотного состава биомассы после гидролиза биомассы и анализа аминокислот.The need for arginine of microorganism cells can be estimated by determining the amino acid composition of the biomass after hydrolysis of the biomass and analyzing the amino acids.

Было продемонстрировано, что при увеличении концентрации аргинина в жидких питательных средах от концентрации, эквивалентной потребности клеток, до концентрации, превышающей 1000 раз (или более) потребности для синтезе биомассы, время удвоения микроорганизма уменьшалось. В некоторых вариантах осуществления данного изобретения время удвоения культуры, получаемое при избытке аргинина, уменьшалось до 3,5 ч по сравнению с временем удвоения в 7,3 ч в культуре без избытка аргинина. Не желая быть связанными теорией, авторы также полагают, что увеличение концентрации аргинина в 2-80 раз (или более) выше потребности клеток повышает объем выхода АТФ-емких продуктов ферментации. В некоторых вариантах данного изобретения аргинин добавляют в культуру в количестве, превышающем потребности для синтеза биомассы от 2 до 1000 раз, или от 2 до 800 раз, или от 2 до 500 раз, или от 2 до 100 раз, или от 2 до 50 раз, или от 2 до 10 раз, или от 50 до 1000 раз, или от 50 до 800 раз, или от 50 до 600 раз, или от 50 до 500 раз, или от 50 до 300 раз, или от 50 до 200 раз, или от 50 до 100 раз, или от 100 до 1000 раз, или от 100 до 800 раз, или от 100 до 600 раз, или от 100 до 500 раз, или от 100 до 300 раз, или от 100 до 200 раз.It has been demonstrated that by increasing the concentration of arginine in liquid nutrient media from a concentration equivalent to the requirement of cells to a concentration exceeding 1000 times (or more) the requirement for biomass synthesis, the doubling time of the microorganism decreased. In some embodiments of this invention, the doubling time of the culture obtained with an excess of arginine was reduced to 3.5 hours compared to the doubling time of 7.3 hours in a culture without excess arginine. Without wishing to be bound by theory, the authors also believe that increasing the concentration of arginine 2-80 times (or more) above the requirements of the cells increases the yield of ATP-rich fermentation products. In some embodiments of this invention, arginine is added to the culture in an amount exceeding the requirements for biomass synthesis from 2 to 1000 times, or from 2 to 800 times, or from 2 to 500 times, or from 2 to 100 times, or from 2 to 50 times , or 2 to 10 times, or 50 to 1000 times, or 50 to 800 times, or 50 to 600 times, or 50 to 500 times, or 50 to 300 times, or 50 to 200 times, or 50 to 100 times, or 100 to 1000 times, or 100 to 800 times, or 100 to 600 times, or 100 to 500 times, or 100 to 300 times, or 100 to 200 times.

Что касается фактической концентрации, то среди широкого спектра вариантов осуществления данного изобретения представлен вариант, в котором концентрация аргинина в жидкой питательной среде составляет от 20 мг/л до 20 г/л. В конкретных вариантах осуществления данного изобретения концентрация аргинина поддерживается на уровне по меньшей мере 20 мг/л, или по меньшей мере 100 мг/л, или по меньшей мере 300 мг/л, или по меньшей мере 500 мг/л, или по меньшей мере 1 г/л, или по меньшей мере 2 г/л, или по меньшей мере 3 г/л, или по меньшей мере 4 г/л, или по меньшей мере 5 г/л, или по меньшей мере 10 г/л, или по меньшей мере 20 г/л. В некоторых вариантах осуществления данного изобретения концентрация аргинина поддерживается на уровне от 20 мг/л до 20 г/л, или от 100 мг/л до 20 г/л, или от 500 мг/л до 20 г/л, или от 500 мг/л до 10 г/л, или от 1 до 10 г/л, или от 5 до 10 г/л, или от 5 до 20 г/л. В определенном варианте осуществления данного изобретения аргинин добавляют в культуру таким образом, что потребление аргинина культурой составляет по меньшей мере 20 мг аргинина на грамм сухого веса клеток, или по меньшей мере 100 мг аргинина на грамм сухого веса клеток, или по меньшей мере 1 г аргинина на грамм сухого веса клеток, или по меньшей мере 5 г аргинина на грамм сухого веса клеток, или по меньшей мере 10 г аргинина на грамм сухого веса клеток. В некоторых вариантах осущеWith regard to the actual concentration, among the wide range of embodiments of the present invention presents an option in which the concentration of arginine in the liquid nutrient medium is from 20 mg/l to 20 g/l. In specific embodiments of this invention, the concentration of arginine is maintained at a level of at least 20 mg/l, or at least 100 mg/l, or at least 300 mg/l, or at least 500 mg/l, or at least 1 g/l, or at least 2 g/l, or at least 3 g/l, or at least 4 g/l, or at least 5 g/l, or at least 10 g/l, or at least 20 g/l. In some embodiments of this invention, the concentration of arginine is maintained at a level of from 20 mg/l to 20 g/l, or from 100 mg/l to 20 g/l, or from 500 mg/l to 20 g/l, or from 500 mg /l to 10 g/l, or from 1 to 10 g/l, or from 5 to 10 g/l, or from 5 to 20 g/l. In a certain embodiment of the invention, arginine is added to the culture such that the culture's arginine consumption is at least 20 mg arginine per gram cell dry weight, or at least 100 mg arginine per gram cell dry weight, or at least 1 g arginine per gram of cell dry weight, or at least 5 g of arginine per gram of cell dry weight, or at least 10 g of arginine per gram of cell dry weight. In some embodiments,

- 13 040778 ствления данного изобретения аргинин добавляют в культуру таким образом, что потребление аргинина культурой составляет от 20 мг до 20 г/г сухого веса клеток, или от 100 мг до 20 г/г сухого веса клеток, или от до 10 г/г сухого веса клеток.Arginine is added to the culture in such a way that the consumption of arginine by the culture is 20 mg to 20 g/g cell dry weight, or 100 mg to 20 g/g cell dry weight, or to 10 g/g dry weight of cells.

В некоторых вариантах осуществления данного изобретения по меньшей мере 0,012 г аргинина потребляется культурой для получения 1 г биомассы. В некоторых вариантах осуществления данного изобретения потребность клеток в аргинине для синтеза биомассы составляет от 0,012 г/г биомассы до 24 г/г биомассы. В некоторых вариантах осуществления данного изобретения потребность в аргинине для синтеза биомассы составляет по меньшей мере 0,012 г/г биомассы, или по меньшей мере 0,024 г/г биомассы, до 0,048 г/г биомассы, или по меньшей мере 0,120 г/г биомассы, или по меньшей мере 0,24 г/г биомассы, или по меньшей мере 0,48 г/г биомассы, или по меньшей мере 1,2 г/г биомассы, или по меньшей мере 2,4 г/г биомассы, или по меньшей мере 4,8 г/г биомассы, или по меньшей мере 12 г/г биомассы.In some embodiments of this invention, at least 0.012 g of arginine is consumed by the culture to produce 1 g of biomass. In some embodiments of this invention, the need for cells in arginine for biomass synthesis is from 0.012 g/g biomass to 24 g/g biomass. In some embodiments of this invention, the requirement for arginine for biomass synthesis is at least 0.012 g/g biomass, or at least 0.024 g/g biomass, up to 0.048 g/g biomass, or at least 0.120 g/g biomass, or at least 0.24 g/g biomass, or at least 0.48 g/g biomass, or at least 1.2 g/g biomass, or at least 2.4 g/g biomass, or at least at least 4.8 g/g biomass, or at least 12 g/g biomass.

В некоторых вариантах осуществления данного изобретения увеличение концентрации аргинина в жидкой питательной среде от 2 до 80 раз (или более) выше потребности клеток увеличивает время удвоения микроорганизма по меньшей мере на 10%, или по меньшей мере на 20%, или по меньшей мере на 30%, или по меньшей мере на 40%, или по меньшей мере на 50%, или по меньшей мере на 60%, или по меньшей мере на 70%.In some embodiments of this invention, increasing the concentration of arginine in the liquid nutrient medium from 2 to 80 times (or more) above the requirements of the cells increases the doubling time of the microorganism by at least 10%, or at least 20%, or at least 30 %, or at least 40%, or at least 50%, or at least 60%, or at least 70%.

Когда концентрацию аргинина увеличивали до концентрации, которая была выше потребности клеток Clostridium autoethanogenum, продуцирование ацетата микроорганизмом снижалось. Не желая быть связанными теорией, авторы полагают, что способность Clostridium autoethanogenum использовать аргинин с целью продуцирования АТФ для роста сводит к нулю необходимость микроорганизма продуцировать ацетат для усвоения АТФ при добавлении аргинина.When the concentration of arginine was increased to a concentration that was above the requirement of Clostridium autoethanogenum cells, the production of acetate by the microorganism was reduced. While not wishing to be bound by theory, the authors believe that the ability of Clostridium autoethanogenum to use arginine to produce ATP for growth negates the need for the microorganism to produce acetate for ATP uptake when arginine is added.

Описаны все ацетогенные микроорганизмы с продуцированием ацетата (Drake, Ацетогенные прокариоты, в Прокариоты, 3-е издание, с. 354-420, New York, NY, Springer, 2006), поскольку продуцирование ацетата дает микроорганизму возможность напрямую генерировать АТФ в результате фосфорилирования субстрата посредством Pta (фосфотрансацетилаза) и Ack (фосфотрансацетилаза-ацетаткиназа). В частности, в промышленном масштабе нежелательно, чтобы микроорганизмы продуцировали ацетат (или другие органические кислоты, необходимые для реакции КоА-трансферазы) в качестве побочного продукта, поскольку ацетат отводит углерод от целевых продуктов и таким образом влияет на эффективность и объем продуцирования целевых продуктов. Кроме того, ацетат может быть токсичным для микроорганизмов и/или может служить в качестве субстрата для роста контаминирующих микроорганизмов. Также присутствие ацетата затрудняет извлечение и разделение целевых продуктов и контроль условий ферментации в пользу продуцирования целевых продуктов.All acetate-producing acetogenic microorganisms have been described (Drake, Acetogenic Prokaryotes, in Prokaryotes, 3rd edition, pp. 354-420, New York, NY, Springer, 2006), since acetate production enables the microorganism to directly generate ATP by substrate phosphorylation via Pta (phosphotransacetylase) and Ack (phosphotransacetylase-acetate kinase). In particular, on an industrial scale, it is undesirable for microorganisms to produce acetate (or other organic acids required for the CoA transferase reaction) as a by-product, since acetate removes carbon from target products and thus affects the efficiency and volume of production of target products. In addition, acetate may be toxic to microorganisms and/or may serve as a substrate for the growth of contaminating microorganisms. Also, the presence of acetate makes it difficult to extract and separate the target products and control the fermentation conditions in favor of producing the target products.

Добавление аргинина в количестве, превышающем клеточные потребности культуры Clostridium autoethanogenum, приводит к значительному уменьшению продуцирования ацетата по сравнению с культурой, в которую аргинин не добавляют в количестве, превышающем потребности клеток. Кроме того, авторы продемонстрировали, что продуцирование ацетата увеличивается в культуре, в которой источник аргинина полностью истощен. В одном варианте осуществления данного изобретения добавления избытка аргинина в микробную культуру уменьшает продуцирование ацетата на 20, или 30, или 40, или 50, или 60, или 70, или 80%.The addition of arginine in excess of the cellular requirements of the Clostridium autoethanogenum culture resulted in a significant reduction in acetate production compared to a culture to which arginine was not added in excess of the cellular requirements. In addition, the authors demonstrated that the production of acetate is increased in a culture in which the source of arginine is completely depleted. In one embodiment of the invention, adding excess arginine to a microbial culture reduces acetate production by 20% or 30% or 40% or 50% or 60% or 70% or 80%.

Авторы изобретения продемонстрировали, что аргинин стехиометрически превращается в орнитин, вовлекаясь в путь аргининдезиминазы как механизм катаболизма аргинина. Этот путь превращает аргинин в орнитин, аммоний, АТФ и СО2. Усилению роста будет способствовать поставка АТФ и аммония в результате расщепления аргинина. В одном варианте осуществления данного изобретения предлагается способ повышения устойчивости процесса ферментации, при этом аргинин добавляют в микробную культуру в отсутствие альтернативного источника азота.The inventors have demonstrated that arginine is stoichiometrically converted to ornithine by being involved in the arginine deiminase pathway as the mechanism of arginine catabolism. This pathway converts arginine to ornithine, ammonium, ATP, and CO2 . Increased growth will be facilitated by the supply of ATP and ammonium as a result of the breakdown of arginine. In one embodiment, the present invention provides a method for improving the stability of the fermentation process, wherein arginine is added to a microbial culture in the absence of an alternative nitrogen source.

В данной области техники хорошо известно, что для роста микроорганизма необходим азот. Как правило, азот добавляют в культуру в виде аммониевой соли или гидроксида аммония. Как правило, аммиак получают в результате процесса Хабера, который характеризуется следующей реакцией:It is well known in the art that nitrogen is required for the growth of a microorganism. Typically, nitrogen is added to the culture in the form of ammonium salt or ammonium hydroxide. As a rule, ammonia is obtained as a result of the Haber process, which is characterized by the following reaction:

Ν2(γ) + ЗН2(г) 2ΝΗ3(Γ) ДН^ = -92 кДж моль-1Ν 2 (γ) + 3H 2 (g) 2ΝΗ 3 (Γ) DN^ = -92 kJ mol-1

В настоящее время аммиак продуцируется в основном из природного газа и угля. В типичном способе продуцирования аммиака из природного газа водород поступает из природного газа, а азот получают из атмосферы. Природный газ продуцирует парниковые газы, поэтому, хотя сам аммиак не продуцирует парниковых газов, продуцирование аммиака происходит способствует этому. Желательным является обнаружение и использование источников аммиака, которые являются полностью возобновляемыми. (http://www.agmrc.org/renewable_energy/renewable_energy/ammonia-as-a-transportation-fuel/). Стоимость гидроксида аммония (от 28,0 до 30,0 мас./мас.) определяется в диапазоне 9600 долларов США за 1000 кг.Currently, ammonia is produced mainly from natural gas and coal. In a typical process for producing ammonia from natural gas, hydrogen is supplied from natural gas and nitrogen is obtained from the atmosphere. Natural gas produces greenhouse gases, so while ammonia itself does not produce greenhouse gases, ammonia production does. It is desirable to find and use ammonia sources that are completely renewable. (http://www.agmrc.org/renewable_energy/renewable_energy/ammonia-as-a-transportation-fuel/). The cost of ammonium hydroxide (from 28.0 to 30.0 wt./wt.) is determined in the range of 9600 US dollars per 1000 kg.

Аргинин (L-аргинин) впервые выделили из экстракта проростков люпина в 1886 г. Позднее было установлено, что он широко распространен в пищевых продуктах и кормах. Аргинин можно получить различными способами, включая гидролиз белков, химический синтез и микробиологический синтез. Большую часть L-аргинина получают путем прямой ферментации с использованием возобновляемыхArginine (L-arginine) was first isolated from an extract of lupine sprouts in 1886. Later it was found that it is widely distributed in food and feed. Arginine can be obtained in a variety of ways, including protein hydrolysis, chemical synthesis, and microbiological synthesis. Most of the L-arginine is obtained by direct fermentation using renewable

- 14 040778 источников углерода (Jn.nutrition.org/content/134/10/2854S.full).- 14 040778 carbon sources (Jn.nutrition.org/content/134/10/2854S.full).

Выявленный путь по примеру 3 позволяет превратить 1 моль аргинина в 3 моля аммиака. Таким образом, аргинин может обеспечить альтернативный источник азота для бактерий, обеспечивая наличие аммиака непосредственно в метаболизме, сохраняя при этом преимущества, описанные выше. Поскольку 1 молекула аргинина может быть разбита на 3 молекулы аммиака, более низкие требуемые количества приведут к значительной экономии затрат в результате более дешевой стоимости аргинина (стоимость 99% аргинина пищевой ценности составляет около ~17-18 тыс. долларов США/1000 кг, в то время как стоимость 30% промышленного аммиака составляет ~10-11 тыс. долларов США/1000 кг от Sigma Aldrich или Fisher) и обусловят упрощенное обращение. Кроме того, аргинин может быть получен устойчивым из биологических источников, например, путем ферментации (Т. Utagawa, J. Nutr., 2004, 134, 2854S-2857).The identified path according to example 3 allows you to convert 1 mol of arginine to 3 mol of ammonia. Thus, arginine can provide an alternative source of nitrogen for bacteria, providing ammonia directly to the metabolism while maintaining the benefits described above. Since 1 molecule of arginine can be broken down into 3 molecules of ammonia, lower amounts required will result in significant cost savings as a result of the cheaper cost of arginine (99% nutritional value of arginine is about ~$17-18k/1000kg, while while the cost of 30% industrial ammonia is ~10-11 thousand US dollars / 1000 kg from Sigma Aldrich or Fisher) and will result in simplified handling. In addition, arginine can be obtained stable from biological sources, for example, by fermentation (T. Utagawa, J. Nutr., 2004, 134, 2854S-2857).

Путь аргининдезиминазы осуществляется посредством трех ферментативных стадий, катализируемых аргининдезиминазой (ЕС 3.5.3.6), карбомилтрансферазой (орнитинкарбомилтрансферазой, путресцинкарбомилтрансферазой) (ЕС 2.1.3.3) и карбаматкиназой (ЕС 2.7.2.2). Соответствующие ферменты были идентифицированы в геноме С. autoethanogenum.The arginine deiminase pathway is carried out through three enzymatic steps catalyzed by arginine deiminase (EC 3.5.3.6), carbomyltransferase (ornithinecarbomyltransferase, putrescinecarbomyltransferase) (EC 2.1.3.3) and carbamate kinase (EC 2.7.2.2). The corresponding enzymes have been identified in the genome of C. autoethanogenum.

В другом аспекте данного изобретения дополнительно предлагается генетически сконструированная С1-фиксирующая бактерия, содержащая оптимизированный путь аргининдезиминазы. В одном варианте осуществления данного изобретения предлагается генетически сконструированная С1-фиксирующая бактерия, содержащая один или большее количество ферментов, выбранных из группы, состоящей из аргининдезиминазы (ЕС 3.5.3.6), карбомилтрансферазы (орнитинкарбомилтрансферазы, путресцинкарбомилтрансферазы) (ЕС 2.1.3.3) и карбаматкиназы (ЕС 2.7.2.2), при этом каждый фермент представляет собой сверхэкспрессированный эндогенный фермент, мутированный эндогенный фермент или экзогенный фермент. В конкретных вариантах осуществления данного изобретения С1-фиксирующая бактерия представляет собой бактерию Clostridium. В конкретных вариантах осуществления данного изобретения бактерия представляет собой Clostridium autoethanogenum.In another aspect of the present invention, there is further provided a genetically engineered C1 fixing bacterium containing an optimized arginine deiminase pathway. In one embodiment, the invention provides a genetically engineered C1-fixing bacterium comprising one or more enzymes selected from the group consisting of arginine deiminase (EC 3.5.3.6), carbomyltransferase (ornithinecarbomyltransferase, putrescinecarbomyltransferase) (EC 2.1.3.3) and carbamate kinase (EC 2.1.3.3). EC 2.7.2.2), with each enzyme being an overexpressed endogenous enzyme, a mutated endogenous enzyme, or an exogenous enzyme. In specific embodiments of this invention, the C1-fixing bacterium is a Clostridium bacterium. In specific embodiments of this invention, the bacterium is Clostridium autoethanogenum.

Не желая быть связанными теорией, авторы полагают, что для повышения эффективности пути, в частности, если наблюдается накопление промежуточных соединений, например цитрулина, любым специалистом в данной области техники соответствующие гены могут быть сверхэкспрессированы или гены из других источников могут быть введены и гетерологично экспрессированы с помощью способов, описанных ранее (WO 2012/053905, WO 2012/115527, WO 2013/180584).Without wishing to be bound by theory, the authors believe that in order to increase the efficiency of the pathway, in particular if accumulation of intermediates such as citrulline is observed, the appropriate genes may be overexpressed by one of ordinary skill in the art, or genes from other sources may be introduced and heterologously expressed from using the methods described previously (WO 2012/053905, WO 2012/115527, WO 2013/180584).

В данном изобретении дополнительно предлагается способ продуцирования по меньшей мере одного продукта из субстрата, при этом указанный способ включает в себя культивирование генетически сконструированной С1-фиксирующей бактерии, содержащей один или большее количество ферментов, выбранных из группы, состоящей из аргининдезиминазы (ЕС 3.5.3.6), карбомилтрансферазы (орнитинкарбомилтрансферазы, путресцинкарбомилтрансферазы) (ЕС 2.1.3.3) и карбаматкиназы (ЕС 2.7.2.2), при этом каждый фермент представляет собой сверхэкспрессированный эндогенный фермент, мутированный эндогенный фермент или экзогенный фермент.The present invention further provides a method for producing at least one product from a substrate, said method comprising cultivating a genetically engineered C1-fixing bacterium containing one or more enzymes selected from the group consisting of arginine deiminase (EC 3.5.3.6) , carbomyltransferases (ornithinecarbomyltransferases, putrescinecarbomyltransferases) (EC 2.1.3.3) and carbamate kinase (EC 2.7.2.2), with each enzyme being an overexpressed endogenous enzyme, a mutated endogenous enzyme, or an exogenous enzyme.

В другом аспекте данного изобретения дополнительно предлагается генетически сконструированная С1-фиксирующая бактерия, содержащая один или большее количество ферментов, выбранных из группы, состоящей из орнитинрацемазы (ЕС 5.1.1.12), орнитинаминомутазы (ЕС 5.4.3.5), 2,4-диаминопентаноатдегидрогеназы (ЕС 1.4.1.12) и 2-амино-4-оксопентаноаттиолазы. Не желая быть связанными теорией, авторы полагают, что любым специалистом в данной области техники соответствующие гены могут быть сверхэкспрессированы или гены из других источников могут быть введены и гетерологично экспрессированы с помощью способов, описанных ранее (WO 2012/053905, WO 2012/115527 и WO 2013-180584). Организм также может быть адаптирован и сформирован для более эффективного использования орнитина, если он является адаптированным к аргинину для роста в динамике. Это подтверждается наблюдаемым накоплением орнитина.In another aspect of the present invention, there is further provided a genetically engineered C1 fixing bacterium comprising one or more enzymes selected from the group consisting of ornithine racemase (EC 5.1.1.12), ornithine aminomutase (EC 5.4.3.5), 2,4-diaminopentanoate dehydrogenase (EC 1.4.1.12) and 2-amino-4-oxopentanoatethiolase. Without wishing to be bound by theory, the authors believe that any person skilled in the art can overexpress the corresponding genes or genes from other sources can be introduced and heterologously expressed using the methods described previously (WO 2012/053905, WO 2012/115527 and WO 2013-180584). The body can also be adapted and shaped to use ornithine more efficiently if it is adapted to arginine for dynamic growth. This is supported by the observed accumulation of ornithine.

Авторы идентифицировали репрессор аргинина, который контролирует экспрессию гена путем связывания с палиндромной операторной последовательностью, которая расположена примерно на 45 п.о. выше стартового кодона аргининдезиминазы. Добавление аргинина приводит к тому, что репрессор отвязывает операторную последовательность, что обеспечивает транскрипцию генов в направлении 3'-операторной последовательности. В одном аспекте данного изобретения предлагается генетически сконструированная рекомбинантная бактерия, содержащая по меньшей мере один гетерологичный ген, при этом указанный гетерологичный ген вводят в направлении 3'-argR-связывающей операторной последовательности, при этом генная экспрессия по меньшей мере одного гетерологичного гена может быть активирована посредством добавление аргинина.The authors identified an arginine repressor that controls gene expression by binding to a palindromic operator sequence located at about 45 bp. above the start codon of arginine deiminase. The addition of arginine causes the repressor to unbind the operator sequence, allowing gene transcription in the direction of the 3' operator sequence. In one aspect of the present invention, a genetically engineered recombinant bacterium is provided comprising at least one heterologous gene, said heterologous gene being introduced in the direction of the 3'-argR binding operator sequence, wherein gene expression of the at least one heterologous gene can be activated by adding arginine.

В данном изобретении также предлагается способ продуцирования по меньшей мере одного продукта, при этом указанный способ включает в себя добавление источника углерода в культуру содержащей генетически сконструированную бактерию, содержащую по меньшей мере один гетерологичный ген, при этом указанный гетерологичный ген вводят в направлении 3'-argR-связывающей операторной последовательности, обеспечивая культуру аргинином и осуществляя ферментацию культуры. В некоторых вариантах осуществления данного изобретения по меньшей мере один гетерологичный ген является гетерологичным геном в пути биосинтеза указанного продукта.The invention also provides a method for producing at least one product, said method comprising adding a carbon source to a culture containing a genetically engineered bacterium containing at least one heterologous gene, said heterologous gene being introduced in the 3'-argR direction. -binding operator sequence, providing the culture with arginine and fermenting the culture. In some embodiments of this invention, at least one heterologous gene is a heterologous gene in the biosynthetic pathway for said product.

- 15 040778- 15 040778

В одном примере гетерологичные гены могут кодировать метаболический путь, для которого необходим АТФ для синтеза продукта. Например, мевалонатный путь представляет собой гетерологичный путь, который превращает ацетил-КоА в изопентенилдифосфат при стоимости 3 молей АТФ, равной стоимости моля изопентенилдифосфата. С помощью описанного способа экспрессию гетерологичного мевалонатного пути можно активировать добавлением аргинина, который также будет обеспечивать АТФ для мевалонатного пути путем расщепления аргинина посредством пути аргининдезиминазы.In one example, heterologous genes may encode a metabolic pathway that requires ATP to synthesize a product. For example, the mevalonate pathway is a heterologous pathway that converts acetyl-CoA to isopentenyl diphosphate at a cost of 3 moles of ATP equal to the cost of a mole of isopentenyl diphosphate. Using the described method, the expression of the heterologous mevalonate pathway can be activated by the addition of arginine, which will also provide ATP for the mevalonate pathway by cleaving arginine through the arginine deiminase pathway.

В другом аспекте аргинин может быть использован посредством пути декарбоксилирования аргинина. Не желая быть связанными теорией, авторы считают, что аргинин может быть декарбоксилирован в агматин и СО2 с помощью фермента аргининдекарбоксилазы. Агматин может быть затем превращен в N-карбамоил-путресцин с помощью фермента агматиндезиминазы, с получением также аммония. N-карбамоил-путресцин плюс фосфат может быть превращен в путресцин плюс карбамоилфосфат с помощью фермента путресцинкарбамоилтрансферазы. Карбамоилфосфат плюс АДФ превращается в аммоний+АТФ+СО2 с помощью карбаматкиназы по тому же механизму, что и в пути аргининдезиминазы. Чистый выход аммония и АТФ является таким, что и в пути аргининдезиминазы, но с двумя другими промежуточными продуктами (агматин и N-карбамоил-путресцин) и другим побочным продуктом (путресцин). Путресцин является побочным продуктом большей ценности, чем орнитин или аргинин, и может быть использован в качестве исходного сырья для продуцирования различных полимеров, включая нейлон-4,6 (Qian et al., 2009, Biotechnol. Bioeng, 104, с. 651-662) и полиуретан.In another aspect, arginine can be used via the arginine decarboxylation pathway. Without wishing to be bound by theory, the authors believe that arginine can be decarboxylated to agmatine and CO2 by the enzyme arginine decarboxylase. Agmatine can then be converted to N-carbamoyl-putrescine by the enzyme agmatine deiminase, also producing ammonium. N-carbamoyl-putrescine plus phosphate can be converted to putrescine plus carbamoyl phosphate by the enzyme putrescinecarbamoyltransferase. Carbamoyl phosphate plus ADP is converted to ammonium + ATP + CO2 by carbamate kinase by the same mechanism as in the arginine deiminase pathway. The net yield of ammonium and ATP is that of the arginine deiminase pathway, but with two other intermediates (agmatine and N-carbamoyl-putrescine) and another by-product (putrescine). Putrescine is a by-product of greater value than ornithine or arginine and can be used as a feedstock for the production of various polymers including nylon-4,6 (Qian et al., 2009, Biotechnol. Bioeng, 104, pp. 651-662 ) and polyurethane.

В другом аспекте бактерия является модифицированной для сверхэкспрессии одного или большего количества эндогенных генов, экспрессии еще одного мутированного эндогенного гена или гетерологичной экспрессии одного или большего количества экзогенных генов, кодирующих ферменты, выбранные из группы, состоящей из орнитинрацемазы, орнитинаминомутазы, субъединицы бета (OraE), орнитинаминомутазы, субъединицы альфа (OraS), 2,4-диаминопентаноатдегидрогеназы, 2,4-диаминопентаноатдегидрогеназы, 2-амино-4-оксопентаноаттиолазы, субъединицы бета, 2-амино-4-оксопентаноаттиолазы, субъединицы альфа и функционально эквивалентных им вариантов. В альтернативном варианте бактерию можно модифицировать с целью экспрессии одного или большего количества экзогенных генов, выбранных из группы, состоящей из орнитинрацемазы, орнитинаминомутазы, субъединицы бета (OraE), орнитин-аминомутазы, субъединицы альфа (OraS), 2,4-диаминопентаноатдегидрогеназы, 2,4-диаминопентаноатдегидрогеназы, 2-амино-4-оксопентаноаттиолазы, субъединицы бета, и 2-амино-4-оксопентаноаттиолазы, субъединицы альфа. В предпочтительных вариантах осуществления данного изобретения эндогенные гены являются производными от Clostridium sticklandii (фиг. 23). Не желая быть связанными теорией, авторы полагают, что при экспрессии этих генов результаты приведут к повышению эффективности в пути аргининдезиминазы, особенно когда в родительском штамме накопление наблюдается орнитина. В альтернативном варианте считается, что бактерия может быть адаптирована и сформирована для более эффективного использования орнитина. В некоторых вариантах осуществления данного изобретения бактерию выбирают для роста на аргинине.In another aspect, the bacterium is modified to overexpress one or more endogenous genes, express another mutated endogenous gene, or heterologously express one or more exogenous genes encoding enzymes selected from the group consisting of ornithine racemase, ornithine aminomutase, subunit beta (OraE), ornithine aminomutase, alpha subunits (OraS), 2,4-diaminopentanoate dehydrogenase, 2,4-diaminopentanoate dehydrogenase, 2-amino-4-oxopentanoate thiolase, beta subunit, 2-amino-4-oxopentanoate thiolase, alpha subunit and functionally equivalent variants. Alternatively, the bacterium can be modified to express one or more exogenous genes selected from the group consisting of ornithine racemase, ornithine aminomutase, beta subunit (OraE), ornithine aminomutase, alpha subunit (OraS), 2,4-diaminopentanoate dehydrogenase, 2, 4-diaminopentanoate dehydrogenases, 2-amino-4-oxopentanoate thiolase, beta subunit, and 2-amino-4-oxopentanoate thiolase, alpha subunit. In preferred embodiments of this invention, the endogenous genes are derived from Clostridium sticklandii (FIG. 23). Without wishing to be bound by theory, the authors believe that when these genes are expressed, the results will lead to increased efficiency in the arginine deiminase pathway, especially when ornithine accumulation is observed in the parent strain. Alternatively, it is believed that the bacterium can be adapted and shaped to use ornithine more efficiently. In some embodiments of this invention, the bacterium is chosen to grow on arginine.

В другом аспекте бактерия содержит одну или большее количество генетических модификаций, которые разрушают транспортер аргинина:орнитина. В одном варианте осуществления данного изобретения генетическая модификация нарушает экспрессию CAETHG3023 и CAETHG3024 (Genbank GeneID: 17336441 и 17336442, номера доступа к белку Genbank: YP_008700482.1 и YP_008700483.1). Предпочтительно, генетическая модификация представляет собой нокаутную мутацию гена. Нокаут транспортера аргинина:орнитина приводит к уменьшению экспорта орнитина из бактериальной клетки и способствует метаболизму орнитина клеткой. Кроме того, бактерию можно модифицировать с целью экспрессии альтернативного транспортера аргинина для импорта аргинина без экспорта орнитина. В альтернативных вариантах осуществления данного изобретения бактерию можно модифицировать с целью экспрессии импортера орнитина, чтобы обеспечить повторный захват экскретируемого орнитина. Каждый из этих подходов повысит способность бактерии метаболизировать орнитин.In another aspect, the bacterium contains one or more genetic modifications that disrupt the arginine:ornithine transporter. In one embodiment of the present invention, the genetic modification disrupts the expression of CAETHG3023 and CAETHG3024 (Genbank GeneID: 17336441 and 17336442, Genbank protein accession numbers: YP_008700482.1 and YP_008700483.1). Preferably, the genetic modification is a gene knockout mutation. Knockout of the arginine:ornithine transporter results in a decrease in the export of ornithine from the bacterial cell and promotes the metabolism of ornithine by the cell. In addition, the bacterium can be modified to express an alternative arginine transporter to import arginine without exporting ornithine. In alternative embodiments of the present invention, the bacterium can be modified to express an ornithine importer to allow recapture of excreted ornithine. Each of these approaches will increase the ability of the bacterium to metabolize ornithine.

Пример 1 демонстрирует продуцирование аланина из аргинина микроорганизмом С. autoethanogenum. В одном аспекте данного изобретения предлагается способ продуцирования одного или большего количества продуктов, производных от аланина, продуктов, производных от аланина, включая 3-гидроксипропионат (3-НР) или акриловую кислоту. Акриловая кислота является важным промышленным продуктом и используется в полимерных флокулянтах, диспергаторах, покрытиях, красках, клеях и связующих материалах для кожи, бумаги и текстиля с оцениваемым мировым спросом, составляющим в 2014 г. 5 млн т. 3-НР представляет собой платформу для акриловой кислоты, метилакриловой кислоты, акриламида или 1,3-пропандиола.Example 1 demonstrates the production of alanine from arginine by the microorganism C. autoethanogenum. In one aspect of the present invention, a method is provided for the production of one or more alanine-derived products, alanine-derived products, including 3-hydroxypropionate (3-HP) or acrylic acid. Acrylic acid is an important industrial product and is used in polymer flocculants, dispersants, coatings, paints, adhesives and binders for leather, paper and textiles with an estimated global demand of 5 Mt in 2014. 3-HP is a platform for acrylic acid, methylacrylic acid, acrylamide or 1,3-propanediol.

В одном аспекте данного изобретения предлагается генетически сконструированная С1-фиксирующая бактерия, содержащая по меньшей мере один гетерологичный фермент, выбранный из группы, состоящей из ферментов для превращения аланина в малонилсемиальдегид и 3-НР, ферментов для превращения аланина в аланил-КоА, ферментов для превращения 3-НР в акрилил-КоА, ферментов для превращения аланил-КоА в акрилил-КоА и ферментов для превращения акрилил-КоА в акрилат.In one aspect of the present invention, there is provided a genetically engineered C1-fixing bacterium comprising at least one heterologous enzyme selected from the group consisting of enzymes for converting alanine to malonylsemialdehyde and 3-HP, enzymes for converting alanine to alanyl-CoA, enzymes for converting 3-HP to acrylyl-CoA, enzymes to convert alanyl-CoA to acrylyl-CoA, and enzymes to convert acrylyl-CoA to acrylate.

В конкретных вариантах осуществления данного изобретения С1-фиксирующий микроорганизм представляет собой ацетогенный карбоксидотрофный микроорганизм. Примеры подходящихIn specific embodiments of this invention, the C1-fixing microorganism is an acetogenic carboxydotrophic microorganism. Examples of suitable

- 16 040778- 16 040778

С1-фиксирующих микроорганизмов включают в себя Clostridium, Moorella, Oxobacter, Peptostreptococcus, Acetobacterium, Eubacterium или Butyribacterium. В различных вариантах осуществления данного изобретения микроорганизм выбирают из группы микроорганизмов, указанных в табл. 4.C1-fixing microorganisms include Clostridium, Moorella, Oxobacter, Peptostreptococcus, Acetobacterium, Eubacterium, or Butyribacterium. In various embodiments of this invention, the microorganism is selected from the group of microorganisms listed in table. 4.

ПримерыExamples

Следующие примеры дополнительно иллюстрируют данное изобретение, но, разумеется, не должны толковаться как ограничивающие каким-либо образом сферу его применения.The following examples further illustrate the invention, but of course should not be construed as limiting its scope in any way.

Таблица 1Table 1

Среда PETC-MES, не содержащая экстракта дрожжейPETC-MES medium without yeast extract

Компонент Component Количество на 1 л среды Quantity per 1 liter of medium nh4cinh 4 ci 1 г 1 g KCI KCI 0,1 г 0.1 g MgSO4.7H2OMgSO 4 .7H 2 O 0,2 г 0.2 g КН2РО4 KN 2 RO 4 0,2 г 0.2 g СоС12 CoC1 2 0,02 г 0.02 g 2-(/\/-морфолино)этансульфоновая кислота (MES) 2-(/\/-morpholino)ethanesulfonic acid (MES) 20 г 20 g Ацетат натрия sodium acetate 0,1 г 0.1 g Fe (SO4)x7H2OFe (SO 4 )x7H 2 O 0,05 г 0.05 g Нитрилотриуксусная кислота Nitrilotriacetic acid 0,05 г 0.05 g Ресазурин (маточный раствор 2 г/л) Resazurin (mother solution 2 g/l) 0,5 мл 0.5 ml Раствор микропримеси металла (см. ниже) Metal trace solution (see below) 10 мл 10 ml Витаминный раствор Вулфа (см. ниже) Wolfe's vitamin solution (see below) 10 мл 10 ml Раствор восстанавливающего агента 1 (см. ниже) Reducing agent solution 1 (see below) 5 мл 5 ml Раствор восстанавливающего агента 2 (см. ниже) Reducing agent solution 2 (see below) 5 мл 5 ml pH 5,6 pH 5.6 Регулируется с помощью 4N NaOH Regulated with 4N NaOH Раствор микропримеси металла Metal microimpurity solution на 1000 мл маточного раствора per 1000 ml stock solution Нитрилотриуксуная кислота Nitrilotriacetic acid 2 г 2 g MnSO4.H2O.MnSO 4 .H 2 O. 1 г 1 g Fe (SO4)x7H2OFe (SO 4 )x7H 2 O 0,56 г 0.56 g CaCI2.6H2O CaCI2.6H2O _ 0,2 г 0.2 g ZnSO4.7H2O ZnSO4.7H2O _ 0,2 г 0.2 g CuCI2.2H2OCuCI 2 .2H 2 O 0,02 г 0.02 g NaMoO4.2H2ONaMoO 4 .2H 2 O 0,02 г 0.02 g Na2SeO3x5H2ONa 2 SeO 3 x5H 2 O 0,03 г 0.03 g NiCI2.6H2ONiCl 2 .6H 2 O 0,02 г 0.02 g Na2WO4.2H2ONa 2 WO 4 .2H 2 O 0,02 г 0.02 g pH 7,6 pH 7.6 Регулируется с помощью 5М КОН Adjustable with 5M KOH Витаминный раствор Вулфа Wolfe's vitamin solution на 1000 мл маточного раствора per 1000 ml stock solution Биотин Biotin 2 мг 2 mg Фолиевая кислота Folic acid 2 мг 2 mg Пиридоксина гидрохлорид Pyridoxine hydrochloride 10 мг 10 mg Тиамин.HCI Thiamine.HCI 5 мг 5 mg Рибофлавин Riboflavin 5 мг 5 mg Никотиновая кислота A nicotinic acid 5 мг 5 mg Кальций Ю-(+)-пантотенат Calcium U-(+)-pantothenate 5 мг 5 mg Витамин Βι2 Vitamin Βι 2 0,1 мг 0.1 mg 4-аминобензойная кислота 4-aminobenzoic acid 5 мг 5 mg Тиоктовая кислота Thioctic acid 5 мг 5 mg Восстанавливающий агент 1 (хранение в анаэробных условиях, в темноте) Reducing agent 1 (storage under anaerobic conditions, in the dark) на 100 мл маточного раствора per 100 ml stock solution L-цистеин-НС! L-cysteine-HC! 4 г 4 g Восстанавливающий агент 2 (хранение в анаэробных условиях, в темноте) Reducing agent 2 (storage under anaerobic conditions, in the dark) на 100 мл маточного раствора per 100 ml stock solution NaOH NaOH 0,9 г (растворяют сначала) 0.9 g (dissolve first) L-цистеин-НС! L-cysteine-HC! 4 г (растворяют после NaOH) 4 g (dissolve after NaOH) Na2S * 9 Н2ОNa 2 S * 9 H 2 O 4 г (растворяют после цистеина) 4 g (dissolve after cysteine)

- 17 040778- 17 040778

Таблица 2table 2

Составы аминокислот с конечными концентрациями в г/лAmino acid compositions with final concentrations in g/l

Аминокислота 20АК 8АК 14АК 12АК 4АК АргининAmino acid 20AA 8AA 14AA 12AA 4AA Arginine

Триптофан tryptophan 0,004 0.004 0,017 0.017 Тирозин Tyrosine 0,069 0.069 Треонин Threonine 0,022 0.022 0,088 0.088 0,088 0.088 0,176 0.176 Валин Valine 0,062 0.062 0,246 0.246 0,246 0.246 0,246 0.246 Пролин Proline 0,024 0.024 Аланин Alanine 0,029 0.029 Аргинин Arginine 0,011 0.011 0,044 0.044 0,044 0.044 0,881 0.881 0,881 0.881 5,000 5,000 Аспарагиновая кислота Aspartic acid 0,010 0.010 0,076 0.076 0,076 0.076 0,761 0.761 0,761 0.761 Аспарагин Asparagine 0,009 0.009 Цистеин Cysteine 0,067 0.067 0,453 0.453 0,905 0.905 Гистидин Histidine 0,011 0.011 0,042 0.042 0,042 0.042 0,849 0.849 0,849 0.849 Изолейцин Isoleucine 0,026 0.026 0,105 0.105 0,105 0.105 Глутам!нова кислота Glutam!nova acid 0,009 0.009 0,034 0.034 0,034 0.034 0,690 0.690 0,690 0.690 Глутамин Glutamine 0,009 0.009 0,035 0.035 Глицин Glycine 0,033 0.033

Пример 1. Идентификация предпочтительных аминокислот ацетоногенного С. autoethanogenum и увеличение темпов роста при добавлении аргинина.Example 1 Identification of the preferred amino acids of acetonogenic C. autoethanogenum and increased growth rate with the addition of arginine.

Этот пример демонстрирует, что аргинин, гистидин, аспартат и глутамат являются особенно предпочтительными по сравнению с другими аминокислотами и потребляются при более чем 80-кратных количествах, чем это необходимо для синтеза биомассы ацетоногенным С. autoethanogenum DSM10061, а добавление аргинина в определенную среду позволяет С. autoethanogenum расти с tD ~3 ч, что в 3 раза быстрее по сравнению со средой с добавлением дрожжевого экстракта (YE).This example demonstrates that arginine, histidine, aspartate, and glutamate are particularly preferred over other amino acids and are consumed at more than 80 times the amounts required for biomass synthesis by acetonogenic C. autoethanogenum DSM10061, and the addition of arginine to a specific medium allows C autoethanogenum grow with tD ~3 h, which is 3 times faster compared to the medium supplemented with yeast extract (YE).

Clostridium autoethanogenum DSM 10061 получали из DSMZ (Немецкая коллекция микроорганизмов и клеточных культур, Inhoffenstraβe 7 В, 38124 Braunschweig, Германия).Clostridium autoethanogenum DSM 10061 was obtained from DSMZ (German Collection of Microorganisms and Cell Cultures, Inhoffenstraβe 7B, 38124 Braunschweig, Germany).

Бездрожжевую среду PETC-MES дополняли различными аминокислотными составами: 20АК, 7АК, 8АК, 14АК, 12АК, 4АК и аргинином (табл. 2) - для определения того, являются ли какие-либо аминокислоты поддерживающими рост. Растворы стерилизовали фильтрованием и делали бескислородными путем барботирования N2.Yeast free PETC-MES medium was supplemented with various amino acid formulations: 20AA, 7AA, 8AA, 14AA, 12AA, 4AA and arginine (Table 2) to determine if any amino acids were growth supporting. Solutions were sterilized by filtration and made anoxic by N2 sparging.

Прежде всего среду 20АК разрабатывали на основе аминокислотной композиции биомассы Clostridium acetobutylicum (Lee et al. 2008) с конечными концентрациями аминокислот, теоретически поддерживающими продуцирование 1 г DCW/л биомассы.First of all, 20AA medium was developed based on the amino acid composition of Clostridium acetobutylicum biomass (Lee et al. 2008) with final amino acid concentrations theoretically supporting the production of 1 g DCW/l biomass.

Исследования роста проводили при серийном культивировании в объеме 50 мл среды в флаконах 125 мл с сывороткой с применением азота в свободном пространстве при встряхивании (если не указано иначе) при 37°С. Оптическую плотность (ОП) измеряли при 600 нм с показанием ~0,5 вне анаэробной камеры по сравнению с полностью окисленной средой в качестве эталона.Growth studies were performed in serial cultivation in a volume of 50 ml of medium in 125 ml vials of serum using nitrogen in headspace with shaking (unless otherwise indicated) at 37°C. Optical density (OD) was measured at 600 nm with a reading of ~0.5 outside the anaerobic chamber compared to a fully oxidized environment as a reference.

Органические кислоты, фруктозу и аминокислоты, анализировали с помощью ВЭЖХ. Количественный анализ органических кислот, углеводов и спиртов проводили с помощью ион-эксклюзионной хроматографии с использованием системы HPLC Agilent 1200 и колонки Agilent Hiplex H (300x7,7 мм, PL1170-6830) с защитной колонкой (SecurityGuard Carbo-H, Phenomenex PN: AJO -4490). Как правило, содержание сахаров и спиртов контролировали с применением детектора коэффициента преломления (Agilent RID, G1362A), установленного на положительной полярности и температуре оптического блока 40°С, в то время как содержание органических кислот контролировали при 210 нм (Agilent MWD, G1365B) и/или с применением детектора коэффициента преломления. 30 мкл образца вводили на колонку с применением автоматического дозатора (Agilent HiP-ALS, G1367B) и температуру колонки поддерживали при 65°С с помощью термостатируемого отделения колонки (Agilent ТСС, G1316A). Аналиты элюировали изократически с применением 4 мМ H2SO4 при 0,6 мл/мин в течение 26 мин. Фруктозу, сахарозу и глюкозу анализировали отдельно при температуре колонки 15°С и с применением воды высокой степени чистоты (18,2 МП-см) в качестве подвижной фазы и элюировали изократически со скоростью 0,4 мл/мин в течение 21 мин. Хроматограммы интегрировали с помощью ChemStation (Dietmair S., Timmins N.E., Gray P.P., Nielsen L.K., Kromer J.O., К количественной метаболомике клеток млекопитающих: разработка протокола извлечения метаболитов, Analytical biochemistry, 2010, 404:155-164). СодерOrganic acids, fructose and amino acids were analyzed by HPLC. Organic acids, carbohydrates, and alcohols were quantitated by ion-exclusion chromatography using an Agilent 1200 HPLC system and an Agilent Hiplex H (300x7.7 mm, PL1170-6830) column with a guard column (SecurityGuard Carbo-H, Phenomenex PN: AJO - 4490). Typically, sugars and alcohols were monitored using a refractive index detector (Agilent RID, G1362A) set to positive polarity and an optical block temperature of 40°C, while organic acids were monitored at 210 nm (Agilent MWD, G1365B) and /or using a refractive index detector. 30 μl of sample was injected onto the column using an automatic dispenser (Agilent HiP-ALS, G1367B) and the column temperature was maintained at 65° C. using a thermostatted column compartment (Agilent TCC, G1316A). Analytes were eluted isocratically using 4 mM H2SO4 at 0.6 ml/min for 26 min. Fructose, sucrose and glucose were analyzed separately at a column temperature of 15°C and using high purity water (18.2 MP-cm) as the mobile phase and eluted isocratically at a rate of 0.4 ml/min for 21 min. Chromatograms were integrated using a ChemStation (Dietmair S., Timmins N.E., Gray P.P., Nielsen L.K., Kromer J.O., Toward a quantitative metabolomics of mammalian cells: development of a metabolite recovery protocol, Analytical biochemistry, 2010, 404:155-164). Soder

- 18 040778 жание аминокислот анализировали и количественно определяли, как описано ранее (R.B. McQualter, С. Bellasio, L.K. Gebbie, L.A. Petrasovits, R.W. Palfreyman, M.P. Hodson, M.R. Plan, D.M. Blackman, S.M. Brumbley, L.K. Nielsen, Plant. Biotechnol. J., 2015).- 18 040778 Amino acid content was analyzed and quantified as previously described (R.B. McQualter, C. Bellasio, L.K. Gebbie, L.A. Petrasovits, R.W. Palfreyman, M.P. Hodson, M.R. Plan, D.M. Blackman, S.M. Brumbley, L.K. Nielsen, Plant. Biotechnol. J ., 2015).

Несмотря на то что максимальная ОП, достигнутая на среде 20АК, была немного ниже (~20%), чем на дрожжевом экстракте, наблюдался одинаково быстрый рост (время удвоения tDΞ9ч, скорость роста (μ=0,077) в начале ввода проб (фиг. 1).Although the maximum OD achieved on 20AA medium was slightly lower (~20%) than on yeast extract, an equally rapid growth was observed (doubling time tDΞ9h, growth rate (μ=0.077) at the start of sampling (Fig. 1 ).

Анализ АК неожиданно продемонстрировал предпочтительное и быстрое использование средами АК аспартата, глутамата, серина, гистидина и треонина (фиг. 2). Запасы аргинина в среде быстро истощались. Что более важно, серии и треонин потреблялись в более чем 6-кратном, а аспартат, глутамат, гистидин и аргинин - в более чем 20-кратном количестве, чем это необходимо для продуцирования биомассы, что указывает на их использование для других целей, чем включение в биомассу. Примечательно, что накопление аланина вместо его потребления наблюдали на обеих средах во время роста. Исходя из этих результатов следующие среды с концентрациями выше в 2 и 4 раза были сконструированы так, чтобы получить более минимальную среду, более быстрый рост и более высокую ОП: среда 14АК путем исключения шести АК не потребляла вообще или потребляла медленно, а среда 8АК путем восстановления аминокислот дополнительно.The analysis of AA unexpectedly demonstrated the preferential and rapid use of aspartate, glutamate, serine, histidine and threonine by AA media (Fig. 2). The reserves of arginine in the environment were quickly depleted. More importantly, serine and threonine were consumed at more than 6 times and aspartate, glutamate, histidine and arginine at more than 20 times what is needed for biomass production, indicating their use for purposes other than inclusion. into biomass. It is noteworthy that the accumulation of alanine instead of consumption was observed on both media during growth. Based on these results, the following media at 2-fold and 4-fold higher concentrations were designed to give a more minimal medium, faster growth, and higher OD: 14AA medium, by eliminating six AAs, did not consume at all or consumed slowly, and 8AA medium, by reducing additional amino acids.

В среде 14АК с 4-кратным увеличением концентрации АК была достигнута более высокая максимальная ОП по сравнению с ростом на дрожжевом экстракте (фиг. 3). Важно отметить, что максимальная ОП, достигнутая на среде 8АК, соответствует показателю среды 20АК, демонстрирующему, что более минимальный состав АК может поддерживать хороший рост. Увеличение концентрации АК положительно сказалось на времени удвоения: более быстрый и эквивалентно быстрый рост был достигнут на средах 14АК и 8АК соответственно по сравнению с дрожжевым экстрактом и средой 20АК (фиг. 4).In 14AA medium with a 4-fold increase in AA concentration, a higher maximum OD was achieved compared to growth on yeast extract (Fig. 3). It is important to note that the maximum OD achieved on 8AA medium corresponds to that of 20AA medium, demonstrating that a more minimal AA composition can support good growth. An increase in AA concentration had a positive effect on the doubling time: faster and equivalently faster growth was achieved on 14AA and 8AA media, respectively, compared to yeast extract and 20AA medium (Fig. 4).

Анализ АК подтвердил предыдущие результаты и еще раз подчеркнул важность АК аспартата, глутамата, гистидина и аргинина (фиг. 5 и 6). Примечательно, что аргинин был наиболее предпочтительной аминокислотой, поскольку он истощался уже при ОП=0,24. Среди других АК, серии и треонин использовались более быстро. Опять же на обеих средах наблюдалось значительное накопление аланина. Представляет интерес тот факт, что орнитин также продуцировался. Аспартат, глутамат, гистидин и аргинин потреблялись в более чем 10-кратном количестве, чем это необходимо для продуцирования биомассы, что указывает на их использование для выработки энергии.The AA analysis confirmed the previous results and re-emphasized the importance of the AAs of aspartate, glutamate, histidine, and arginine (FIGS. 5 and 6). It is noteworthy that arginine was the most preferred amino acid, since it was already depleted at OD=0.24. Among other AKs, series and threonine were used more quickly. Again, significant accumulation of alanine was observed on both media. Of interest is the fact that ornithine was also produced. Aspartate, glutamate, histidine, and arginine were consumed in more than 10 times the amount needed for biomass production, indicating their use for energy generation.

Исходя из этих результатов две следующие среды были разработаны для получения более быстрого роста: среда 12АК путем исключения глутамина и триптофана из среды 14АК и увеличения концентраций серина, треонина и цистеина в 8 раз, и среда, состоящая только из 4 идентифицированных АК: аспартата, глутамата, гистидина и аргинина - с 80-кратным увеличением концентраций по сравнению с средой 20АК (увеличение в 2 и 20 раз по сравнению со средой 14АК); среда 4АК, содержащая только 4 верхних АК аспартата, глутамата, гистидина и аргинина с 80-кратным увеличением концентраций по сравнению со средой 20АК.Based on these results, the following two media were designed to obtain faster growth: 12AA medium by eliminating glutamine and tryptophan from 14AA medium and increasing the concentrations of serine, threonine and cysteine by 8 times, and a medium consisting of only 4 identified AAs: aspartate, glutamate , histidine and arginine - with an 80-fold increase in concentration compared to the 20AK medium (an increase of 2 and 20 times compared to the 14AK medium); 4AA medium containing only the 4 upper AAs of aspartate, glutamate, histidine and arginine with an 80-fold increase in concentrations compared to 20AA medium.

Конструкция среды 4АК поддерживала более высокую максимальную ОП по сравнению со средой 12АК и соответствовала максимальной ОП, полученной на дрожжевом экстракте и среде 20АК (фиг. 7). В обеих средах 4АК и 12АК быстрый рост - tD ~2,5 ч - измерялся до ОП ~0,3, после чего рост замедлялся. Важно отметить, что достигнутое tD ~2,5 ч в 4 раза быстрее по сравнению с добавлением 1 г/л дрожжевого экстракта, что обычно применяется.The 4AK medium design maintained a higher maximum OD compared to 12AK medium and was consistent with the maximum OD obtained with yeast extract and 20AK medium (FIG. 7). In both 4AA and 12AA media, rapid growth - tD ~2.5 h - was measured up to OD ~0.3, after which growth slowed down. It is important to note that the achieved tD ~2.5 h is 4 times faster compared to the addition of 1 g/l yeast extract, which is usually used.

Быстрый начальный рост с последующим замедлением объясняется истощением аргинина. Из данных анализа АК среды 12АК видно, что аргинин является предпочтительной АК, и полностью истощается при ОП=0,37 (фиг. 8). Эти данные также указывают на то, что аргинин сильно стимулировал рост вместе с глутаматом, аспартатом и гистидином, поддерживая tD ~2,5 ч, что было измерено в диапазоне ОП от 0,1 до 0,3, в то время как рост замедлялся после истощения аргинина в диапазоне ОП от 0,3 до 0,37. Наблюдалось одновременное накопление орнитина. Опять же было обнаружено значительное накопление аланина.Rapid initial growth followed by a slowdown is due to arginine depletion. It can be seen from the AA analysis of the 12AA medium that arginine is the preferred AA and is completely depleted at OD=0.37 (Fig. 8). These data also indicate that arginine strongly stimulated growth along with glutamate, aspartate, and histidine, maintaining a tD of ~2.5 h, which was measured in the OD range of 0.1 to 0.3, while growth slowed after depletion of arginine in the range of OP from 0.3 to 0.37. There was a simultaneous accumulation of ornithine. Again, a significant accumulation of alanine was found.

Замедление роста после истощения аргинина также проявлялось в среде 4АК (фиг. 9). Во время катаболизма аргинина, кроме орнитина, было обнаружено также накопление цитруллина. В дополнение к накоплению аланина в первый раз небольшие количества (~0,3 мМ) накопленного лизина и валина, а также неизвестный пик (время удерживания 8,3 мин) продемонстрировали увеличение площадей пиков.Growth retardation after arginine depletion was also seen in 4AK medium (FIG. 9). During the catabolism of arginine, in addition to ornithine, an accumulation of citrulline was also found. In addition to the accumulation of alanine for the first time, small amounts (~0.3 mM) of accumulated lysine and valine, as well as an unknown peak (retention time 8.3 min) showed an increase in peak areas.

Поскольку первоначальный быстрый рост был неожиданным, для расчета tD можно было использовать только пару образцов. Таким образом, устройство мониторинга биомассы BugLab было прикреплено к флакону с сывороткой на среде 4АК с целью осуществления непрерывного мониторинга увеличение биомассы до истощения аргинина в среде. Этот эксперимент подтвердил быстрый рост на 4АК до истощения аргинина, поскольку tD было рассчитано как ~2 ч (фиг. 10).Because the initial rapid growth was unexpected, only a couple of samples could be used to calculate tD. Therefore, the BugLab biomass monitoring device was attached to the vial of serum on 4AK medium in order to continuously monitor the increase in biomass until the arginine in the medium was depleted. This experiment confirmed the rapid rise on 4AK to arginine depletion, since tD was calculated as ~2 h (FIG. 10).

Даже добавление аргинина приводило к очень хорошему росту с эквивалентно высокой максимальной ОП, как на среде 4АК, так и на дрожжевом экстракте. Рост С. autoethanogenum DSM10061 в бездрожжевой среде PETC-MES с 5 г аргинина/л+5 г фруктозы/л приводил к быстрому начальному росту на ранней этапе (tD ~3 ч) с последующим более медленным ростом на втором этапе после истощения аргиEven the addition of arginine resulted in very good growth with an equivalent high maximum OD on both 4AA medium and yeast extract. Growth of C. autoethanogenum DSM10061 in yeast-free PETC-MES medium with 5 g arginine/l + 5 g fructose/l resulted in rapid initial growth at an early stage (tD ~3 h) followed by slower growth in the second stage after arga depletion

- 19 040778 нина (tD ~40 ч) (фиг. 11).- 19 040778 nina (tD ~40 h) (Fig. 11).

Неожиданно было обнаружено, что во время начальной фазы быстрого роста образовывалось небольшое количество ацетата. Продуцирование ацетата опять же связано с ростом во второй, более медленной фазе роста (фиг. 12).Surprisingly, it was found that during the initial phase of rapid growth formed a small amount of acetate. The production of acetate is again associated with growth in the second, slower growth phase (FIG. 12).

На фиг. 13 продемонстрировано быстрое использование аргинина. В дополнение к накоплению аланина, небольшие количества (~0,5 мМ) лизина и валина были получены аналогично среде 4АК. Тот же самый неизвестный пик (время удерживания 8,3 мин), наблюдаемый на среде 4АК, продемонстрировал увеличение площади пиков после истощения аргинина.In FIG. 13 demonstrates the rapid use of arginine. In addition to the accumulation of alanine, small amounts (~0.5 mM) of lysine and valine were obtained similarly to 4AK medium. The same unknown peak (retention time 8.3 min) observed on 4AK medium showed an increase in peak area after arginine depletion.

С целью получения более точного значения tD на среде с аргинином был проведен эксперимент BugLab для непрерывного мониторинга увеличения биомассы до расхода аргинина. Этот эксперимент подтвердил быстрый рост до расхода аргинина, поскольку значение tD было рассчитано как ~3 ч (фиг. 14). Более быстрый рост аргинина по сравнению с экстрактом дрожжей продемонстрирован на фиг. 15.In order to obtain a more accurate value of tD on the medium with arginine, the BugLab experiment was carried out to continuously monitor the increase in biomass to the consumption of arginine. This experiment confirmed the rapid rise to arginine consumption since the tD value was calculated as ~3 h (FIG. 14). The faster growth of arginine compared to the yeast extract is shown in FIG. 15.

Пример 2. Усиление аутотрофного роста при добавлении аргинина.Example 2. Enhancement of autotrophic growth with the addition of arginine.

Этот пример демонстрирует повышенную удельную скорость роста и меньшее количество продуцируемого ацетата для ацетогенного Clostridium autoethanogenum DSM 23693 при аутотрофном росте с добавлением аргинина.This example demonstrates an increased specific growth rate and less acetate production for the acetogenic Clostridium autoethanogenum DSM 23693 when autotrophically grown with the addition of arginine.

Clostridium autoethanogenum DSM 23693 (дериват Clostridium autoethanogenum DSM 10061; патент США 2013/0217096) был получен из DSMZ (Немецкая коллекция микроорганизмов и клеточных культур, Inhoffenstraβe 7 В, 38124 Braunschweig, Германия).Clostridium autoethanogenum DSM 23693 (derivative of Clostridium autoethanogenum DSM 10061; US Patent 2013/0217096) was obtained from DSMZ (German Collection of Microorganisms and Cell Cultures, Inhoffenstraβe 7B, 38124 Braunschweig, Germany).

Рост осуществляли в среде PETC-MES без дрожжевого экстракта (табл. 1) с помощью стандартных анаэробных методов (Hungate, Meth. Microbiol., 3B:117-132, 1969; Wolfe, Adv. Microb. Physiol., 6:107-146, 1971) и применением газовой смеси СО/СО2/Н2 (композиция: 50% СО, 20% СО2, 2% Н2, 28% N2) с давлением в свободном пространстве 22 фунта на квадратный дюйм.Growth was carried out in PETC-MES without yeast extract (Table 1) using standard anaerobic methods (Hungate, Meth. Microbiol., 3B:117-132, 1969; Wolfe, Adv. Microb. Physiol., 6:107-146 , 1971) and using a CO/CO2/H2 gas mixture (composition: 50% CO, 20% CO 2 , 2% H 2 , 28% N2) with a headspace pressure of 22 psi.

Для изучения эффекта добавления аргинина к среде добавляли 5 г/л аргинина, а культуральный рост и продуцирование метаболитов при аутотрофном росте сравнивали с контролем без аргинина.To study the effect of adding arginine, 5 g/l of arginine was added to the medium, and the culture growth and production of metabolites during autotrophic growth were compared with the control without arginine.

Затем анализировали рост посредством измерения оптической плотности с помощью спектрофотометра Thermo Genesys 20. Метаболиты, такие как ацетат (уксусная кислота), этанол, 2,3-бутандиол или молочную кислоту, измеряли с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) на Agilent LC с детектированием коэффициента преломления (RI) при 35°С. Образцы готовили путем разбавления 400 мкл с 100 мкл раствора 5-сульфосалициловой кислоты (1% мас./об. в 1 М серной кислоте) с последующим 3-минутным центрифугированием при 14000 об/мин; супернатант переносили в стеклянный флакон для анализа. Разделение проводили с помощью ввода 10 мкл на колонку Alltech IOA-2000 (150 ммх6,5 ммх8 мкм) при 0,7 мл/мин и 65°С в изократических условиях с применением 5 мМ подвижной фазы серной кислоты.Growth was then analyzed by measuring optical density with a Thermo Genesys 20 spectrophotometer. Metabolites such as acetate (acetic acid), ethanol, 2,3-butanediol, or lactic acid were measured by high performance liquid chromatography (HPLC) on an Agilent LC with coefficient detection refraction (RI) at 35°C. Samples were prepared by diluting 400 μl with 100 μl of a solution of 5-sulfosalicylic acid (1% w/v in 1 M sulfuric acid) followed by 3 minutes centrifugation at 14,000 rpm; the supernatant was transferred into a glass vial for analysis. Separation was performed by injecting 10 µl onto an Alltech IOA-2000 column (150 mm x 6.5 mm x 8 µm) at 0.7 ml/min and 65° C. under isocratic conditions using 5 mM sulfuric acid mobile phase.

Эксперимент проводили в двух биологических повторах с трехкратными культурами (n=3) для каждого условия в объеме 40 мл среды во флаконах Шотта 1 л при 37°С с орбитальным встряхиванием (120 об/мин, орбитальное встряхивание). В каждом случае ацетогенный штамм С. autoethanogenum DSM 23693 предварительно культивировали в PETC-MES без дрожжевого экстракта до ОП 600 нм=0,3 и для инокуляции применяли одну предварительную культуру.The experiment was performed in two biological replicates with triplicate cultures (n=3) for each condition in a volume of 40 ml of medium in 1 L Schott flasks at 37°C with orbital shaking (120 rpm, orbital shaking). In each case, the acetogenic strain C. autoethanogenum DSM 23693 was pre-cultured in PETC-MES without yeast extract to an OD of 600 nm=0.3 and one pre-culture was used for inoculation.

В первом эксперименте соблюдались следующие условия: PETC-MES без дрожжевого экстракта+синтез-газ, 22 фунта на квадратный дюйм (исходный показатель ОП 600 нм=0,005) и PETC-MES без дрожжевого экстракта+синтез-газ, 22 фунта на квадратный дюйм+5 г аргинина/л (исходный показатель ОП 600 нм=0,005).In the first experiment, the following conditions were met: PETC-MES without yeast extract + synthesis gas, 22 psi (original OD 600 nm = 0.005) and PETC-MES without yeast extract + synthesis gas, 22 psi + 5 g arginine/l (baseline OD 600 nm=0.005).

В повторном эксперименте культуру также инокулировали в среду с добавлением аргинина, но без добавления газа СО/СО2/Н2 (100% N2, 22 фунта на квадратный дюйм, в качестве свободного пространства). Этот эксперимент состоял из следующих трех условий: PETC-MES без дрожжевого экстракта+синтез-газ, 22 фунта на квадратный дюйм (исходный показатель ОП 600 нм=0,03), PETC-MES без дрожжевого экстракта+синтез-газ, 22 фунта на квадратный дюйм+5 г аргинина/л (исходный показатель ОП 600 нм=0,003) и PETC-MES без дрожжевого экстракта+5 г аргинина/л (исходный показатель ОП 600 нм=0,03). Среду, содержащую аргинин, инокулировали до более низкой исходной плотности, чем среда без аргинина, чтобы отразить неожиданно повышенную удельную скорость роста с аргинином, наблюдаемую в первом эксперименте.In a repeat experiment, the culture was also inoculated into medium supplemented with arginine, but without the addition of CO/CO2/H2 gas (100% N2, 22 psi as headspace). This experiment consisted of the following three conditions: PETC-MES without yeast extract + synthesis gas, 22 psi (original OD 600 nm = 0.03), PETC-MES without yeast extract + synthesis gas, 22 psi square inch+5 g arginine/L (original OD 600 nm=0.003) and PETC-MES without yeast extract+5 g arginine/L (original OD 600 nm=0.03). The arginine-containing medium was inoculated to a lower initial density than the arginine-free medium to reflect the unexpectedly increased specific growth rate with arginine observed in the first experiment.

В обоих экспериментах культуры с аргинином росли неожиданно быстро (4 удвоения менее чем за 15 ч, что соответствовало удвоению времени tD=3,5 ч и удельной скорости роста μ=0,198) до ОП 600 нм®0,8, тогда как рост контроля был намного медленнее с удвоением времени tD=7,3 ч и удельной скоростью роста μ=0,095 (фиг. 16, 17). Следовательно, добавление аргинина уменьшало время удвоения и увеличивало удельную скорость роста культуры при аутотрофном росте более чем на 50%.In both experiments, cultures with arginine grew surprisingly fast (4 doublings in less than 15 h, corresponding to a doubling of time tD=3.5 h and specific growth rate μ=0.198) to an OD of 600 nm®0.8, while control growth was much slower with doubling time tD=7.3 h and specific growth rate μ=0.095 (FIGS. 16, 17). Therefore, the addition of arginine reduced the doubling time and increased the specific growth rate of the culture during autotrophic growth by more than 50%.

Лог-преобразованный график автотрофного роста С. autoethanogenum наглядно демонстрирует уменьшение времени удвоения в результате добавления аргинина (фиг. 18). Рассчитанное время удвоения составляло tD=7,3 ч±0,2 для аутотрофного роста без добавления аргинина и tD=3,5 ч±0,2 с добавлением аргинина, что на 52% меньше.A log-transformed autotrophic growth plot of C. autoethanogenum clearly demonstrates the decrease in doubling time as a result of the addition of arginine (FIG. 18). The calculated doubling time was tD=7.3 h±0.2 for autotrophic growth without the addition of arginine and tD=3.5 h±0.2 with the addition of arginine, which is 52% less.

- 20 040778- 20 040778

Как с аргинином, так и без него культура достигла той же конечной плотности при аутотрофном росте, что указывает на то, что аргинин не использовался в качестве источника углерода, а только увеличивал удельную скорость роста (фиг. 16, 17). Это было также подтверждено в культуре, в которую не поставлялся газ; в культурах, дополненных аргинином, но без газовой смеси СО/СО2/Н2, не наблюдали роста в течение 48 ч (фиг. 17). Это подтверждает гипотезу о том, что аргинин не используется в качестве источника углерода в этих условиях, а скорее СО/СО2 используется в качестве источника углерода, а АТФ обеспечивается в результате метаболизма аргинина.Both with and without arginine, the culture reached the same final density during autotrophic growth, indicating that arginine was not used as a carbon source, but only increased the specific growth rate (Figs. 16, 17). This was also confirmed in a culture that was not supplied with gas; in cultures supplemented with arginine but without CO/CO2/H2 gas mixture, no growth was observed within 48 hours (FIG. 17). This supports the hypothesis that arginine is not used as a carbon source under these conditions, but rather CO/CO2 is used as a carbon source and ATP is provided from arginine metabolism.

Автотрофный рост ацетогенов обычно связан с образованием ацетата (уксусной кислоты), поскольку образование ацетата генерирует АТФ посредством субстратного фосфорилирования в реакции ацетаткиназы, которая необходима для роста. Как было установлено на сегодняшний день, все выделенные ацетогены продуцируют ацетат. Однако образование ацетата нежелательно с точки зрения процесса, поскольку он отводит углерод от целевых продуктов и, как известно, является токсичным для микроорганизмов уже при низких концентрациях, составляющих несколько процентов (J. Ballongue, E. Masion, J. Amine, H. Petitdemange, R. Gay, Appl. Microbiol. Biotechnol., 1987, 26, 568-573; G. Wang, D.I. Wang, Appl. Environ. Microbiol., 1984, 47, 294-8). В среде роста, дополненной 5 г аргинина/л, неожиданно не наблюдали никакого продуцирования ацетата до момента наступления паузы в росте при ОП 600 нм«0,8 и только на этом этапе ацетат продуцировался (фиг. 19).The autotrophic growth of acetogens is usually associated with the formation of acetate (acetic acid), since the formation of acetate generates ATP through substrate phosphorylation in the acetate kinase reaction, which is necessary for growth. All acetogens isolated to date have been found to produce acetate. However, the formation of acetate is undesirable from the point of view of the process, since it removes carbon from the target products and is known to be toxic to microorganisms even at low concentrations of a few percent (J. Ballongue, E. Masion, J. Amine, H. Petitdemange, R. Gay, Appl. Microbiol. Biotechnol., 1987, 26, 568-573; G. Wang, D. I. Wang, Appl. Environ. Microbiol., 1984, 47, 294-8). In the growth medium supplemented with 5 g arginine/l, surprisingly no acetate production was observed until the growth pause at OD 600 nm-0.8 and only at this point was acetate produced (Fig. 19).

Результаты этого набора экспериментов подтверждают, что С. autoethanogenum может использовать аргинин с целью продуцирования АТФ для роста, и поэтому не имеет потребности продуцировать ацетат при добавлении аргинина.The results of this set of experiments confirm that C. autoethanogenum can use arginine to produce ATP for growth and therefore does not need to produce acetate when arginine is added.

Пример 3. Идентификация и оптимизация путей использования аргинина.Example 3 Identification and optimization of arginine utilization routes.

Этот пример демонстрирует, как аргинин обеспечивает дополнительный АТФ для клетки и может поступать в центральный метаболизм ацетогенов.This example demonstrates how arginine provides additional ATP to the cell and can enter the central metabolism of acetogens.

Как показано в примере 1, аргинин стехиометрически превращается в орнитин. Также в некоторые моменты времени наблюдали накопление цитруллинов. Не желая быть связанными теорией, авторы полагают, что это наблюдение подразумевает путь аргининдезиминазы в качестве существующего механизма.As shown in Example 1, arginine is stoichiometrically converted to ornithine. Also, at some time points, the accumulation of citrullines was observed. Without wishing to be bound by theory, the authors believe that this observation implies the arginine deiminase pathway as an existing mechanism.

Этот путь превращает аргинин в орнитин, аммоний, АТФ и СО2. Усилению роста будет способствовать поставка АТФ и аммония в результате расщепления аргинина. Эта поставка АТФ также устраняет необходимость продуцирования ацетатов ацетогенами.This pathway converts arginine to ornithine, ammonium, ATP and CO2. Increased growth will be facilitated by the supply of ATP and ammonium as a result of the breakdown of arginine. This supply of ATP also eliminates the need for acetogens to produce acetates.

|ЬаргиНИН/^ · J,’;., ..... ..... ..................СО,|bargy NIN/ ^ J,';., ..... ..... ..................CO,

Н2О аммоний Фосфат L-оринитин АДФ Аммоний н++ АТФH 2 O ammonium Phosphate L-orinitine ADP Ammonium n + 2H + ATP

Путь аргининдезиминазы осуществляется посредством трех ферментативных стадий, катализируемых аргининдезиминазой (ЕС 3.5.3.6), орнитинкарбомилтрансферазой, (путресцинкарбомилтрансферазой) (ЕС 2.1.3.3) и карбаматкиназой (ЕС 2.7.2.2). В геноме С. autoethanogenum идентифицированы соответствующие ферменты (включая два гена транспортера аргинина/орнитина/фермента), орнитинкарбомилтрансфераза, причем карбаматкиназа присутствует во множестве копий (табл. 3). Ферменты, способные катализировать одни и те же реакции, также присутствуют в других организмах, включая многие ацтогены, включая С. ljungdahlii, С. scatologenes, С. drakei, а также Acetonema longum (табл. 4). Этот путь также присутствует в C. stricklandii или E.coli.The arginine deiminase pathway is carried out via three enzymatic steps catalyzed by arginine deiminase (EC 3.5.3.6), ornithine carbomyl transferase, (putrescine carbomyltransferase) (EC 2.1.3.3) and carbamate kinase (EC 2.7.2.2). In the C. autoethanogenum genome, the corresponding enzymes (including two genes for the arginine/ornithine/enzyme transporter), ornithine carbomyltransferase, were identified, with carbamate kinase present in multiple copies (Table 3). Enzymes capable of catalyzing the same reactions are also present in other organisms, including many acetogens, including C. ljungdahlii, C. scatologenes, C. drakei, and Acetonema longum (Table 4). This pathway is also present in C. stricklandii or E. coli.

Таблица 3Table 3

Идентифицированные гены/ферменты пути аргининдезиминазы в С. autoethanogenumIdentified genes/enzymes of the arginine deiminase pathway in C. autoethanogenum

Название Name Нуклеотидная последовательность (Номер доступа, ID гена в Genbank Gen, тег локуса) Nucleotide sequence (Access number, Genbank Gen ID, locus tag) Аминокислотная последовательность (Номер доступа, ID белка в Genbank) Amino acid sequence (Access number, Genbank protein ID) аргининдезиминаза arginine deiminase 17336439, CAETHG_3021 17336439, CAETHG_3021 AGY77224 AGY77224 орнитинкарбомилтрансфераза ornithinecarbomyltransferase 17336440, CAETHG_3022 17334022, CAETHG_0591 17336440,CAETHG_3022 17334022, CAETHG_0591 AGY77225 AGY74820 AGY77225 AGY74820 транспортер аргинина/орнитина arginine/ornithine transporter 17336441, CAETHG3023 17336441, CAETHG3023 AGY77226 AGY77226 17336442, CAETHG_3024 17336442,CAETHG_3024 AGY77227 AGY77227 карбаматкиназа carbamate kinase 17336443, CAETHG_3025 17336443, CAETHG_3025 AGY77228 AGY77228 17333852, CAETHG_0421 17333852, CAETHG_0421 AGY74650 AGY74650 17333876, CAETHG_0445 17333876, CAETHG_0445 AGY74674 AGY74674 17337050, CAETHG 3632 17337050, CAETHG 3632 AGY77835 AGY77835 17335507, CAETHG 2081 17335507, CAETHG 2081 AGY76300 AGY76300

- 21 040778- 21 040778

Таблица 4Table 4

Идентифицированные гены/ферменты пути дезиминазы в других организмахIdentified genes/enzymes of the deiminase pathway in other organisms

Аргининдезиминаза Arginine deiminase Организм organism Номер доступа Access number Clostridium Ijungdahlii DSM Clostridium scatologenes Clostridium drakei Propionispira raffinosivorans Acetonema longum Clostridium perfringens Clostridium sticklandii Clostridium cadaveris Clostridium colicanis Caldisalinibacter kiritimatiensis Caloranaerobacter azorensis Halothermothrix orenii Filifactor alocis Dethiosulfovibrio peptidovorans Aminomonas paucivorans Clostridiisalibacter paucivorans Thermanaerovibrio velox Thermanaerovibrio acidaminovorans Peptoniphilus indolicus Clostridium Ijungdahlii DSM Clostridium scatologenes Clostridium drakei Propionispira raffinosivorans Acetonema longum Clostridium perfringens Clostridium sticklandii Clostridium cadaveris Clostridium colicanis Caldisalinibacter kiritimatiensis Caloranaerobacter azorensis Halothermothrix orenii Filifactor alocis Dethiosulfovibrio peptidovorans Aminomonas paucivorans Clostridiis alibacter paucivorans Thermanaerovibrio velox Thermanaerovibrio acidaminovorans Peptoniphilus indolicus ADK13995.1 AKA70116.1 WP_032076790.1 WP_026329241.1 WP_040292494.1 WP_003479447.1 WP_013361144.1 WP_051196258.1 WP_002599585.1 WP_006311966.1 WP_035161638.1 WP_012635610.1 WP_014262361.1 WP_005659654.1 WP_006299755.1 WP_026893703.1 WP_006582950.1 WP_012870198.1 WP_004823213.1 ADK13995.1 AKA70116.1 WP_032076790.1 WP_026329241.1 WP_040292494.1 WP_003479447.1 WP_013361144.1 WP_051196258.1 WP_002599585.1 WP_006311966.1 WP_035161638.1 WP_012635610.1 WP_014262361.1 WP_005659654.1 WP_006299755.1 WP_026893703.1 WP_006582950.1 WP_012870198.1 WP_004823213.1 Borrelia hermsii Borrelia hermsii YBT Borrelia hermsii Borrelia hermsii HS1 Enterococcus phoeniculicola Vagococcus lutrae Borrelia hermsii Borrelia parkeri Brachyspira alvinipulli Borrelia persica Borrelia hispanica Borrelia coriaceae Borrelia turicatae Fervidicella metallireducens Carnobacterium divergens Borrelia crocidurae Borrelia duttonii Borrelia duttonii Borrelia crocidurae Thermobrachium celere Enterococcus faecalis Enterococcus faecalis CBRDO1 Borrelia recurrentis Caloramator sp. ALDO1 Enterococcus faecalis Caloramator australicus Atopobacter phocae Clostridium sulfidigenes Borrelia anserina Tetragenococcus halophilus Enterococcus haemoperoxidus Streptococcus marimammalium Tetragenococcus muriaticus Enterococcus gallinarum Clostridium dakarense Borrelia miyamotoi Thermoanaerobacterium aotearoense Streptococcus parauberis Enterococcus casseliflavus Clostridium botulinum Streptococcus porcinus Enterococcus casseliflavus Borrelia miyamotoi Thermoanaerobacterium xylanolyticum Streptococcus ictaluri Streptococcus pseudoporcinus Borrelia hermsii Borrelia hermsii YBT Borrelia hermsii Borrelia hermsii HS1 Enterococcus phoeniculicola Vagococcus lutrae Borrelia hermsii Borrelia parkeri Brachyspira alvinipulli Borrelia persica Borrelia hispanica Borrelia coriaceae Borrelia turicatae Fervidicella metallireducens Carnobacterium divergens Borrelia crocidurae Borrelia duttonii Borrelia duttonii Borrelia crocidurae Thermobrachium celere Enterococcus faecalis Enterococcus faecalis CBRDO1 Borrelia recurrentis ALDO1 Enterococcus faecalis Caloramator australicus Atopobacter phocae Clostridium sulfidigenes Borrelia anserina Tetragenococcus halophilus Enterococcus haemoperoxidus Streptococcus marimammalium Tetragenococcus muriaticus Enterococcus gallinarum Clostridium dakarense Borrelia miyamotoi Thermoanaerobacterium aotearoense Streptococcus parauberis Enterococcus casseliflavus Clostridium botulinum Streptococcus porcinus Enterococcus casseliflavus Borrelia miyamotoi Thermoanaerobacterium xylanolyticum Streptococcus ictaluri Streptococcus pseudoporcinus WP_038443653.1 AHH12878.1 WP_043924507.1 AAX17338.1 WP_010766746.1 WP_023606773.1 WP_025400143.1 WP_025375819.1 WP_028331136.1 WP_038363688.1 WP_038359270.1 WP_025408405.1 WP_011772777.1 WP_035377985.1 WP_034570618.1 WP_038442698.1 WP_038366702.1 WP_012538581.1 WP_014696655.1 WP_018660497.1 WP_048941938.1 ESU74366.1 WP_012539214.1 WP_027308491.1 WP_002410400.1 WP_008907964.1 WP_025729241.1 WP_035132876.1 WP_025419989.1 WP_014125833.1 WP_010761089.1 WP_018369865.1 WP_038024314.1 WP_029486596.1 WP_042277345.1 WP_020955199.1 WP_014757694.1 WP_003104748.1 WP_010748983.1 WP_011987187.1 WP_003083226.1 WP_005230691.1 WP_025443390.1 WP_013786994.1 WP_008087965.1 WP_007892646.1 WP_017413713.1 WP_038443653.1 AHH12878.1 WP_043924507.1 AAX17338.1 WP_010766746.1 WP_023606773.1 WP_025400143.1 WP_025375819.1 WP_028331136.1 WP_038363688.1 WP_038359270.1 WP_025408405.1 WP_011772777.1 WP_035377985.1 WP_034570618.1 WP_038442698.1 WP_038366702.1 WP_012538581.1 WP_014696655.1 WP_018660497.1 WP_048941938.1 ESU74366.1 WP_012539214.1 WP_027308491.1 WP_002410400.1 WP_008907964.1 WP_025729241.1 WP_035132876.1 WP_025419989.1 WP_014125833.1 WP_010761089.1 WP_018369865.1 WP_038024314.1 WP_029486596.1 WP_042277345.1 WP_020955199.1 WP_014757694.1 WP_003104748.1 WP_010748983.1 WP_011987187.1 WP_003083226.1 WP_005230691.1 WP_025443390.1 WP_013786994.1 WP_008087965.1 WP_007892646.1 WP_017413713.1

- 22 040778- 22 040778

Clostridium tunisiense | Clostridium tunisiense | Орнитинкарбомилтрансфераза Ornithinecarbomyltransferase Организм organism Номер доступа Access number Clostridium ljungdahlii Propionispira raffinosivorans Clostridium scatologenes Acetonema longum Clostridium senegalense Clostridium argentinense Clostridium argentinense Candidatus Cloacimonas acidaminovorans Clostridium senegalense Clostridium botulinum Staphylococcus haemolyticus Clostridium tunisiense Staphylococcus Simula ns Clostridium sporogenes Staphylococcus haemolyticus Staphylococcus carnosus Staphylococcus epidermidis Staphylococcus carnosus Clostridium drakei Staphylococcus capitis Bacillus rubiinfantis Staphylococcus carnosus Staphylococcus aureus Lactobacillus rennin! Staphylococcus microti Streptococcus agalactiae Lactobacillus parabrevis Clostridium ljungdahlii Propionispira raffinosivorans Clostridium scatologenes Acetonema longum Clostridium senegalense Clostridium argentinense Clostridium argentinense Candidatus Cloacimonas acidaminovorans Clostridium senegalense Clostridium botulinum Staphylococcus haemolyticus Clostridium tunisiense Staphylococcus Simula ns Clostridium sporogenes Staphylococcus haemolyticus Staphylococcus carnosus Staphylococcus epidermidis Staphylococcus carnosus Clostridium drakei Staphylococcus capitis Bacillus rubiinfantis Staphylococcus carnosus Staphylococcus aureus Lactobacillus rennin ! Staphylococcus microti Streptococcus agalactiae Lactobacillus parabrevis WP_013239445.1 WP_019552618.1 WP 046066002.1 WP_004092025.1 WP_010298035.1 WP_039635916.1 WP_039634993.1 WP_015423864.1 WP_010293963.1 WP_041345924.1 WP_053016198.1 WP_017413712.1 WP_023016208.1 WP_058009868.1 WP_053030082.1 WP_012664052.1 WP_049386361.1 WP_053464819.1 WP_032079337.1 WP_002452600.1 WP_042357582.1 WP_046100679.1 WP_031891031.1 WP_057873389.1 WP_044360832.1 WP_000793624.1 WP_020089358.1 WP_013239445.1 WP_019552618.1 WP 046066002.1 WP_004092025.1 WP_010298035.1 WP_039635916.1 WP_039634993.1 WP_015423864.1 WP_010293963.1 WP_041345924.1 WP_053016198.1 WP_017413712.1 WP_023016208.1 WP_058009868.1 WP_053030082.1 WP_012664052.1 WP_049386361.1 WP_053464819.1 WP_032079337.1 WP_002452600.1 WP_042357582.1 WP_046100679.1 WP_031891031.1 WP_057873389.1 WP_044360832.1 WP_000793624.1 WP_020089358.1 Карбаматкиназа Carbamate kinase Организм organism Номер доступа Access number Clostridium scatologenes Clostridium drakei Clostridium argentinense Clostridium carbonicivorans Clostridium drakei Clostridium scatologenes Thermoanaerobacter thermocopriae Thermoanaerobacter mathranii Thermoanaerobacter italicus Caldanaerobacter subterraneus Caldanaerobacter subterraneus Clostridium scatologenes Clostridium drakei Clostridium argentinense Clostridium carbonicivorans Clostridium drakei Clostridium scatologenes Thermoanaerobacter thermocopriae Thermoanaerobacter matranii Thermoanaerobacter italicus Caldanaerobacter subterraneus Caldanaerobacter subterraneus WP_029954845.1 WP_032079746.1 WP_039633500.1 WP_007061333.1 WP_032075357.1 WP_029162276.1 WP_028991790.1 WP_013149923.1 WP_012994659.1 WP_022588163.1 WP_011024959.1 WP_029954845.1 WP_032079746.1 WP_039633500.1 WP_007061333.1 WP_032075357.1 WP_029162276.1 WP_028991790.1 WP_013149923.1 WP_012994659.1 WP_022588163.1 WP_011024959.1

- 23 040778- 23 040778

Acetonema longum Thermoanaerobacter siderophilus Гипотетический белок [Propionispira raffinosivorans Thermoanaerobacter thermocopriae Thermoanaerobacter wiegelii Thermoanaerobacter kivui Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum Caldisalinibacter kiritimatiensis Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum Eubacterium nodatum Thermanaerovibrio velox Thermanaerovibrio acidaminovorans Aminiphilus circumscriptus Clostridium argentinense Anaerovorax odorimutans Thermoanaerobacterium xylanolyticum Clostridium aerotolerans Fervidicella metallireducens Clostridium argentinense Clostridium senegalense Clostridium sphenoides Клостридиальный бактериальный оральный таксон 876 Clostridium perfringens Clostridium sp. KNHs214 Clostridium perfringens Thermoanaerobacterium aotearoense Clostridium celerecrescens Alkaliphilus metalliredigens Clostridium botulinum Clostridium algidicarnis Clostridium botulinum Clostridium drakei Clostridium sticklandii Acetonema longum Thermoanaerobacter siderophilus Hypothetical protein [Propionispira raffinosivorans Thermoanaerobacter thermocopriae Thermoanaerobacter wiegelii Thermoanaerobacter kivui Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum Caldisalinibacter kiritimatiensis Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum Eubacterium nodatum Thermanaerovibrio velox Thermanaerovibrio acidaminovorans Aminiphilus circumscriptus Clostridium argentinense Anaerovorax odorimutans Thermoanaerobacterium xylanolyticum Clostridium aerotolerans Fervidicella metallireducens Clostridium argentinense Clostridium senegalense Clostridium sphenoides Clostridial bacterial oral taxon 876 Clostridium perfringens Clostridium sp. KNHs214 Clostridium perfringens Thermoanaerobacterium aotearoense Clostridium celercrescens Alkaliphilus metaliredigens Clostridium botulinum Clostridium algidicarnis Clostridium botulinum Clostridium drakei Clostridium sticklandii WP_004092029.1 WP_006569095.1 WP_019552620.1 WP_054644772.1 WP_014062398.1 WP_049684636.1 WP_013298601.1 WP_006311968.1 WP_015312281.1 WP_034819233.1 WP_006584132.1 WP_012869022.1 WP_026369063.1 WP_039635912.1 WP_027398659.1 WP_013787463.1 WP_026892136.1 WP_035377990.1 WP_039636739.1 WP_010298030.1 WP_054791734.1 WP_021654611.1 WP_025648248.1 WP_035294990.1 WP_003457589.1 WP_014759446.1 WP_038281265.1 WP_049765320.1 WP_024932088.1 WP_029453364.1 WP_012669533.1 WP_032077363.1 WP_013361146.1 WP_004092029.1 WP_006569095.1 WP_019552620.1 WP_054644772.1 WP_014062398.1 WP_049684636.1 WP_013298601.1 WP_006311968.1 WP_015312281.1 WP_034819233.1 WP_006584132.1 WP_012869022.1 WP_026369063.1 WP_039635912.1 WP_027398659.1 WP_013787463.1 WP_026892136.1 WP_035377990.1 WP_039636739.1 WP_010298030.1 WP_054791734.1 WP_021654611.1 WP_025648248.1 WP_035294990.1 WP_003457589.1 WP_014759446.1 WP_038281265.1 WP_049765320.1 WP_024932088.1 WP_029453364.1 WP_012669533.1 WP_032077363.1 WP_013361146.1

Для повышения эффективности пути, в частности, если наблюдается накопление промежуточных продуктов в виде цитрулинов, соответствующие гены могут быть сверхэкспрессированы или гены из других источников могут быть введены и гетерологично экспрессированы любым специалистом в данной области техники с помощью способов, описанных ранее (US 2013/344547, US 2013/330809, US 2013/323820, US 2013/224838, US 2013/224839, US 2011/256600, US 2011/236941).To improve the efficiency of the pathway, in particular if accumulation of citrulline intermediates is observed, the corresponding genes can be overexpressed or genes from other sources can be introduced and heterologously expressed by any person skilled in the art using the methods described previously (US 2013/344547 , US 2013/330809, US 2013/323820, US 2013/224838, US 2013/224839, US 2011/256600, US 2011/236941).

Сам орнитин может быть далее преобразован в аланин, который, как было продемонстрировано, накапливается также, как и в примере 1. Это превращение также генерирует дополнительные восстановительные эквиваленты НАДФ (Н), а также другую молекулу аммиака и ключевой строительный блок ацетил-КоА из КоА.Ornithine itself can be further converted to alanine, which has been shown to accumulate in the same manner as in Example 1. This conversion also generates additional NADP (H) reducing equivalents as well as another ammonia molecule and a key building block of acetyl-CoA from CoA. .

Как проиллюстрировано на фиг. 23, превращение орнитина в аланин и ацетил-КоА происходит с помощью ферментативных стадий с участием орнитинрацемазы (ЕС 5.1.1.12), орнитинаминомутазы (ЕС 5.4.3.5), 2,4-диаминопентаноатдегидрогеназы (ЕС 1.4.1.12) и 2-амино-4-оксопентаноаттиолазы (ЕС 2.3.1.В10). Соответствующие ферменты описаны, например, из Clostridium sticklandii или образцов природной среды, при этом гомологи были идентифицированы в С. autoethanogenum (табл. 5).As illustrated in FIG. 23, the conversion of ornithine to alanine and acetyl-CoA occurs via enzymatic steps involving ornithine racemase (EC 5.1.1.12), ornithine aminomutase (EC 5.4.3.5), 2,4-diaminopentanoate dehydrogenase (EC 1.4.1.12) and 2-amino-4 -oxopentanoatethiolase (EC 2.3.1.B10). Relevant enzymes have been described, for example, from Clostridium sticklandii or environmental samples, with homologues identified in C. autoethanogenum (Table 5).

- 24 040778- 24 040778

Таблица 5Table 5

Идентифицированные гены/ферменты орнитина к пути превращения аланина и ацетил-КоА из С. sticklandii или образцов природной среды и гомологи С. autoethanogenumIdentified ornithine genes/enzymes in the alanine and acetyl-CoA pathway from C. sticklandii or environmental samples and homologues of C. autoethanogenum

Название Name Нуклеотидная последовательность (Номер доступа, П) гена в Genbank Gen, тег локуса) Nucleotide sequence (Access number, P) of a gene in Genbank Gen, locus tag) Аминокислотная последовательность (Номер доступа, П) белка в Genbank) Amino acid sequence (Access number, P) of the protein in Genbank) орнитинрацемаза ornithine racemase 9854830, CLOST1288 9854830, CLOST1288 СВН21408 SVN21408 орнитинаминомутаза, субъединица бета (ОгаЕ) ornithine aminomutase, subunit beta (Ornithine) 9854831, CLOST1290 17333626, CAETHG0193 9854831, CLOST1290 17333626, CAETHG0193 СВН21410 AGY74426 SVN21410 AGY74426 орнитинаминомутаза, субъединица альфа (OraS) ornithine aminomutase, alpha subunit (OraS) 9856217, CLOST1291 9856217, CLOST1291 СВН21411 SVN21411 2,4- диаминопентаноатдегидрогеназа 2.4- diaminopentanoate dehydrogenase CU695246 CU695246 CAQ42978.1 CAQ42978.1 2-амино-4-оксопентаноаттиолаза, субъединица бета 2-amino-4-oxopentanoatethiolase, beta subunit CU695248 CU695248 CAQ42980.1 CAQ42980.1 2-амино-4-оксопентаноаттиолаза, субъединица альфа 2-amino-4-oxopentanoatthiolase, alpha subunit CU695247 CU695247 CAQ42979.1 CAQ42979.1

Для повышения эффективности пути, в частности, если наблюдается накопление орнитина, любым специалистом в данной области техники соответствующие гены С. autoethanogenum могут быть сверхэкспрессированы или гены из С. sticklandii или образцов природной среды по табл. 5 могут быть введены и гетерологично экспрессированы с помощью способов, описанных ранее (WO 2012/053905, WO 2012/115527, WO 2013/180584). Организм также может быть адаптирован и сформирован для более эффективного использования орнитина, если он является адаптированным к аргинину для роста в динамике.To increase the efficiency of the pathway, in particular if ornithine accumulation is observed, the appropriate genes of C. autoethanogenum can be overexpressed by any person skilled in the art, or genes from C. sticklandii or environmental samples according to Table. 5 can be introduced and heterologously expressed using the methods described previously (WO 2012/053905, WO 2012/115527, WO 2013/180584). The body can also be adapted and shaped to use ornithine more efficiently if it is adapted to arginine for dynamic growth.

Для получения метаболического потока в путь также может потребоваться нокаут транспортера аргинина:орнитина (CAETHG3023-24), чтобы предупредить выход орнитина из клетки. Такие нокауты могут осуществляться любым специалистом в данной области техники с помощью способов, описанных ранее (WO 2012/053905, WO 2012/115527 и WO 2013/180584). Также может понадобиться добавление альтернативного транспортера аргинина. Альтернативным подходом к нокауту транспортера аргинина:орнитина может быть введение импортера орнитина, следовательно, орнитин может быть метаболизирован дополнительно.A knockout of the arginine:ornithine transporter (CAETHG3023-24) may also be required to obtain metabolic flux into the pathway to prevent ornithine from leaving the cell. Such knockouts can be carried out by any person skilled in the art using the methods described previously (WO 2012/053905, WO 2012/115527 and WO 2013/180584). You may also need to add an alternative arginine transporter. An alternative approach to knockout of the arginine:ornithine transporter would be to administer an ornithine importer, so ornithine could be further metabolized.

Идентифицированные пути были также смоделированы в реконструкции масштабной модели генома, чтобы продемонстрировать эффект метаболизма и подтвердить идентифицированные пути.The identified pathways were also modeled in genome scale reconstruction to demonstrate the effect of metabolism and validate the identified pathways.

Реконструкцию метаболизма в масштабной модели генома для С. autoethanogenum создавали на основе опубликованных способов (L.-E. Quek, L.K. Nielsen, Genome Inform., 2008, 21, 89-100; C.G. de Oliveira Dal'Molin, L.-E. Quek, R.W. Palfreyman, S.M. Brumbley, L.K. Nielsen, Plant Physiol., 2010, 152, 579-89; С. Licona-Cassani, E. Marcellin, L.-E. Quek, S. Jacob, L.K. Nielsen, Antonie Van Leeuwenhoek, 2012, 102, 493-502.). Ядро масштабной модели генома реконструировали с применением аннотационного магистрального конвейера модели SEED (CS. Henry, M. DeJongh, A.A. Best, P.M. Frybarger, В. Linsay, R.L. Stevens, Nat. Biotechnol., 2010, 28, 977-82). Реконструкция сохранила все атрибуты реакции от модели SEED, включая уникальные реакции, составные идентификаторы и обратимость реакций. Модель заполняли гэпами вручную в Excel (Microsoft Corporation) для упрощения аннотирования и комментирования, в частности, центральный метаболизм и определенные выше пути использования аргинина специально отбирали в ручном режиме. Из этой ген-ориентированной базы данных генерировали репрезентативную 2D-ориентированную реакцию SBML (System Biology Markup Language, http://www.sbml.org) с помощью приложения Java (Oracle Corporation). Реконструкцию и анализ на основе ограничений выполняли с помощью инструментария COBRA (http://opencobra.sourceforge.net/) (J. Schellenberger, R. Que, R.M. T. Fleming, I. Thiele, J.D. Orth, A.M. Feist, D.C. Zielinski, A. Bordbar, N.E. Lewis, S. Rahmanian, J. Kang, D.R. Hyduke, B.O. Palsson, Nat. Protoc., 2011, 6, 1290-307). Набор сценариев для моделирования на основе ограничений выполняли в среде MATLAB. Анализ баланса метаболического потока (Orth et al., 2010) применяли для расчета основных питательных веществ для роста, а анализ скрытой оценки проводили для исследования положительного эффекта аминокислот (АК) на Clostridium autoethanogenum и определения того, какие АК оказывают наибольшее влияние на продуцирование АТФ. Анализ баланса метаболического потока (АБП) применяли для расчета основных питательных веществ для роста (Fan et al., 2014; Song et al., 2008); анализировали эффекты добавления АК синтез целевого продукта (Licona-Cassani et al., 2012) и в сочетании с анализом (Hillier и Lieberman, 2010) скрытой цены определяли субстраты, оказывающие наибольшее влияние на продуцирование ATO (Teusink et al., 2006).Metabolism reconstruction in a genome scale model for C. autoethanogenum was created based on published methods (L.-E. Quek, L.K. Nielsen, Genome Inform., 2008, 21, 89-100; C.G. de Oliveira Dal'Molin, L.-E. Quek, R. W. Palfreyman, S. M. Brumbley, L. K. Nielsen, Plant Physiol., 2010, 152, 579-89 C. Licona-Cassani, E. Marcellin, L.-E. Quek, S. Jacob, L. K. Nielsen, Antonie Van Leeuwenhoek , 2012, 102, 493-502.). The genome scale model core was reconstructed using the annotation backbone of the SEED model (CS. Henry, M. DeJongh, A.A. Best, P.M. Frybarger, B. Linsay, R.L. Stevens, Nat. Biotechnol., 2010, 28, 977-82). The reconstruction retained all response attributes from the SEED model, including unique responses, composite identifiers, and response reversibility. The model was gapped manually in Excel (Microsoft Corporation) for ease of annotation and commenting, in particular, central metabolism and the pathways of arginine use defined above were specially selected in manual mode. From this gene-oriented database, a representative 2D-oriented SBML (System Biology Markup Language, http://www.sbml.org) response was generated using a Java application (Oracle Corporation). Constraint-based reconstruction and analysis were performed using the COBRA toolkit (http://opencobra.sourceforge.net/) (J. Schellenberger, R. Que, R.M. T. Fleming, I. Thiele, J.D. Orth, A.M. Feist, D.C. Zielinski, A. Bordbar, N. E. Lewis, S. Rahmanian, J. Kang, D. R. Hyduke, B. O. Palsson, Nat. Protoc., 2011, 6, 1290-307). A set of scenarios for constraint-based modeling was run in the MATLAB environment. Metabolic flow balance analysis (Orth et al., 2010) was used to calculate key nutrients for growth, and implicit score analysis was performed to investigate the positive effect of amino acids (AA) on Clostridium autoethanogenum and determine which AAs have the greatest effect on ATP production. Metabolic flow balance analysis (FBA) was used to calculate key growth nutrients (Fan et al., 2014; Song et al., 2008); analyzed the effects of AA addition on target product synthesis (Licona-Cassani et al., 2012) and, in combination with latent cost analysis (Hillier and Lieberman, 2010), determined the substrates that had the greatest effect on ATO production (Teusink et al., 2006).

- 25 040778- 25 040778

Обычный анализ скрытой цены может быть некорректным с АК. Если анализ скрытой цены проводится в условиях автотрофии (т.е. при нулевом поглощении), он покажет альтернативные издержки синтеза АК, т.е. ресурсы, которые могут быть высвобождены, если данная АК была добавлена в среду. Самый дорогой синтез АК не обязательно является лучшим субстратом для продуцирования АТФ. Например, может быть недоступным какой-либо путь расщепления.Conventional hidden price analysis may not be correct with AK. If the latent cost analysis is done under autotrophy conditions (i.e., zero uptake), it will show the opportunity cost of AA synthesis, i.e. resources that could be freed up if this AC was added to the environment. The most expensive AA synthesis is not necessarily the best substrate for ATP production. For example, some cleavage path may not be available.

Чтобы преодолеть эту проблему, был выполнен анализ коррекции скрытой цены. Для каждой из 20 АК был доступен максимальный поток 1,4 ммоль/г DCW/ч при максимизации объема получения биомассы. Этот поток представляет собой наблюдаемую максимальную удельную скорость поглощения фруктозы микроорганизмом С. autoethanogenum DSM 10061 во время предварительных экспериментов по изучению роста на стандартной среде PETC-MES (включая дрожжевой экстракт (YE)) и фруктозу. АК с отсутствием пути расщепеления не могут использовать максимально допустимый поток и, следовательно, будут иметь нулевую скрытую цену. Анализ скрытой цены выявил девять АК: глутамин, гистидин (HIS), цистеин (CYS), треонин, аспартат (ASP), аргинин (ARG), глицин, серии и глутамат (GLU) - из обычных 20, которые С. autoethanogenum должен предпочесть, поскольку они приводят к более быстрому росту.To overcome this problem, a latent price correction analysis was performed. For each of the 20 AAs, a maximum flow of 1.4 mmol/g DCW/h was available while maximizing the amount of biomass production. This flux represents the observed maximum specific fructose uptake rate by C. autoethanogenum DSM 10061 during preliminary growth experiments on standard PETC-MES medium (including yeast extract (YE)) and fructose. ACs with no splitting path cannot use the maximum allowable flow and therefore will have zero hidden cost. Latent price analysis revealed nine AAs: glutamine, histidine (HIS), cysteine (CYS), threonine, aspartate (ASP), arginine (ARG), glycine, serine, and glutamate (GLU) - out of the usual 20 that C. autoethanogenum should prefer because they lead to faster growth.

Прогнозирование АК на основе модели было подтверждено на среде 20АК для восьми из девяти ожидаемых АК (фиг. 2) за исключением лишь глицина. Примечательно, что поглощение ASP, GLU, HIS и ARG на единицу биомассы было более чем в 20 раз выше, чем необходимо для синтеза биомассы. Поглощение АК на грамм биомассы сравнивали с ожидаемой концентрацией в биомассе (потребность клеток) на основе измерений, проведенных в Clostridium acetobutylcium (Lee et al., 2008).Model-based AA prediction was validated on 20AA medium for eight of the nine expected AAs (FIG. 2) except for glycine. Notably, the uptake of ASP, GLU, HIS and ARG per unit of biomass was more than 20 times higher than needed for biomass synthesis. AA uptake per gram of biomass was compared with the expected biomass concentration (cell requirement) based on measurements made in Clostridium acetobutylcium (Lee et al., 2008).

Неожиданно было обнаружено, что на дополнительно разработанной среде 12АК поглощение ASP, GLU, HIS и ARG было более чем в 120 раз выше, чем требуется для синтеза биомассы, и что указанные аминокислоты могут значительно ускорить рост. Это указывает на потенциальное участие ASP, GLU, HIS и ARG в генерации энергии. Представляет интерес тот факт, что одновременно с потреблением аргинина в фазе быстрого роста было обнаружено накопление орнитина (фиг. 8), указывающее на потенциальное участие пути аргининдезиминазы (ADI) в обеспечении клеток дополнительным АТФ. Следует отметить, что показатель первоначально наблюдаемого быстрого роста (tD=2,5±0,1 ч) очень близок к рассчетному росту с 20 АК (tD=2,9 ч).Surprisingly, it was found that the uptake of ASP, GLU, HIS and ARG was more than 120 times higher than required for biomass synthesis on the additionally developed 12AK medium, and that these amino acids can significantly accelerate growth. This indicates the potential involvement of ASP, GLU, HIS and ARG in energy generation. Of interest is the fact that concurrent with arginine consumption in the fast growth phase, an accumulation of ornithine was detected (FIG. 8), indicating a potential involvement of the arginine deiminase (ADI) pathway in providing cells with additional ATP. It should be noted that the rate of initially observed rapid growth (tD=2.5±0.1 h) is very close to the calculated increase with 20 AK (tD=2.9 h).

Представляет интерес тот факт, что более низкое продуцирование ацетата на единицу биомассы наблюдали в средах, содержащих ASP, GLU, HIS и ARG (среда 4АК) (8,2±0,2 ммоль/г DCW), и в среде, содержащей только аргинин (среда ARG) (6,7±0,7 ммоль/г DCW), в которой аргинин находился в избытке по сравнению со средой с дрожжевым экстрактом (36,6 ммоль/г DCW). Продуцирование ацетата сильно увеличивалось после истощения аргинина (46,5±11,2 и 34,5±9,3 ммоль/г DCW для среды 4АК и среды ARG соответственно), демонстрируя, что возможность катаболизировать аргинин сильно снижает необходимость продуцировать ацетат ацетогеном.Of interest is the fact that lower acetate production per unit of biomass was observed in media containing ASP, GLU, HIS and ARG (4AK medium) (8.2±0.2 mmol/g DCW) and in media containing only arginine. (ARG medium) (6.7±0.7 mmol/g DCW) in which arginine was in excess compared to yeast extract medium (36.6 mmol/g DCW). Acetate production was greatly increased after arginine depletion (46.5 ± 11.2 and 34.5 ± 9.3 mmol/g DCW for 4AK medium and ARG medium, respectively), demonstrating that the ability to catabolize arginine greatly reduces the need to produce acetate by acetogen.

Гетеротрофные культуры С. autoethanogenum, выращенные на среде 12АК, накапливали орнитин одновременно с потреблением аргинина (фиг. 8). То же самое наблюдали в экспериментах в биоректоре со средой 4АК, и средой, содержащей только аргинин, с высокой долей (около 60%) потребленного углерода, выделяемого в виде орнитина (фиг. 22A, 22B). Кроме того, обнаруживали значительный углеродный поток к СО2, а также заметное накопление цитруллина. Другие менее значительные побочные продукты включали ацетат, аланин и этанол. В целом значительные углеродные потоки к орнитину, СО2, и цитруллину указывают на то, что аргинин катаболизировался по пути ADI, объясняя его эффект, усиливающий рост, поставкой АТФ (фиг. 21). Кроме того, полное стехиометрическое превращение аргинина в орнитин, СО2, и цитруллин предполагает, что аргинин метаболизировался строго для выработки энергии, а не для синтеза биомассы. Это согласуется с результатом, демонстрирующим отсутствие роста и наблюдаемым при добавлении только аргинина к бездрожжевым средам PETC-MES, содержащим флаконы Шотта под давлением газа N2Heterotrophic cultures of C. autoethanogenum grown on 12AK medium accumulated ornithine simultaneously with arginine consumption (Fig. 8). The same was observed in bioreactor experiments with 4AK medium and arginine-only medium with a high proportion (about 60%) of consumed carbon excreted as ornithine (FIGS. 22A, 22B). In addition, a significant carbon flux to CO 2 was detected, as well as a noticeable accumulation of citrulline. Other less significant by-products included acetate, alanine, and ethanol. In general, significant carbon fluxes to ornithine, CO 2 , and citrulline indicate that arginine was catabolized via the ADI pathway, attributing its growth-enhancing effect to ATP supply (FIG. 21). In addition, the complete stoichiometric conversion of arginine to ornithine, CO 2 , and citrulline suggests that arginine was metabolized strictly for energy production and not for biomass synthesis. This is consistent with the result showing no growth observed when arginine alone is added to yeast-free PETC-MES media containing Schott bottles under N2 gas pressure.

Вовлечение пути ADI в содействие более быстрому росту прогнозировалось при первичном моделировании в силиконе на среде 4АК и на среде, содержащей только аргинин. Расчетная общая удельная скорость продуцирования АТФ (qA; ммоль АТФ/г DCW/ч) была примерно в 6 раз выше в последних условиях (SIM 4 и 5) по сравнению с расчетами для фруктозы (SIM 1) в качестве единственного источника углерода (табл. 6). То же самое наблюдалось, когда модель была ограничена экспериментально определяемым поглощением субстрата и скоростью секреции продукта (исключая цитруллин и СО2) в экспериментах в биореакторе на среде 4АК (SIM 6 и 9) и на среде, содержащей только аргинин (SIM 12 и 15), с показателем qAТФ примерно в 3-4 раза выше по сравнению с расчетным показателем исключительно для среды с фруктозой. Наблюдаемый более быстрый рост (tD ~3-4 ч) на средах с АК по сравнению с расчетным ростом на средах без добавления АК (tD ~14 ч) можно объяснить значительно более высоким уровнем продуцирования энергии в результате субстратного фосфорилирования при катаболизме аргинина (карбаматкиназный путь ADI) и косвенно генерацией протонной движущей силы в результате продуцирования и выведения NH4+. Последнее также полезно для снижения стоимости биопроцесс благодаря уменьшенной надобности нейтрализовывать рН при добавлении NH4OH.The involvement of the ADI pathway in promoting faster growth was predicted in primary simulations in silicone on 4AK medium and on arginine-only medium. The calculated total specific rate of ATP production (qA TF ; mmol ATP/g DCW/h) was about 6 times higher under the latter conditions (SIM 4 and 5) compared to calculations for fructose (SIM 1) as the sole carbon source (Table .6). The same was observed when the model was limited to experimentally determined substrate uptake and product secretion rate (excluding citrulline and CO2) in bioreactor experiments on 4AA medium (SIM 6 and 9) and on arginine-only medium (SIM 12 and 15). with a qA TF of approximately 3-4 times higher than calculated for a fructose-only medium. The observed faster growth (tD ~ 3-4 h) on media with AA compared to the calculated growth on media without the addition of AA (tD ~ 14 h) can be explained by a significantly higher level of energy production as a result of substrate phosphorylation during arginine catabolism (carbamate kinase pathway ADI) and indirectly by generating proton propulsion from NH4+ production and excretion. The latter is also useful in reducing the cost of the bioprocess due to the reduced need to neutralize the pH when adding NH4OH.

- 26 040778- 26 040778

Таблица 6Table 6

Модельный расчет для прогнозируемой удельной скорости роста, скорости продуцирования АТФ и продуктов при гетеротрофном росте с добавлением аргинина и без добавления аргининаModel calculation for predicted specific growth rate, ATP production rate and products during heterotrophic growth with and without arginine supplementation

SIM 1 SIM 1 SIM 4 SIM 4 SIM 5 SIM 5 SIM 6 SIM 6 SIM 7 SIM 7 SIM 9 SIM 9 SIM 10 SIM 10 SIM 12 SIM 12 SIM 13 SIM 13 SIM 15 SIM 15 SIM 16 SIM 16 Удельная скорость поглощения субстрата (ммоль/г DCW/ч) Substrate specific uptake rate (mmol/g DCW/h) Фруктоза Fructose 1,40 1.40 1,40 1.40 1,40 1.40 1,99 1.99 1,99 1.99 1,48 1.48 1,48 1.48 1,43 1.43 1,43 1.43 1,40 1.40 1,40 1.40 Аспартат aspartate 0,00 0.00 1,40 1.40 0,00 0.00 0,76 0.76 0,76 0.76 0,85 0.85 0,85 0.85 0,00 0.00 0,00 0.00 0,00 0.00 0,00 0.00 Гистидин Histidine 0,00 0.00 1,40 1.40 0,00 0.00 0,13 0.13 0,13 0.13 0,41 0.41 0,41 0.41 0,00 0.00 0,00 0.00 0,00 0.00 0,00 0.00 Глутамат Glutamate 0,00 0.00 1,40 1.40 0,00 0.00 0,63 0.63 0,63 0.63 0,63 0.63 0,63 0.63 0,39 0.39 0,39 0.39 0,00 0.00 0,00 0.00 Цистеин Cysteine 0,00 0.00 1,40 1.40 1,40 1.40 3,95 3.95 3,95 3.95 2,09 2.09 2,09 2.09 1,30 1.30 1,30 1.30 1,06 1.06 1,06 1.06 Аргинин Arginine 0,00 0.00 10,00 10.00 10,00 10.00 19,11 19.11 19,11 19.11 13,10 13.10 13,10 13.10 10,22 10.22 10,22 10.22 11,99 11.99 11,99 11.99

Удельная скорость выделения продукта (ммоль/ г DCW/ч) Specific product release rate (mmol/g DCW/h) Ацетат Acetate 3,15 3.15 35,97 35.97 28,15 28.15 2,03 2.03 55,01 55.01 1,97 1.97 37,78 37.78 1,38 1.38 28,47 28.47 1Д4 1D4 31,77 31.77 Этанол ethanol 0,00 0.00 0,00 0.00 0,00 0.00 0,89 0.89 0,00 0.00 0,82 0.82 0,00 0.00 0,97 0.97 0,00 0.00 0,65 0.65 0,00 0.00 Диоксид углерода Carbon dioxide 0,11 0.11 9,06 9.06 5,38 5.38 22,51 22.51 13,75 13.75 15,58 15.58 9,82 9.82 11,45 11.45 6,56 6.56 12,48 12.48 7,16 7.16 Орнитин Ornithine 0,00 0.00 0,00 0.00 0,00 0.00 19,10 19.10 0,00 0.00 12,71 12.71 0,00 0.00 9,49 9.49 0,00 0.00 11,02 11.02 0,00 0.00 Аланин Alanine 0,00 0.00 0,00 0.00 0,00 0.00 0,89 0.89 0,00 0.00 0,71 0.71 0,00 0.00 0,66 0.66 0,00 0.00 0,69 0.69 0,00 0.00 Лактат lactate 0,00 0.00 0,00 0.00 0,00 0.00 0,00 0.00 0,00 0.00 0,00 0.00 0,00 0.00 0,00 0.00 0,00 0.00 0,00 0.00 0,00 0.00 Цитруллин citrulline 0,00 0.00 0,00 0.00 0,00 0.00 1,05 1.05 0,00 0.00 0,81 0.81 0,00 0.00 0,45 0.45 0,00 0.00 0,46 0.46 0,00 0.00 2,3-бутандиол 2,3-butanediol 0,00 0.00 0,00 0.00 0,00 0.00 0,00 0.00 0,00 0.00 0,00 0.00 0,00 0.00 0,00 0.00 0,00 0.00 0,00 0.00 0,00 0.00 2-оксобутарат 2-oxobutarat 0,00 0.00 0,00 0.00 0,00 0.00 0,48 0.48 0,00 0.00 0,27 0.27 0,00 0.00 0,03 0.03 0,00 0.00 0,00 0.00 0,00 0.00 Формамид Formamide 0,00 0.00 1,38 1.38 0,00 0.00 0,11 0.11 0,09 0.09 0,39 0.39 0,38 0.38 0,00 0.00 0,00 0.00 0,00 0.00 0,00 0.00 Удельная скорость роста (ч1)Specific growth rate (h 1 ) 0,05 0.05 0,28 0.28 0,17 0.17 0,25 0.25 0,54 0.54 0,24 0.24 0,43 0.43 0,19 0.19 0,31 0.31 0,19 0.19 0,32 0.32 Общая удельная скорость продуцирования АТФ (ммоль/г DCW/ч) Total specific rate of ATP production (mmol/g DCW/h) 6,80 6.80 45,57 45.57 38,55 38.55 34,81 34.81 72,08 72.08 23,82 23.82 49,11 49.11 18,92 18.92 37,70 37.70 20,83 20.83 42,40 42.40

Быстрый рост и низкий синтез ацетата, реализуемый при добавлении аргинина, имеет значение для индустрии биотехнологий, поскольку уменьшение потока углерода в нежелательный побочный продукт ацетата и получение дополнительного АТФ из альтернативных путей имеет важное значение для расширения спектра продуктов ацетогенов.The rapid growth and low acetate synthesis realized with arginine supplementation is of value to the biotechnology industry, as reducing carbon flux into the unwanted acetate by-product and obtaining additional ATP from alternative pathways is essential to expand the spectrum of acetogen products.

Масштабные модели генома могут применяться для оценки внутриклеточных метаболических потоков и расчета углеродных, окислительно-восстановительных и энергетических балансов путем ограничения модели экспериментально измеренными данными (Bordbar et al., 2014; Dash et al., 2016; O'Brien et al., 2015). Использовали масштабную модель метаболизма генома С. autoethanogenum, аналогичную той, которая описана Marcellin (Низкоуглеродное топливо и химические вещества из отработанных газов Системный подход к пониманию энергетического метаболизма в модели ацетоногена, Green Chem, 2016). Анализ масштабной модели генома авторы выполняли для гетеротрофных экспериментов на среде АК и на среде, содержащей только аргинин, путем осуществления аналитических расчетов баланса потока, как описано выше. Модель дополнительно была ограничена удельной скоростью поглощения субстрата и скоростью секреции продукта (исключая цитруллин и СО2), а также показателем tD для клеток. Максимизацию рассеяния АТФ (т.е. неучтенные затраты АТФ, см. ниже) применяли в качестве целевой функции для выполнения АБП (при этом не учитывались затраты на поддержание энергии).Large-scale genome models can be used to estimate intracellular metabolic fluxes and calculate carbon, redox, and energy balances by limiting the model to experimentally measured data (Bordbar et al., 2014; Dash et al., 2016; O'Brien et al., 2015) . A scale model of C. autoethanogenum genome metabolism similar to that described by Marcellin (Low Carbon Fuels and Waste Gas Chemicals A Systems Approach to Understanding Energy Metabolism in the Acetonogen Model, Green Chem, 2016) was used. Genome scale model analysis was performed for heterotrophic experiments on AA medium and on arginine-only medium by performing flow balance analytical calculations as described above. The model was further limited by the specific substrate uptake rate and product secretion rate (excluding citrulline and CO 2 ), as well as the cell tD value. ATP dissipation maximization (i.e. unaccounted for ATP costs, see below) was used as an objective function for performing BPA (without taking into account energy maintenance costs).

Быстрый рост на среде 4АК и среде ARG обеспечивался примерно в 3-4 раза большим показателем qATФ (29,3±5,5 и 19,9±1,0 ммоль АТФ/г DCW/ч для среды 4АК и среды ARG соответственно (SIM 6 и 9; и SIM 12 и 15 в табл. 6), по сравнению с показателем 6,8 ммоль АТФ/г DCW/ч, рассчитанным для роста исключительно на фруктозе (SIM 1). Авторы считают, что более быстрый рост, наблюдаемый на среде 4АК по сравнению со средой ARG, объясняется в 2 раза большим удельным потоком благодаря АТФ-продуцирующей ацетаткиназной реакции (фиг. 24). Однако на обеих средах ~53% АТФ продуцировалось посредством пути ADI (фиг. 24), что свидетельсвует о том, что катаболизм аргинина полностьюRapid growth on 4AA medium and ARG medium was provided by approximately 3-4 times higher q ATP (29.3±5.5 and 19.9±1.0 mmol ATP/g DCW/h for 4AK medium and ARG medium, respectively ( SIM 6 and 9; and SIM 12 and 15 in Table 6) compared to 6.8 mmol ATP/g DCW/h calculated for growth on fructose alone (SIM 1). observed on 4AK medium compared to ARG medium is explained by a 2-fold higher specific flux due to the ATP-producing acetate kinase reaction (Fig. 24).However, on both media, ~53% of ATP was produced via the ADI pathway (Fig. 24), indicating that the catabolism of arginine is completely

- 27 040778 реорганизовал энергетический обмен. Представляет интерес тот факт, что хотя потребление аргинина благоприятствует многим бактериям (Abdelal, 1979; Adamberg et al., 2006; Lahtvee et al., 2011; Mehmeti et al., 2011), его вклад в продуцирование энергии является вариабельным.- 27 040778 reorganized the energy exchange. It is of interest that although arginine intake favors many bacteria (Abdelal, 1979; Adamberg et al., 2006; Lahtvee et al., 2011; Mehmeti et al., 2011), its contribution to energy production is variable.

Проанализирован также прогнозируемый профиль оптимального потока при гетеротрофном росте на фруктозе и АК. При ограничении модели экспериментально измеренными показателями скорости поглощения субстрата и неучтенными затратами АТФ, рассчитанными ранее, и максимизацией для выхода биомассы, эти расчеты прогнозировали более быстрый рост (среда 4АК tD=1,4±0,2 ч, SIM 7 и 10; среда ARG tD=2,2±0,1 ч, SIM 13 и 16) по сравнению с показателями, которые были получены в эксперименте (tD=2,8±0,1 ч и tD=3,7±0,0 ч соответственно). Кроме того, в моделях орнитин, продуцируемый во время катаболизма аргинина, катаболизировался в GLU, демонстрируя, что дальнейшее метаболизирование орнитина посредством описанного выше орнитинового пути является возможным. Прогнозируемый более быстрый рост, таким образом, происходит в результате катаболизма GLU до пирувата посредством метиласпартатного пути (как отмечено выше) и его дальнейшего превращения в ацетил-КоА и ацетат, что приводит к уменьшению Fd и АТФ.The predicted profile of the optimal flux during heterotrophic growth on fructose and AA was also analyzed. Restricting the model to experimentally measured substrate uptake rates and previously calculated unaccounted for ATP costs and maximizing for biomass yield, these calculations predicted faster growth (4AK medium tD=1.4±0.2 h, SIM 7 and 10; ARG medium tD=2.2±0.1 h, SIM 13 and 16) compared with the values obtained in the experiment (tD=2.8±0.1 h and tD=3.7±0.0 h, respectively) . Furthermore, in the models, ornithine produced during arginine catabolism was catabolized to GLU, demonstrating that further metabolization of ornithine via the ornithine pathway described above is possible. The predicted faster growth thus results from the catabolism of GLU to pyruvate via the methylaspartate pathway (as noted above) and its further conversion to acetyl-CoA and acetate, resulting in a decrease in Fd and ATP.

Пример 4. Рост на среде с аргинином в качестве единственного источника азота.Example 4 Growth on a medium with arginine as the sole source of nitrogen.

Этот пример демонстрирует замещение аммония в качестве источника азота на аргинин.This example demonstrates the replacement of ammonium as a source of nitrogen by arginine.

Азот является важным питательным веществом для бактерий, а аммоний обычно используется в ферментативных реакциях, а также в качестве источника азота в составах сред для ацетогенов, известных из литературных данных (M. Kopke, С. Held, S. Hujer, H. Liesegang, A. Wiezer, A. Wollherr, A. Ehrenreich, W. Liebl, G. Gottschalk, P. Durre, Proc. Natl. Acad. Sci., USA, 2010, 107, 13087-92; J. Mock, Y. Zheng, A.P. Mueller, S. Ly, L. Tran, S. Segovia, S. Nagaraju, M. Kopke, Р. Durren, R.K. Thauer, J. Bacteriol, 2015, 197, 2965-2980; H. Richter, M.E. Martin, L.T. Angenent, Energies, 2013, 6, 3987-4000; J.L. Cotter, M.S. Chinn, А.М. Grunden, Bioprocess Biosyst. Eng., 2009, 32, 369-80; M. Straub, M. Demler, D. Weuster-Botz, Р. Durre, J. Biotechnol., 2014.). Тем не менее продуцирование аммония зависит от обильных поставок энергии, преимущественно природного газа или сжиженных нефтяных газов (СНГ) посредством процесса Хабер-Бош (www.essentialchemicalindustry.org/chemicals/ammoinia.html) и, следовательно, аммоний не является устойчивым источником. Кроме того, ионы аммония влияют на рН при ферментации.Nitrogen is an important nutrient for bacteria, and ammonium is commonly used in enzymatic reactions and as a source of nitrogen in media formulations for acetogens known from the literature (M. Kopke, C. Held, S. Hujer, H. Liesegang, A Wiezer, A. Wollherr, A. Ehrenreich, W. Liebl, G. Gottschalk, P. Durre, Proc. Natl. Acad. Sci., USA, 2010, 107, 13087-92; J. Mock, Y. Zheng, A. P. Mueller, S. Ly, L. Tran, S. Segovia, S. Nagaraju, M. Kopke, P. Durren, R. K. Thauer, J. Bacteriol, 2015, 197, 2965-2980; H. Richter, M. E. Martin, L. T. Angenent, Energies, 2013, 6, 3987-4000; J. L. Cotter, M. S. Chinn, A. M. Grunden, Bioprocess Biosyst. Eng., 2009, 32, 369-80; M. Straub, M. Demler, D. Weuster- Botz, P. Durre, J. Biotechnol., 2014.). However, ammonium production is dependent on abundant energy supplies, predominantly natural gas or liquefied petroleum gases (LPG) via the Haber-Bosch process (www.essentialchemicalindustry.org/chemicals/ammoinia.html) and hence ammonium is not a sustainable source. In addition, ammonium ions affect the pH during fermentation.

Выявленный путь по примеру 3 позволяет превратить 1 моль аргинина в 3 моля аммиака. Таким образом, аргинин может обеспечить альтернативный источник азота для бактерий, обеспечивая наличие аммиака непосредственно в метаболизме, сохраняя при этом преимущества, описанные выше. Поскольку 1 молекула аргинина может быть разбита на 3 молекулы аммиака, более низкие требуемые количества приведут к значительной экономии затрат в результате более дешевой стоимости аргинина (стоимость 99% аргинина пищевой ценности составляет около ~17-18 тыс. долларов США/1000 кг, в то время как стоимость 30% промышленного аммиака составляет ~10-11 тыс. долларов США/1000 кг от Sigma Aldrich или Fisher) и обусловят упрощенную обработку. Кроме того, аргинин может быть получен устойчивым из биологических источников, например, путем ферментации (Т. Utagawa, J. Nutr., 2004, 134, 2854S-2857).The identified path according to example 3 allows you to convert 1 mol of arginine to 3 mol of ammonia. Thus, arginine can provide an alternative source of nitrogen for bacteria, providing ammonia directly to the metabolism while maintaining the benefits described above. Since 1 molecule of arginine can be broken down into 3 molecules of ammonia, lower amounts required will result in significant cost savings as a result of the cheaper cost of arginine (99% nutritional value of arginine is about ~$17-18k/1000kg, while while the cost of 30% industrial ammonia is ~10-11 thousand US dollars/1000 kg from Sigma Aldrich or Fisher) and will result in simplified processing. In addition, arginine can be obtained stable from biological sources, for example, by fermentation (T. Utagawa, J. Nutr., 2004, 134, 2854S-2857).

Чтобы продемонстрировать, что аргинин можно использовать в качестве единственного источника азота для ацетогена Clostridium autoethanogenum DSM 23693, организм выращивали на бездрожжевой среде PETC-MES, не применяя 1 г/л хлорида аммония (NH4Cl) с 0,33 г/л несинтетического моногидрохлорида L-аргинина (Sigma Aldrich; A6969).To demonstrate that arginine can be used as the sole source of nitrogen for the acetogen Clostridium autoethanogenum DSM 23693, the organism was grown on yeast-free PETC-MES medium without the use of 1 g/l ammonium chloride (NH 4 Cl) with 0.33 g/l non-synthetic monohydrochloride L-arginine (Sigma Aldrich; A6969).

Пример 5. Добавление аргинина приводит к увеличению продуцирования не встречающихся в природе продуктов из гетерологичных путей, в частности путей потребления АТФ.Example 5 The addition of arginine results in an increase in the production of unnatural products from heterologous pathways, in particular ATP consumption pathways.

Этот пример демонстрирует, что добавление аргинина увеличивает продуцирование не встречающихся в природе из гетерологичных путей.This example demonstrates that the addition of arginine increases the production of non-naturally occurring heterologous pathways.

Продуцирование нескольких не встречающихся в природе было продемонстрировано в ацетогенах из газа (WO 2012053905, WO 2012115527, WO 2013180584, WO 2013185123, WO 2013191567). Как правило, некоторый уровень ацетата наблюдается в качестве побочного продукта, поскольку организм вырабатывает АТФ в результате субстратного фосфорилирования посредством ацетаткиназной реакции. Это, в частности, случай для путей, которым необходим АТФ, например, но не ограничиваясь ими, пути продуцирования изопрена или других терпеноидов (мевалонатный путь) или пути продуцирования продуктов, производных от жирной кислоты, таких как биодизель (посредством биосинтеза жирных кислот). Однако это также относится к другим путям ферментации, которые непосредственно не требуют АТФ, но также не дают такого же количества АТФ на ацетил-КоА, как образование ацетата, например, но не ограничиваясь ими, пути продуцирования изопропанола, ацетона, бутанола (посредством пути ABE).The production of several non-naturally occurring has been demonstrated in acetogens from gas (WO 2012053905, WO 2012115527, WO 2013180584, WO 2013185123, WO 2013191567). Typically, some level of acetate is observed as a by-product, as the body produces ATP as a result of substrate phosphorylation via the acetate kinase reaction. This is particularly the case for pathways that require ATP, such as, but not limited to, the pathway for the production of isoprene or other terpenoids (the mevalonate pathway) or the pathway for the production of fatty acid derivatives such as biodiesel (via fatty acid biosynthesis). However, this also applies to other fermentation pathways that do not directly require ATP, but also do not provide the same amount of ATP per acetyl-CoA as acetate formation, for example, but not limited to, isopropanol, acetone, butanol production pathways (via the ABE pathway ).

Продуцирование изопропанола из газа моделировали с применением анализа баланса потока (АБП) в масштабной моделью генома С. autoethanogenum (как описано в примере 3). К модели добавляли гетерологичные пути (табл. 3) и моделирование на максимальный теоретический выход проводили с добавлением аргинина и без добавления аргинина (табл. 4).The production of isopropanol from the gas was modeled using flow balance analysis (FBA) in the C. autoethanogenum genome scale model (as described in Example 3). Heterologous pathways were added to the model (Table 3) and modeling for the maximum theoretical yield was performed with and without arginine addition (Table 4).

- 28 040778- 28 040778

Таблица 7Table 7

Гетерологичные путиheterologous pathways

Мевалонатный путь и изопренсинтаза Mevalonate pathway and isoprene synthase Название Name уравнение the equation тиолаза thiolase 2 Ацетил = КоА <=> КоА + Ацетоацетил = КоА 2 Acetyl = CoA <=> CoA + Acetoacetyl = CoA З-НМС-КоА-синтаза 3-HMS-CoA synthase (S) = 3 = гидрокси = 3 = метилглутарил = КоА + КоА <=> Ацетил = КоА + ацетоацетил = КоА (S) = 3 = hydroxy = 3 = methylglutaryl = CoA + CoA <=> Acetyl = CoA + acetoacetyl = CoA 3-НМ6-КоА-редуктаза (НАДН) 3-HM6-CoA reductase (NADH) (R) = мевалонат + КоА + 2 НАД + <=> (S) = 3 = гидрокси = 3 = метилглутарил = КоА + 2 НАДН (R) = mevalonate + CoA + 2 NAD + <=> (S) = 3 = hydroxy = 3 = methylglutaryl = CoA + 2 NADH З-НМО-КоА-редукта за-редуктаза 3-HMO-CoA-reduct for-reductase (НАДФН) (NADPH) (R) = мевалонат + КоА + 2 НАДФ + <=> (S) = 3 = гидрокси = 3 = метилглутарил = КоА + 2 НАДФН (R) = mevalonate + CoA + 2 NADP + <=> (S) = 3 = hydroxy = 3 = methylglutaryl = CoA + 2 NADPH Мевалонаткиназа (АТФ) Mevalonate kinase (ATP) ATP + (R) = мевалонат => ADP + (R) = 5 = фосфомевалонат ATP + (R) = mevalonate => ADP + (R) = 5 = phosphomevalonate Мевалонаткиназа (СТР) Mevalonate kinase (STR) СТР + (R) = мевалонат => CDP + (R) = 5 = фосфомевалонат CTP + (R) = mevalonate => CDP + (R) = 5 = phosphomevalonate Мевалонаткиназа (GTP) Mevalonate kinase (GTP) GTP + (R) = мевалонат => GDP + (R) = 5 = фосфомевалонат GTP + (R) = mevalonate => GDP + (R) = 5 = phosphomevalonate Мевалонаткиназа (UTP) Mevalonate kinase (UTP) UTP + (R) = мевалонат => UDP + (R) = 5 = фосфомевалонат UTP + (R) = mevalonate => UDP + (R) = 5 = phosphomevalonate Фосфомевалонаткиназа phosphomevalonate kinase АТФ+ (R) = 5 = фосфомевалонат => ADP + (R) = 5 = дифосфомевалонат ATP + (R) = 5 = phosphomevalonate => ADP + (R) = 5 = diphosphomevalonate Дифосфомевалонатдекарбоксилаза Diphosphomevalonate decarboxylase АТФ+ (R) = 5 = Дифосфомевалонат => ADP + ортофосфат + изопентенил_дифосфат + СО2 ATP + (R) = 5 = Diphosphomevalonate => ADP + orthophosphate + isopentenyl_diphosphate + CO2 Изопентенилдифосфат Дельта- Isopentenyl diphosphate Delta- изомераза isomerase Изопентенил_дифосфат <=> Диметилаллил_дифосфат Isopentenyl_diphosphate <=> Dimethylallyl_diphosphate Изопренсинтаза Isoprene synthase Диметилаллил_дифосфат => Изопрен + РР Dimethylallyl_diphosphate => Isoprene + PP Транспорт изопрена Isoprene transport Изопрен (cyt) => Изопрен (ext) Isoprene (cyt) => Isoprene (ext) изопропанольный путь isopropanol route Название Name уравнение the equation тиолаза thiolase 2 Ацетил = КоА <=> КоА + Ацетоацетил = КоА 2 Acetyl = CoA <=> CoA + Acetoacetyl = CoA КоА-трансфераза CoA transferase Ацетоацетил = КоА + ацетат <=> Ацетоацетат + ацетил-КоА Acetoacetyl = CoA + Acetate <=> Acetoacetate + Acetyl-CoA а цетоа цета тде кар бокси лаза a cetoa ceta tde carboxy laza Ацетоацетат => Ацетон + СО2 Acetoacetate => Acetone + CO2 вторичная алкогольдегидрогеназа secondary alcohol dehydrogenase Ацетон + НАДФН => Изопропанол Acetone + NADPH => Isopropanol транспорт изопропанола isopropanol transport Изопропанол (cyt) => Изопропанол (ext) Isopropanol (cyt) => Isopropanol (ext)

Таблица 8Table 8

АБП-анализ максимальных теоретических объемов продуцирования целевых продутов изопрена или изопропанола из СО и СО2/Н2 с добавлением аргинина и без добавления аргинина в ммоль/г DW/чABP-analysis of the maximum theoretical production volumes of target isoprene or isopropanol products from CO and CO2/H2 with and without arginine addition in mmol/g DW/h

Целевой продукт target product СО 60 ммоль СО/г DW/ч SO 60 mmol CO/g DW/h Продукт Product Ацетат Acetate Этанол ethanol Изопропанол Isopropanol 5,061008 5.061008 0 0 2,408488 2.408488 Изопрен Isoprene 1,967815 1.967815 2,209201 2.209201 3,935631 3.935631

Целевой продукт target product СО + аргинин 60 ммоль СО + 2 ммоль аргинина /г DW/ч CO + arginine 60 mmol CO + 2 mmol arginine/g DW/h Продукт Product Ацетат Acetate Этанол ethanol Изопропанол Isopropanol 6,41679498 6.41679498 0 0 2,041474197 2.041474197 Изопрен Isoprene 2,576176316 2.576176316 2,254853944 2.254853944 4,152352632 4.152352632

Целевой продукт target product СО + аргинин 48 ммоль СО + 2 ммоль аргинина /г DW/ч CO + arginine 48 mmol CO + 2 mmol arginine/g DW/h Продукт Product Ацетат Acetate Этанол ethanol Изопропанол Isopropanol 5,404593388 5.404593388 0 0 1,559776585 1.559776585 Изопрен Isoprene 2,182613259 2.182613259 1,813013818 1.813013818 3,365226517 3.365226517

- 29 040778- 29 040778

Целевой продукт target product СО2/Н2 CO2/H2 60 ммоль СО2/Н2/ г DW/ ч 60 mmol CO2/H2/g DW/h Продукт Product Ацетат Acetate Этанол ethanol Изопропанол Isopropanol 5,00758257 5.00758257 0 0 2,408488 2.408488 Изопрен Isoprene 1,26220128 1.26220128 2,209201 2.209201 3,935631 3.935631

Целевой продукт target product СО2/Н2 + аргинин 60 ммоль СО2/Н2 + 2 ммоль аргинина /г DW/ч CO2/H2 + arginine 60 mmol CO2/H2 + 2 mmol arginine/g DW/h Продукт Product Ацетат Acetate Этанол ethanol Изопропанол Isopropanol 6,361290323 6.361290323 0 0 2,041474 2.041474 Изопрен Isoprene 1,83911141 1.83911141 2,254854 2.254854 4,152353 4.152353

Целевой продукт target product СО2/Н2 + аргинин 48 ммоль СО2/Н2 + 2 ммоль аргинина /г DW/ч CO2/H2 + arginine 48 mmol CO2/H2 + 2 mmol arginine/g DW/h Продукт Product Ацетат Acetate Этанол ethanol Изопропанол Isopropanol 5,359773808 5.359773808 0 0 1,559777 1.559777 Изопрен Isoprene 1,586671154 1.586671154 1,813014 1.813014 3,365227 3.365227

Моделирование продемонстрировало, что добавление аргинина может значительно увеличить максимальные теоретические объемы продуцирования целевых соединений изопропанола и изопрена как на СО, так и на СО2/Н2. Максимальное продуцирование изопропанола из СО можно значительно увеличить более чем на 20% с 5,06 ммоль/г DW/ч до 6,42 ммоль/г DW/ч даже с небольшим количеством поглощения аргинина (2 мМ, 0,34 г/л). Для АТФ, использующего мевалонатный путь для продуцирования изопрена из СО, максимальное продуцирование может быть увеличено еще более значительно - более чем на 30%: с 1,97 до 2,58 ммоль/г DW/ч. Указанный эффект является еще более выраженным при продуцировании из СО2/Н2, когда максимальное продуцирование изопропанола может быть увеличено более чем на 25%: с 5,0 до 6,36 ммоль/г DW/ч, а продуцирование изопрена - на 45%: с 1,26 до 1,83 ммоль/г DW/ч. Это наглядно демонстрирует, что аргинин можно использовать для увеличения продуцирования не встречающихся в природе целевых молекул.Modeling demonstrated that the addition of arginine can significantly increase the maximum theoretical production of the target compounds of isopropanol and isoprene on both CO and CO2/H2. Maximum production of isopropanol from CO can be significantly increased by more than 20% from 5.06 mmol/g DW/h to 6.42 mmol/g DW/h even with a small amount of arginine uptake (2 mM, 0.34 g/l) . For ATP using the mevalonate pathway to produce isoprene from CO, the maximum production can be increased even more significantly - by more than 30%: from 1.97 to 2.58 mmol/g DW/h. This effect is even more pronounced with production from CO2/H2, when the maximum production of isopropanol can be increased by more than 25%: from 5.0 to 6.36 mmol/g DW/h, and the production of isoprene by 45%: with 1.26 to 1.83 mmol/g DW/h. This clearly demonstrates that arginine can be used to increase the production of non-naturally occurring target molecules.

Моделирование также показывает, что при совместном использовании 2 мМ аргинина продуцирование даже увеличивается с меньшим поглощением СО, демонстрируя, что добавление аргинина повышает эффективность углерода для получения целевой молекулы.The simulation also shows that when 2 mM arginine is used together, production even increases with less CO uptake, demonstrating that the addition of arginine increases the efficiency of carbon to produce the target molecule.

Пример 6. Использование репрессора аргинина в качестве генетического переключателя для стимуляции экспрессии гетерологичных путей.Example 6 Use of the Arginine Repressor as a Genetic Switch to Stimulate the Expression of Heterologous Pathways.

Этот пример демонстрирует, что аргинин можно использовать в качестве генетического переключателя для стимуляции экспрессии гетерологичных путей.This example demonstrates that arginine can be used as a genetic switch to stimulate the expression of heterologous pathways.

Обнаружено, что все гены в идентифицированном пути аргининдезиминазы по примеру 3 сгруппированы вместе, а также обнаружен репрессор аргинина ArgR. Операторные последовательности (последовательности ДНК, с которыми связывается белок argR, чтобы предотвратить транскрипцию гена) были идентифицированы в ряде микроорганизмов, включая Е.coli (Tian et al., 1992, J. Mol. Biol., 226, p. 387-397), при этом сайт связывания, как правило, сохраняется на бактериальных линиях (Makarova et al., 2001, Genome Biol., 2, p. 1-8).All genes in the identified arginine deiminase pathway of Example 3 were found to cluster together, and the ArgR arginine repressor was also found. Operator sequences (DNA sequences to which the argR protein binds to prevent transcription of the gene) have been identified in a number of microorganisms, including E. coli (Tian et al., 1992, J. Mol. Biol., 226, p. 387-397) , while the binding site is usually preserved on bacterial lines (Makarova et al., 2001, Genome Biol., 2, p. 1-8).

Репрессор аргинина контролирует экспрессию гена путем связывания с палиндромной операторной последовательностью, которая расположена примерно на 45 п.о. выше стартового кодона аргининдезиминазы. Добавление аргинина приводит к тому, что репрессор отвязывает операторную последовательность, что обеспечивает транскрипцию генов в направлении 3'-операторной последовательности. В примере возможного применения гетерологичная экспрессия гена может быть активирована путем добавлением аргинина. Гетерологичная экспрессия гена будет подавляться белком argR, если операторная последовательность, связывающая argR, добавляется в левый участок оперона гетерологичных генов. Таким образом, экспрессию гена можно активировать добавлением аргинина.The arginine repressor controls gene expression by binding to a palindromic operator sequence located at about 45 bp. above the start codon of arginine deiminase. The addition of arginine causes the repressor to unbind the operator sequence, allowing gene transcription in the direction of the 3' operator sequence. In an example of a possible application, heterologous gene expression can be activated by the addition of arginine. Heterologous gene expression will be suppressed by the argR protein if an operator sequence binding argR is added to the left region of the heterologous gene operon. Thus, gene expression can be activated by the addition of arginine.

В одном примере гетерологичные гены могут кодировать метаболический путь, для которого необходим АТФ для синтеза продукта. Например, мевалонатный путь представляет собой гетерологичный путь, который превращает ацетил-КоА в изопентенилдифосфат при стоимости 3 молей АТФ, равной стоимости моля изопентенилдифосфата. С помощью описанного способа экспрессию гетерологичного мевалонатного пути можно активировать добавлением аргинина, который также будет обеспечивать АТФ для мевалонатного пути путем расщепления аргинина посредством пути аргининдезиминазы.In one example, heterologous genes may encode a metabolic pathway that requires ATP to synthesize a product. For example, the mevalonate pathway is a heterologous pathway that converts acetyl-CoA to isopentenyl diphosphate at a cost of 3 moles of ATP equal to the cost of a mole of isopentenyl diphosphate. Using the described method, the expression of the heterologous mevalonate pathway can be activated by the addition of arginine, which will also provide ATP for the mevalonate pathway by cleaving arginine through the arginine deiminase pathway.

Пример 7. Оптимизация эффективности совместного использования аргинина с газообразными субстратами СО, и/или Н2, и/или СО2.Example 7 Optimization of the efficiency of co-utilization of arginine with CO and/or H 2 and/or CO 2 gaseous substrates.

Для достижения эффективного совместного использования аргинина с газообразными субстратами СО, и/или Н2, и/или СО2 может потребоваться устранение регуляции. Это может быть достигнуто путемDeregulation may be required to achieve efficient sharing of arginine with CO and/or H 2 and/or CO 2 gaseous substrates. This can be achieved by

- 30 040778 нокаута описанного выше репрессора аргинина ArgR для устранения репрессии генов пути аргининдезиминазы. Такие нокауты могут быть осуществлены любым специалистом в данной области техники с помощью способов, описанных ранее (WO 2012053905, WO 2012115527, WO 2013180584). Однако удаление репрессора аргинина не даст возможности активировать экспрессию гетерологичного гена путем добавления аргинина, как описано выше. Альтернативным методом было бы удаление вышеописанных оператор-связывающих последовательностей в левом участке оперона пути аргининдезиминазы или замена левого участка оперона пути аргининдезиминазы, включая операторную последовательность и промоторную последовательность, на конститутивный или синтетический промотор. Такие модификации могут быть осуществлены любым специалистом в данной области техники с помощью способов, описанных ранее (WO 2012053905, WO 2012115527, WO 2013180584). Подходящими конститутивными и синтетическими промоторами являются, но не ограничиваются ими, промотор ферредоксина Pfdx, промотор ацетаткиназы Ppta, или Ptet, или PIPL12, которые были описаны ранее (US 20160160223; Nagaraju et al., Редактирование генома Clostridium autoethanogenum с применением CRISPR/Cas9, Biotechnol. Biofuels., 2016, 9:219).- 30 040778 knockout of the ArgR arginine repressor described above to eliminate the repression of the arginine deiminase pathway genes. Such knockouts can be carried out by any person skilled in the art using the methods described previously (WO 2012053905, WO 2012115527, WO 2013180584). However, removal of the arginine repressor will not allow upregulation of heterologous gene expression by the addition of arginine as described above. An alternative method would be to remove the above-described operator-binding sequences in the left side of the arginine deiminase pathway operon, or to replace the left side of the arginine deiminase pathway operon, including the operator sequence and promoter sequence, with a constitutive or synthetic promoter. Such modifications can be carried out by any person skilled in the art using the methods described previously (WO 2012053905, WO 2012115527, WO 2013180584). Suitable constitutive and synthetic promoters include, but are not limited to, the Pfdx ferredoxin promoter, Ppta or Ptet or PIPL12 acetate kinase promoter, which have been previously described (US 20160160223; Nagaraju et al., Clostridium autoethanogenum genome editing using CRISPR/Cas9, Biotechnol Biofuels., 2016, 9:219).

Аналогично промоторные области генов, ответственных за использование СО, и/или Н2, и/или СО2, такие как кластер Вуд-Льюнгдала или оперон Hyt (Brown et al., Сравнение одномолекулярного секвенирования и гибридных подходов для конечной обработки генома Clostridium autethanogenum и анализ систем CRISPR в промышленно значимых, Clostridia. Biotechnology for Biofuels, 2014, 7:40), могут быть заменены конститутивными и синтетическими промоторами или соответствующими регуляторами с помощью нокаута или нокдауна. Специалисты в данной области техники смогут идентифицировать такие регуляторы из данных транскриптомики, как описано в примере 10.Similarly, promoter regions of genes responsible for the use of CO and/or H 2 and/or CO 2 , such as the Wood-Ljungdahl cassette or the Hyt operon (Brown et al., Comparison of single-molecule sequencing and hybrid approaches for final processing of the genome of Clostridium analysis of CRISPR systems in industrially significant, Clostridia. Biotechnology for Biofuels, 2014, 7:40), can be replaced by constitutive and synthetic promoters or appropriate regulators using knockout or knockdown. Those skilled in the art will be able to identify such regulators from transcriptomic data, as described in Example 10.

Пример 8. Альтернативный путь использования аргинина и продуцирование путресцина.Example 8 Alternative Arginine Use and Putrescine Production.

Этот пример демонстрирует альтернативный путь использования аргинина, в результате которого может продуцироваться путресцин как побочный продукт.This example demonstrates an alternative route for the use of arginine, which may result in the production of putrescine as a by-product.

Другим возможным путем использования аргинина является декарбоксилирование аргинина вместо дезаминирования: аргинин может быть декарбоксилирован в агматин и СО2 с помощью фермента аргининдекарбоксилазы. Агматин может быть затем превращен в N-карбамоил-путресцин с помощью фермента агматиндезиминазы, с получением также аммония. N-карбамоил-путресцин плюс фосфат может быть превращен в путресцин плюс карбамоилфосфат с помощью фермента путресцинкарбамоилтрансферазы. Карбамоилфосфат плюс АДФ превращается в аммоний+АТФ+СО2 с помощью карбаматкиназы по тому же механизму, что и в пути аргининдезиминазы. Чистый выход аммония и АТФ является таким, что и в пути аргининдезиминазы, но с двумя другими промежуточными продуктами (агматин и N-карбамоилпутресцин вместо цитруллина) и другим побочным продуктом (путресцин вместо орнитина).Another possible use of arginine is through decarboxylation of arginine instead of deamination: arginine can be decarboxylated to agmatine and CO2 by the enzyme arginine decarboxylase. Agmatine can then be converted to N-carbamoyl-putrescine by the enzyme agmatine deiminase, also producing ammonium. N-carbamoyl-putrescine plus phosphate can be converted to putrescine plus carbamoyl phosphate by the enzyme putrescinecarbamoyltransferase. Carbamoyl phosphate plus ADP is converted to ammonium + ATP + CO 2 by carbamate kinase by the same mechanism as in the arginine deiminase pathway. The net yield of ammonium and ATP is the same as in the arginine deiminase pathway, but with two other intermediates (agmatine and N-carbamoylputrescine instead of citrulline) and another by-product (putrescine instead of ornithine).

Путресцин является побочным продуктом большей ценности, чем орнитин или аргинин, и может быть использован в качестве исходного сырья при продуцировании различных полимеров, включая нейлон-4,6 (Qian et al., 2009, Biotechnol. Bioeng., 104, p. 651-662) и полиуретан (Dahiyat et al., 1993, J. Biomater. Sci. Polym., ed, 4, p. 529-543).Putrescine is a by-product of greater value than ornithine or arginine and can be used as a feedstock in the production of various polymers including nylon-4,6 (Qian et al., 2009, Biotechnol. Bioeng., 104, p. 651- 662) and polyurethane (Dahiyat et al., 1993, J. Biomater. Sci. Polym., ed, 4, p. 529-543).

Таблица 9Table 9

Названия генов Gene names Номер ЕС EU number Идентификаторы Identifiers Аргинин декарб оксилаза Arginine decarb oxylase ЕС 4.1.1.9 EU 4.1.1.9 AGY76455, CAETHG 2244 AGY76455, CAETHG 2244 Агматиндезиминаза Agmatine deiminase ЕС 3.5.3.12 EU 3.5.3.12 AGY76293.1, CAETHG_2074 AGY76293.1, CAETHG_2074 Путресцинкарбамоилтрансфераза Putrescinecarbamoyltransferase ЕС 2.3.1.6 EU 2.3.1.6 EKU86922, WP 003731415.1 , AGY76301 EKU86922, WP 003731415.1, AGY76301 Карбаматкиназа Carbamate kinase ЕС 2.7.2.2 EU 2.7.2.2 AGY77835, CAETHG_3632 AGY77835, CAETHG_3632

Пример 9. Продуцирование аланина и превращение в 3-НР или акриловую кислоту посредством гетерологичных путей.Example 9 Alanine production and conversion to 3-HP or acrylic acid via heterologous pathways.

Этот пример демонстрирует превращение аланина в 3-гидроксипропионат или акриловую кислоту.This example demonstrates the conversion of alanine to 3-hydroxypropionate or acrylic acid.

Продуцирование аланина из аргинина микрорганизмом С. autoethanogenum было продемонстрировано в примере 1. Алании может быть в дальнейшем превращен в высокоценные продукты 3-гидроксипропионата (3-НР) или акриловую кислоту.The production of alanine from arginine by the microorganism C. autoethanogenum was demonstrated in Example 1. Alanya can be further converted into high value 3-hydroxypropionate (3-HP) products or acrylic acid.

Превращение аланина в акрилат было показано в Clostridium propionicum (R.K. Dalai, M. Akedo, C.L. Cooney, A.J. Sinskey (1980), Микробный путь продуцирования акриловой кислоты, Biosources Dig 2:89-97). Конверсия может происходить через малонил-семиальдегид и 3-НР или через аланил-КоА. Как 3-НР, так и аланил-КоА могут быть превращены в акрилил-КоА и далее в акрилат. Выделенные гены/ферменты С. propionicum могут быть введены и гетерологично экспрессированы любым специалистом в данной области с помощью способов, описанных ранее, с целью продуцирования 3-гидроксипропионата или ацилата (WO 2012053905, WO 2012115527, WO 2013180584).The conversion of alanine to acrylate has been shown in Clostridium propionicum (R.K. Dalai, M. Akedo, C.L. Cooney, A.J. Sinskey (1980), Microbial Acrylic Acid Production Pathway, Biosources Dig 2:89-97). Conversion can occur via malonyl semialdehyde and 3-HP or via alanyl-CoA. Both 3-HP and alanyl-CoA can be converted to acrylyl-CoA and further to acrylate. Isolated C. propionicum genes/enzymes can be introduced and heterologously expressed by any person skilled in the art using the methods described previously to produce 3-hydroxypropionate or acylate (WO 2012053905, WO 2012115527, WO 2013180584).

- 31 040778- 31 040778

Пример 10. Транскриптометрический анализ.Example 10 Transcriptometric Analysis

Транскриптометрический анализ биореакторных культур биологического дубликата С. autoethanogenum, растущих гетеротрофно на среде 4АК; см. табл. 2) осуществляли с помощью секвенирования РНК. Во время сбалансированной фазы роста и поглощения всех 4АК приблизительно 35 мл культуры 0,3 г DCW/л собирали, гранулировали (5000хг в течение 3 мин при 4°С) и ресуспендировали в 5 мл RNAlater (Qiagen). Образец хранили при 4°С в течение ночи, центрифугировали (4000хг в течение 10 мин при 4°С) и осадок хранили при -80°С до дальнейшей обработки. Замороженные гранулы оттаивали, экстрагировали общую РНК, а библиотеки мРНК подготавливали, как описано в Marcellin et al., 2013, Секвенирование выполняли с помощью секвенсера, Illumina Hiseq-2000.Transcriptometric analysis of bioreactor cultures of a biological duplicate of C. autoethanogenum growing heterotrophically on 4AK medium; see table. 2) was carried out using RNA sequencing. During the balanced phase of growth and uptake of all 4AAs, approximately 35 ml of a culture of 0.3 g DCW/l was harvested, granulated (5000xg for 3 min at 4°C) and resuspended in 5 ml RNAlater (Qiagen). The sample was stored at 4°C overnight, centrifuged (4000xg for 10 min at 4°C) and the pellet was stored at -80°C until further processing. The frozen beads were thawed, total RNA was extracted, and mRNA libraries were prepared as described in Marcellin et al., 2013. Sequencing was performed using a sequencer, Illumina Hiseq-2000.

Профили экспрессии генов на среде 4АК сравнивали с опубликованными ранее данными РНК-секв. того же штамма С. autoethanogenum (DSM 10061), выращенного гетеротрофно на стандартной среде PETC-MES (включая YE) (Marcellin et al., 2016). Последовательные считывания данных обоих гетеротрофных условий усекали во избежание ошибок считывания, а затем выравнивали/сведили к геному с использованием TopHat2 с (Kim et al., 2013) двумя несоответствиями, разрешенными для выравнивания считывания. Численность транскриптов оценивали с помощью функции FPKM от Cufflinks, применяя нормировку верхних квартилей. CuffDiff применяли для оценки дифференциально выраженных транскриптов, a Cuffhorm применяли для нормализации данных, q-значение ниже 0,05 (с применением уровня ложноположительных результатов; Benjamini и Hochberg, 1995) применяли для определения достоверных изменений экспрессии генов.Gene expression profiles on 4AK medium were compared with previously published RNA seq data. the same strain of C. autoethanogenum (DSM 10061) grown heterotrophically on a standard PETC-MES medium (including YE) (Marcellin et al., 2016). Sequential reads of both heterotrophic conditions were truncated to avoid read errors and then aligned/genome-matched using TopHat2 with (Kim et al., 2013) two mismatches allowed for read alignment. Transcript abundance was estimated using the Cufflinks FPKM function using upper quartile normalization. CuffDiff was used to evaluate differentially expressed transcripts and Cuffhorm was used to normalize data, a q-value below 0.05 (using a false positive rate; Benjamini and Hochberg, 1995) was used to determine significant changes in gene expression.

Транскриптометрический анализ с применением РНК-секвенирования (РНК-секв.) проводили для дальнейшего получения подтверждающих данных вовлечения пути ADI на уровне экспрессии генов. С этой целью отбирали биореакторные культуры биологического дубликата С. Autoethanogenum, растущие гетеротрофно на среде 4АК, во время фазы сбалансированного роста. Этот набор данных РНК-секв. сравнивали с ранее опубликованным набором данных (Marcellin et al., 2016) того же штамма С. autoethanogenum (DSM 10061), выращенного гетеротрофно (фруктоза) на стандартной YE-содержащей среде PETC-MES.Transcriptometric analysis using RNA sequencing (RNA sequencing) was performed to further provide evidence of the involvement of the ADI pathway at the level of gene expression. For this purpose, bioreactor cultures of the biological duplicate of C. autoethanogenum, growing heterotrophically on 4AK medium, were selected during the balanced growth phase. This RNA-seq dataset compared with a previously published data set (Marcellin et al., 2016) of the same strain of C. autoethanogenum (DSM 10061) grown heterotrophically (fructose) on a standard YE-containing PETC-MES medium.

Транскриптометрический анализ доказал роль пути ADI, поскольку все гены пути ADI характеризовались более чем 500-кратной повышенной регуляцией (q-значения <0,001), в случаях когда клетки выращивались на среде PETC-MES, дополненно 4АК по сравнению с YE. Кроме того, наблюдали более чем 380-кратное повышение регуляции (q-значения <0,001) предполагаемых антипортерных генов аргинина-орнитина (CAETHG_3023 и _3024). Данные, полученные авторами из четырех генов, ассоциированных с расщеплением цитруллина в карбамоилфосфат и орнитин в С. autoethanogenum, демонстрируют, что орнитинкарбамоилтрансфераза (CAETHG_3022) является белком, катализирующим поток (645-кратное повышение регуляции, q<0,001) при катаболизме ARG в С. autoethanogenum, поскольку его изоферменты характеризовались либо пониженной регуляцией (CAETHG_0449 и _0591), либо не продемонстрировали изменений (CAETHG_2082) между сравниваемыми условиями. Аналогичным образом из пяти генов, ассоциированных с расщеплением карбамоилфосфата в СО2, карбаматкиназа CAETHG_3025, повидимому, представляет собой белок, катализирующий поток (623-кратное повышение регуляции, q<0,001), поскольку ее значение FPKM в 1000 раз выше, чем значения FPKM для ее изоферментов.Transcriptometric analysis proved the role of the ADI pathway, as all ADI pathway genes were more than 500-fold upregulated (q-values <0.001) when cells were grown on PETC-MES medium supplemented with 4AA compared to YE. In addition, more than 380-fold upregulation (q-values <0.001) of putative arginine-ornithine antiporter genes (CAETHG_3023 and _3024) was observed. Data obtained by the authors from four genes associated with the breakdown of citrulline to carbamoyl phosphate and ornithine in C. autoethanogenum demonstrate that ornithine carbamoyl transferase (CAETHG_3022) is the protein that catalyzes the flux (645-fold upregulation, q<0.001) of ARG catabolism in C. autoethanogenum because its isoenzymes were either downregulated (CAETHG_0449 and _0591) or showed no change (CAETHG_2082) between compared conditions. Similarly, of the five genes associated with carbamoyl phosphate cleavage to CO 2 , carbamate kinase CAETHG_3025 appears to be the flux-catalysing protein (623-fold upregulation, q<0.001), as its FPKM value is 1000-fold higher than the FPKM values for its isoenzymes.

Пример 11. Оптимизация эффективности включения аргинина в центральный метаболизм.Example 11. Optimization of the efficiency of the inclusion of arginine in the central metabolism.

Транскриптометрический анализ выявил гены, которые в нативном метаболизме определяют поток использования аргинина и включения в центральный метаболизм в виде орнитинкарбамоилтрансферазы (CAETHG_3022) и карбаматкиназы (CAETHG_3025). Для повышения эффективности эти гены можно сверхэкспрессировать с помощью сильных или индуцибельных промоторов, например, но не ограничиваясь ими, промотор ферредоксина Pfdx, промотор ацетаткиназы Ppta, или Ptet, или PIPL12, которые были описаны ранее (US 20160160223; Nagaraju et al., Редактирование генома Clostridium autoethanogenum с применением CRISPR/Cas9, Biotechnol Biofuels., 2016, 9:219).Transcriptometric analysis revealed genes that in native metabolism determine the flow of arginine use and inclusion in the central metabolism in the form of ornithine carbamoyl transferase (CAETHG_3022) and carbamate kinase (CAETHG_3025). To improve efficiency, these genes can be overexpressed with potent or inducible promoters, such as, but not limited to, the Pfdx ferredoxin promoter, the Ppta or Ptet acetate kinase promoter, or PIPL12, which have been previously described (US 20160160223; Nagaraju et al., Genome Editing). Clostridium autoethanogenum using CRISPR/Cas9, Biotechnol Biofuels., 2016, 9:219).

Все ссылки, включая публикации, заявки на патенты и патенты, приведенные в данном описании, включены в данный документ посредством ссылки в той же степени, как если бы каждая ссылка была индивидуально и конкретно указана для включения посредством ссылки и была изложена в данном описании во всей своей полноте. Ссылка на любой предшествующий уровень техники в этом описании не является и не должна рассматриваться как подтверждение того, что предшествующий уровень техники является частью известных общедоступных знаний в области науки в любой стране.All references, including publications, patent applications, and patents, cited in this specification are incorporated herein by reference to the same extent as if each reference were individually and specifically indicated to be incorporated by reference and are set forth in this specification in its entirety. its completeness. Reference to any prior art in this specification is not and should not be taken as an endorsement that the prior art is part of the known public knowledge of science in any country.

В контексте описания данного изобретения (особенно в контексте последующей формулы изобретения) термины в единственном числе относятся как к единственному, так и множественному числу, если не указано иное или явно противоречит контексту. Термины состоящий, имеющий, включающий и содержащий следует толковать как неограничивающие (т.е. означающие включающий, но не ограничиваясь этим), если не указано иное. Приведение диапазонов значений в данном описании предназначено исключительно с целью упростить ссылку по отдельности на каждое значение внутри диапазона, если не указано иное, и каждое отдельное значение включено в данное описание, как если бы оно было представлено отдельно.In the context of the description of this invention (especially in the context of the following claims), the terms in the singular refer to both the singular and the plural, unless otherwise indicated or clearly contrary to context. The terms consisting, having, including, and containing are to be construed as non-limiting (i.e., meaning including, but not limited to) unless otherwise indicated. The listing of ranges of values in this specification is solely for the purpose of making it easier to refer individually to each value within the range, unless otherwise indicated, and each individual value is included in this specification as if it were presented separately.

--

Claims (11)

Все описанные в данном документе способы могут быть осуществлены в любом подходящем порядке, если не указано иное или это явно не противоречит контексту. Любые примеры или приведение в качестве примера (например, такой как) в данном документе предназначены исключительно для лучшего объяснения изобретения и не накладывают ограничений на объем данного изобретения, если в формуле изобретения не заявлено иное. Никакую формулировку в данном описании не следует понимать в качестве указывающей на какой-либо отсутствующий в формуле изобретения элемент, как на элемент, существенный для практического применения изобретения.All of the methods described herein may be performed in any suitable order, unless otherwise indicated or clearly inconsistent with the context. Any examples or exemplification (eg, such as) herein are intended solely to better explain the invention and are not intended to limit the scope of the invention unless otherwise stated in the claims. No wording in this specification is to be understood as indicating any element omitted from the claims as being essential to the practice of the invention. В данном документе описаны предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения. Вариации этих предпочтительных вариантов осуществления изобретения могут стать очевидными для специалистов в данной области техники после прочтения вышеприведенного описания. Авторы предполагают, что квалифицированные специалисты при необходимости будут применять варианты реализации данного изобретения, отличающиеся от конкретных вариантов, описанных в данном документе. Соответственно это изобретение включает все модификации и эквиваленты предмета, указанного в формуле изобретения, прилагаемой к настоящему документу, в соответствии с применяемым законодательством. Более того, любая комбинация описанных выше элементов во всех возможных вариантах входит в объем данного изобретения, если в данном документе не указано иное или это явно не противоречит контексту.This document describes the preferred embodiments of the present invention. Variations of these preferred embodiments of the invention may become apparent to those skilled in the art upon reading the above description. The authors assume that qualified specialists, if necessary, will apply embodiments of this invention that differ from the specific options described in this document. Accordingly, this invention includes all modifications and equivalents of the subject matter set forth in the claims appended herein, in accordance with applicable law. Moreover, any combination of the elements described above in all possible ways is included in the scope of this invention, unless otherwise indicated in this document or this clearly contradicts the context. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯCLAIM 1. Способ повышения эффективности ферментации газообразного С1-содержащего субстрата при получении продукта, при этом указанный способ включает1. A method for improving the efficiency of the fermentation of a gaseous C1-containing substrate when obtaining a product, while this method includes a) впускание потока газообразного С1-содержащего субстрата в биореактор, содержащий культуру С1-фиксирующего микроорганизма в жидкой питательной среде; иa) introducing a stream of gaseous C1-containing substrate into a bioreactor containing a culture of C1-fixing microorganism in a liquid nutrient medium; And b) ферментацию культуры с целью получения по меньшей мере одного продукта, при этом аргинин добавляют в культуру в качестве единственного источника азота, и при этом С1-фиксирующий микроорганизм представляет собой рекомбинантный генетически модифицированный микроорганизм, содержащий путь метаболизма аргинина, и где С1-фиксирующий микроорганизм представляет собой Clostridium.b) fermenting the culture to produce at least one product, wherein arginine is added to the culture as the sole source of nitrogen, and wherein the C1 fixing microorganism is a recombinant genetically modified microorganism containing the arginine metabolic pathway, and wherein the C1 fixing microorganism is Clostridium. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанный путь метаболизма аргинина включает в себя путь аргининдезиминазы и/или путь аргининдекарбоксилазы, при этом путь аргининдезиминазы включает в себя один или большее количество ферментов, выбранных из группы, состоящей из аргининдезиминазы (ЕС 3.5.3.6), орнитинкарбамоилтрансферазы (ЕС 2.1.3.3) и карбаматкиназы (ЕС 2.7.2.2), а путь аргининдекарбоксилазы включает в себя один или большее количество ферментов, выбранных из группы, состоящей из аргининдекарбоксилазы (ЕС 4.1.1.19), агматиндезиминазы (ЕС 3.5.3.12), путресцинкарбамоилтрансферазы (ЕС 2.1.3.6) и карбаматкиназы (ЕС 2.7.2.2).2. The method according to claim 1, characterized in that said arginine metabolism pathway includes the arginine deiminase pathway and/or the arginine decarboxylase pathway, wherein the arginine deiminase pathway includes one or more enzymes selected from the group consisting of arginine deiminase (EC 3.5 .3.6), ornithinecarbamoyltransferase (EC 2.1.3.3) and carbamate kinase (EC 2.7.2.2), and the arginine decarboxylase pathway includes one or more enzymes selected from the group consisting of arginine decarboxylase (EC 4.1.1.19), agmatine deiminase (EC 3.5 .3.12), putrescinecarbamoyltransferase (EC 2.1.3.6) and carbamate kinase (EC 2.7.2.2). 3. Способ по п.2, где указанный путь метаболизма аргинина включает в себя одно или более из сверхэкспрессированного эндогенного фермента, мутированного эндогенного фермента или экзогенного фермента.3. The method of claim 2, wherein said arginine pathway comprises one or more of an overexpressed endogenous enzyme, a mutated endogenous enzyme, or an exogenous enzyme. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что аргинин добавляют в культуру в количестве, превышающем потребности клеток культуры вплоть до 1000 раз.4. The method according to claim 1, characterized in that arginine is added to the culture in an amount exceeding the needs of the culture cells up to 1000 times. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что концентрация аргинина в биореакторе составляет по меньшей мере 20 мг/л.5. The method according to claim 1, characterized in that the concentration of arginine in the bioreactor is at least 20 mg/l. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что потребность клеток культуры составляет 0,012 г аргинина на грамм клеточной биомассы.6. The method according to claim 1, characterized in that the requirement of the culture cells is 0.012 g of arginine per gram of cell biomass. 7. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанный продукт выбирают из группы, состоящей из этанола, 2,3-бутандиола, 1,3-бутандиола, лактата, сукцината, метилэтилкетона (MEK), бутирата, 2-бутанола, 1,2-пропандиола (1,2-PDO), 1-пропанола, изопропанола (IPA), ацетоина, изобутанола, изопрена, фарнезена, бисаболена, пинена, лимонена, ацетона, 3-гидроксибутирата, 2-гидроксиизомасляной кислоты (2-HIBA), цитрамалата, бутадиена, полимолочной кислоты, 1-бутанола, 3-гидроксипропионата (3-НР), бензоата, этиловых эфиров жирной кислоты, жирных кислот и изобутилена.7. Process according to claim 1, characterized in that said product is selected from the group consisting of ethanol, 2,3-butanediol, 1,3-butanediol, lactate, succinate, methyl ethyl ketone (MEK), butyrate, 2-butanol, 1 ,2-propanediol (1,2-PDO), 1-propanol, isopropanol (IPA), acetoin, isobutanol, isoprene, farnesene, bisabolene, pinene, limonene, acetone, 3-hydroxybutyrate, 2-hydroxyisobutyric acid (2-HIBA) , citramalate, butadiene, polylactic acid, 1-butanol, 3-hydroxypropionate (3-HP), benzoate, fatty acid ethyl esters, fatty acids and isobutylene. 8. Способ по п.1, где аргинин катаболизируется посредством пути метаболизма аргинина для продуцирования аммония, при этом С1-фиксирующий микроорганизм использует аммоний в качестве источника азота.8. The method of claim 1 wherein arginine is catabolized via the arginine metabolic pathway to produce ammonium, wherein the C1-fixing microorganism uses ammonium as a nitrogen source. 9. Способ по п.1, отличающаяся тем, что указанный С1-фиксирующий микроорганизм содержит разрушающую мутацию в транспортере аргинина:орнитина.9. The method of claim 1, wherein said C1-fixing microorganism contains a disruptive mutation in the arginine:ornithine transporter. 10. Способ по п.1, где С1-фиксирующий микроорганизм содержит одну или большее количество генетических модификаций в пути метаболизма аргинина, причем одна или большее количество генетических модификаций выбраны из группы, состоящей из (i) разрушающей мутации регуляторных элементов и (ii) замены сайтов связывания оператора или нативных промоторов на конститутивные или синтетические промоторы.10. The method of claim 1, wherein the C1-fixing microorganism comprises one or more genetic modifications in the arginine metabolic pathway, wherein the one or more genetic modifications are selected from the group consisting of (i) disruptive mutation of regulatory elements and (ii) substitution operator binding sites or native promoters to constitutive or synthetic promoters. 11. Способ по п.10, отличающийся тем, что указанная разрушающая мутация представляет собой 11. The method of claim 10, wherein said destructive mutation is --
EA201891335 2015-12-03 2016-12-02 ADDING ARGININE TO INCREASE THE EFFICIENCY OF GAS FERMENTING ACETOGENES EA040778B1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US62/262,886 2015-12-03
US62/262,888 2015-12-03

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EA040778B1 true EA040778B1 (en) 2022-07-27

Family

ID=

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10174303B2 (en) Genetically engineered microorganisms for the production of chorismate-derived products
US11965201B2 (en) Arginine supplementation to improve efficiency in gas fermenting acetogens
JP6862349B2 (en) Recombinant microorganisms showing increased flux through the fermentation pathway
JP2023123701A (en) Microorganisms and methods for biological production of ethylene glycol
US10131884B2 (en) Recombinant acetogenic bacterium for the conversion of methane to products
JP2016508718A (en) Recombinant microorganism containing NADPH-dependent enzyme and method for producing the same
Yao et al. Formate-dependent acetogenic utilization of glucose by the fecal acetogen Clostridium bovifaecis
US20210292732A1 (en) Fermentative production of 2-phenylethanol from gaseous substrates
CN118006698A (en) Method for storing gaseous hydrogen by producing formic acid (formic acid)
US10358661B2 (en) Microorganism with modified hydrogenase activity
EA040778B1 (en) ADDING ARGININE TO INCREASE THE EFFICIENCY OF GAS FERMENTING ACETOGENES
Singla et al. Optimization and Molecular Characterization of Syngas Fermenting Anaerobic Mixed Microbial Consortium TERI SA1.
Kottenhahn et al. Hexanol Biosynthesis From Syngas by Clostridium Carboxidivorans P7-Investigation of Product Toxicity, Temperature Dependence and in Situ Extraction
Seo Production of 1-butanol and butanol isomers by metabolically engineered Clostridium beijerinckii and Saccharomyces cerevisiae