ES2291797T3 - Procedimiento para producir l-cisteina utilizando bacterias que pertenecen al genero escherichia. - Google Patents

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ES2291797T3 ES04025952T ES04025952T ES2291797T3 ES 2291797 T3 ES2291797 T3 ES 2291797T3 ES 04025952 T ES04025952 T ES 04025952T ES 04025952 T ES04025952 T ES 04025952T ES 2291797 T3 ES2291797 T3 ES 2291797T3
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Abstract

Bacteria productora de L-cisteína que pertenece al género Escherichia, en el que la bacteria se ha modificado de forma que la cantidad de la expresión de los genes del grupo cysPTWAM es superior que la de una cepa antes de la modificación, aumentando el número de copias de los genes del grupo cysPTWAM o modificando una secuencia de control de la expresión de dichos genes.

Description

Procedimiento para producir L-cisteína utilizando bacterias que pertenecen al género Escherichia.
Antecedentes de la invención Campo de la invención
La presente invención se refiere a la biotecnología, y particularmente a un procedimiento para producir L-cisteína mediante fermentación. La presente invención se refiere particularmente a genes derivados de Escherichia coli. Se ha descubierto que estos genes resultan útiles para mejorar la producción de L-cisteína de E. coli.
Descripción de la técnica relacionada
Convencionalmente, se han producido industrialmente L-aminoácidos utilizando cepas de microorganismos obtenidos a partir de fuentes naturales o de sus mutantes que se han modificado específicamente para potenciar la producción de L-aminoácidos.
Se ha informado de muchas técnicas con respecto a la potenciación de la producción de L-aminoácidos, por ejemplo por transformación de un microorganismo mediante ADN recombinante (véase, por ejemplo, la patente US nº 4.278.765). Estas técnicas se basan en el aumento de las actividades de las enzimas implicadas en la biosíntesis de los aminoácidos y/o en la desensibilización de las enzimas diana a partir de la retroinhibición por los L-aminoácidos producidos (véase, por ejemplo, las patentes US nº 5.661.012 y nº 6.040.160).
La síntesis de la L-cisteína a partir del azufre inorgánico es el mecanismo predominante por el que azufre reducido se incorpora a los compuestos orgánicos en los microorganismos, incluyendo Salmonella y Escherichia coli. En este procedimiento, el sulfato inorgánico, la fuente más abundante de azufre utilizable en la biosfera aeróbica, es absorbido y reducido a sulfuro, que se incorpora entonces a La L-cisteína en una etapa que es equivalente a la fijación del amoníaco en la glutamina o el glutamato. La absorción del sulfato se lleva a cabo mediante la sulfato permeasa, que está codificada por los genes cysTWA y sbp (proteínas de unión a sulfato). Para S. typhimurium y E. coli se han descrito otros dos mecanismos para la fijación del azufre. El primer mecanismo tiene lugar a través de la reacción del tiosulfato con la O-acetil-L-serina, catalizada por el O-acetilserin(tiol)-liasa-B codificada por el gen Cysm, para formar el tiosulfonato S-sulfocisteína, que es entonces reducido a L-cisteína. En este mecanismo el tiosulfato es transportado a la célula por la tiosulfato permeasa, que está codificada por los genes cysPTWA. Como alternativa, el sulfuro podría incorporarse a la O-acetil-L-serina a través de una reacción catalizada por la O-acetilserina(tiol)-liasa-A o B, que están codificadas por los genes CysK y cysM, respectivamente, dando lugar a L-cisteína. El segundo mecanismo implica la reacción de la O-succinil-L-homoserina con el sulfuro para formar la homocisteína en una reacción catalizada por la cistationina \gamma-sintasa. (Escherichia coli y Salmonella, 2ª Edición, Editor
\hbox{Jefe: F.C. Neidhardt, ASM Press, Washington D.C.
1996).}
En (WO03006666A2) se ha dado a conocer un procedimiento para la preparación de la L-treonina mediante fermentación de los microorganismos de la familia Enterobacteriaceae en la que por lo menos uno o más de los genes de la biosíntesis de la cisteína seleccionados de entre cysG, cysB, cysZ, cysK, cysM, cysA, cysW, cysU, cysP, cysD, cysN, cysC, cysJ, cysI, cysH, cysE y sbp están potenciados, particularmente, sobreexpresados.
Hasta la fecha, no han habido informes, sin embargo, que describan una mejoría en el rendimiento de la L-cisteína por una bacteria que se haya desarrollado en un medio que contenga tiosulfato, y en el que la bacteria se haya modificado para haber potenciado la expresión del grupo cysPTWAM.
Sumario de la invención
Un objetivo de la presente invención consiste en potenciar la productividad de cepas bacterianas productoras de L-cisteína. Constituye otro objetivo de la presente invención proporcionar un procedimiento para producir L-cisteína utilizando dichas cepas.
Otro objetivo de la presente invención consiste en proporcionar una bacteria productora de L-cisteína que pertenezca al género Escherichia, en el que la bacteria se ha modificado de forma que la cantidad de la expresión de los genes del grupo PTWAM es superior a la de una bacteria antes de la modificación aumentando el número de copias de los grupos de genes cysPTWAM o modificando una secuencia del control de la expresión de dichos genes.
Otro objetivo de la presente invención consiste en proporcionar la bacteria anteriormente descrita, en el que el número de copias aumenta transformándola con un vector multicopia que alberga al conjunto de genes cysPTWAM.
Otro objetivo de la presente invención consiste en proporcionar la bacteria tal como se ha descrito anteriormente, en el que el promotor nativo de dicho grupo es reemplazado con un promotor, que es más potente que el original.
Otro objetivo de la presente invención consiste en proporcionar la bacteria tal como se ha descrito anteriormente, en la que aumenta el número de copias integrando copias adicionales del grupo de genes cysPTWAM en el cromosoma bacteriano.
Otro objetivo de la presente invención consiste en proporcionar la bacteria tal como se ha descrito anteriormente, en el que el grupo de genes cysPTWAM se deriva de una bacteria que pertenece al género Escherichia.
Otro objetivo de la presente invención consiste en proporcionar la bacteria tal como se ha descrito anteriormente, en el que la bacteria se ha modificado de forma que la cantidad de la expresión del marco abierto de lectura de ydeD es superior al del de una cepa antes de la modificación.
Todavía otro objetivo de la presente invención consiste en proporcionar un procedimiento para producir L-cisteína, que comprende el cultivo de la bacteria tal como se ha descrito anteriormente en un medio de cultivo que contiene tiosulfato y la recuperación de la L-cisteína a partir de este medio de cultivo.
Otro objetivo de la presente invención consiste en proporcionar el procedimiento tal como se ha descrito anteriormente, en el que la cantidad de la expresión de los genes de la biosíntesis de la L-cisteína, en la bacteria, es superior al del de una cepa antes de la modificación.
Breve explicación de los dibujos
La Figura 1 muestra la posición relativa de los cebadores cysEF, cysEX-1, cysEX-2 y cysER.
La Figura 2 muestra la estructura del plásmido pACYC-DES.
La Figura 3 muestra la estructura del plásmido pMW119int.
Descripción detallada de la invención
Los objetivos mencionados anteriormente se han alcanzado mediante el descubrimiento de que la potenciación de la expresión de los grupos de genes cysPTWA, así como de la del gen cysM, que codifica una sistema para el transporte del sulfato/tiosulfato y de la O-acetilserina(tiol)-liasa-B, respectivamente, puede potenciar la producción de L-cisteína cuando la nueva cepa modificada en la presente memoria se cultiva en un medio que contiene tiosulfato.
La bacteria de la presente invención es una bacteria que produce L-cisteína que pertenece al género Escherichia, que potencia la expresión de los genes del grupo cysPTWAM, que potencia o aumenta el rendimiento de la producción de L-cisteína. Más específicamente, la bacteria de la presente invención es una bacteria productora de L-cisteína, que pertenece al género Escherichia, en el que la bacteria se ha modificado para potenciar la expresión del grupo de genes cysPTWAM,
El término "bacteria productora de L-cisteína" hace referencia una bacteria, que posee capacidad para producir y secretar L-cisteína en un medio, cuando la bacteria se cultiva en el medio. El término "bacteria productora de L-cisteína" tal como se utiliza en la presente memoria, puede asimismo hacer referencia a una bacteria, que puede producir y secretar L-cisteína en un medio de cultivo en una cantidad superior a la de una cepa parental o de tipo salvaje, y significa preferentemente que el microorganismo puede producir y secretar L-cisteína en un medio en una cantidad de por lo menos 0,5 g/l, más preferentemente en por lo menos 1,0 g/l.
La expresión "una bacteria que pertenece al género Escherichia" significa que la bacteria se clasifica como género Escherichia según la clasificación conocida por un experto en la técnica microbiológica. Un microorganismo que pertenece al género Escherichia tal como se utiliza en la presente invención incluye, pero no se limita a Escherichia coli (E. coli). E. coli es una de las bacterias más preferidas de la presente invención.
La expresión "modificada para potenciar la expresión del gen o genes" significa que la cantidad de la expresión del gen o de los genes es superior que la de una cepa no modificada, por ejemplo, una cepa de tipo salvaje. Por ejemplo, aumentar el número de genes por célula, aumentar el número de moléculas codificadas por los genes por célula, o aumentar el nivel de expresión génica, y así sucesivamente, están englobados. El número de copias del gen que se expresa, se mide, por ejemplo, mediante la restricción del ADN cromosómico, seguido por transferencia Southern, utilizando una sonda construida basándose en la secuencia génica, hibridización in situ por fluorescencia (FISH) y similares. El nivel de expresión génica puede medirse mediante diversos procedimientos conocidos en la técnica, que incluyen la transferencia Northern, la RT-PCR cuantitativa, y similares. Además, una cepa de tipo salvaje, tal como Escherichia coli K-12, puede servir como control. Como resultado de la potenciación de la expresión del gen o genes, aumenta en el medio la secreción y acumulación de la L-cisteína.
La potenciación de la expresión del grupo de genes cysPTWAM en una célula bacteriana se obtiene aumentando el número de copias del grupo de genes cysPTWAM o modificando la secuencia de control de la expresión del grupo de genes, de forma que se potencie la expresión de éstos.
El grupo de genes cysPTWAM que se utilizan en la presente invención incluye los derivados de bacterias que pertenecen al género Escherichia, así como los derivados de otras bacterias, tales como Salmonella. Se prefieren los genes derivados de las bacterias que pertenecen al género Escherichia.
\newpage
Se ha informado de las secuencias del grupo de genes cysPTWAM de Escherichia coli, de la siguiente forma (Blattner, F.R. et al, Science, 277 (5331), 1453-1474 (1997)):
gen cysP (SEC ID nº: 1)- nucleótidos números 2540532 a 2541548 en la secuencia de GenBank, registro
NC_000913.1 (gi:16130350)
gen cysT (cysU) (SEC ID nº: 3)- nucleótidos números 2539699 a 2540532 en la secuencia de GenBank, registro NC_000913.1 (gi:16130349)
gen cysW (SEC ID nº: 5)- nucleótidos números 2538824 a 2539699 en la secuencia de GenBank, registro
NC_000913.1 (gi:16132224),
gen cysA (SEC ID nº: 7)- nucleótidos números 2537737 a 2538834 en la secuencia de GenBank, registro
NC_000913.1 (gi:16130348)
gen cysM (SEC ID nº: 9)- nucleótidos números 2536692 a 2537603 en la secuencia de GenBank, registro
NC_000913.1 (gi:16130347)
El grupo cysPTWAM está localizado entre el locus ychM ORF b2420 y el locus b2426 en el cromosoma de la cepa K-12 de E. coli. Por tanto, estos genes pueden obtenerse mediante PCR (reacción en cadena de la polimerasa; referencia a White, T.J. et al., Trends Genet, 5,185 (1989)) utilizando cebadores basados en las secuencias nucleótidas que se han informado de los genes. Los genes que codifican las proteínas del sistema de transporte sulfato/tiosulfato que se derivan de otros microorganismos, pueden obtenerse de forma similar.
Ejemplos de los genes del grupo cysPTWAM que se derivan de Escherichia coli incluyen los ADN siguientes:
- el gen cysP que codifica la proteína (A) o (B):
(A)
una proteína que posee la secuencia aminoácida que se muestra en SEC ID n: 2; o
(B)
una variante proteica de la secuencia aminoácida que se muestra en SEC ID nº: 2, que muestra una actividad de la proteína que se une al tiosulfato periplásmico;
- gen cysT que codifica la proteína (C) o (D);
(C)
una proteína que posee la secuencia aminoácida que se muestra en SEC ID n:4; o
(D)
una variante proteica de la secuencia aminoácida que se muestra en SEC ID nº: 4, que muestra una actividad de la permeasa del sistema de transporte sulfato/tiosulfato cuando se combina con las proteínas (E) o (F) y (G) o (H);
- gen cysW que codifica la proteína (E) o (F);
(E)
una proteína que posee la secuencia aminoácida que se muestra en SEC ID n:6; o
(F)
una variante de proteína de la secuencia aminoácida que se muestra en SEC ID nº: 6, que muestra una actividad de la permeasa del sistema de transporte sulfato/tiosulfato cuando se combina con las proteínas (C) o (D) y (G) o (H);
- gen cysA que codifica la proteína (G) o (H);
(G)
una proteína que posee la secuencia aminoácida que se muestra en SEC ID n:8; o
(H)
una variante proteica de la secuencia aminoácida que se muestra en SEC ID nº: 8, que es un componente de la unión a ATP de la permeasa sulfato/tiosulfato y muestra una actividad de la permeasa del sistema de transporte sulfato/tiosulfato cuando se combina con las proteínas (C) o (D), y (E) o (F);
- gen cysM que codifica la proteína (I) o (J);
(I)
una proteína que posee la secuencia aminoácida que se muestra en SEC ID n:10; o
(J)
una variante proteica de la secuencia aminoácida que se muestra en SEC ID nº: 10, que muestra una actividad de la O-acetilserin(tiol)-liasa-B.
La frase "una actividad de la permeasa del sistema de transporte sulfato/tiosulfato" significa la actividad de una proteína que transporta al tiosulfato al interior celular a partir del medio externo. La frase "una actividad de O-acetilserin(tiol)-liasa-B" significa una actividad que cataliza la reacción entre O-acetil-L-serina y tiosulfato, que proporciona S-sulfocisteína. La presencia de estas actividades puede determinarse, por ejemplo, mediante experimentos de complementación que utilicen bacterias que presenten mutaciones en los genes correspondientes.
El ADN que codifica las proteínas de la presente invención incluye un ADN que codifica variantes proteicas, que presentan posiblemente deleciones, sustituciones, inserciones o adiciones de uno o varios aminoácidos en una o más posiciones en las proteínas (A), (C), (E), (G) o (I), siempre que dichos cambios no produzcan pérdidas de la actividad de la proteína. El número de "varios" aminoácidos difiere dependiendo de la posición de los residuos aminoácidos en la estructura tridimensional de la proteína y del tipo de aminoácidos. Sin embargo, significa preferentemente entre 2 y 30, más preferentemente entre 2 y 20, y muy preferentemente entre 2 y 10 para una proteína que tenga aproximadamente 300 residuos aminoácidos. Esto es debido a que algunos aminoácidos presentan una alta homología entre ellos y a que las diferencias entre las secuencias aminoácidas no afectan de forma importante a la estructura tridimensional de la proteína y a su actividad. Por tanto, la proteína (B), (D), (F), (H) o (J), puede ser una que presente una homología no inferior a entre 30 y 50 %, preferentemente entre el 50 y el 70%, más preferentemente entre 70 y 90%, más preferentemente no inferior al 90%, y muy preferentemente no inferior al 95%, con respecto a la secuencia aminoácida completa de la proteína (A), (C), (E), (G) o (I), respectivamente, y que muestre la actividad de la proteína respectiva.
Para evaluar el grado de homología proteica o del ADN, pueden utilizarse procedimientos conocidos de cálculo, tales como las búsquedas BLAST, FASTA y CrustalW.
BLAST (Herramienta de Búsqueda de la Alineación Local Básica) es el algoritmo heurístico de búsqueda utilizado por los programas blastp, blastn, blastx, megablast, tblastn, y tblastx, estos programas atribuyen significado a sus hallazgos utilizando los procedimientos estadísticos de Karlin, Samuel y Stephen F. Altschul ("Methods for assessing the statistical significance of molecular sequence features by using general scoring schemes"). Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1990, 87:2264-68; "Applications and statistics for multiple high-scoring segments in molecular sequences" Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1993, 90:5873-7). Procedimiento FASTA de búsqueda descrito por W.R. Pearson ("Rapid and Sensitive Sequence Comparison with FASTP and FASTA", Methods in Enzymology, 1990, 183:63-98). Procedimiento ClustalW descrito por Thompson J.D., Higgins D.G. y Gibson T.J. ("CLUSTAL W: Improving the sensitivity of progressive multiple sequence alignment through sequence weighting, position-specific gap penalties and weight matrix choice" Nucleic Acids Res. 1994, 22:4673-4680).
Los cambios para las proteínas definidas en (A), (C), (E), (G) o (I), tales como los descritos anteriormente son cambios típicamente conservadores de forma que mantengan la actividad de cada proteína. Los cambios de sustitución incluyen aquéllos en los que por lo menos, se ha sustituido un residuo en la secuencia aminoácida y se ha insertado otro residuo en su lugar. Ejemplos de aminoácidos que pueden sustituirse por un aminoácido original en la proteína anterior y que se consideran como sustituciones conservadoras incluyen: Ala que se sustituye con ser o thr; arg que se sustituye con gln, his o lys;asn que se sustituye con glu, gln, lys, his, asp; asp que se sustituye con asn, glu, o gln; cys qye se sustituye con ser o ala; gln que se sustituye con asn, glu, lys, his, asp o arg; glu que se sustituye con asn, gln, lys, y asp; gly que se sustituye con pro; his que se sustituye con asn, lys, gin, arg, tyr; ile que se sustituye con leu, met, val, phe; leu que se sustituye con ile, met, val, phe; lys que se sustituye con asn, glu, gln, his, arg; met que se sustituye con ile, leu, val, phe; phe que se sustituye con trp, tyr, met, ile, o leu; ser que se sustituye con thr, ala; thr que se sustituye con ser o ala; trp que se sustituye con phe, tyr, tyr que se sustituye con his, phe, o trp; y val que se sustituye con met, ile, leu.
El ADN que codifica sustancialmente las mismas proteínas que las definidas en (A), (C), (E), (G) o (I), tales como variantes de proteínas, pueden obtenerse mediante, por ejemplo, modificación de la secuencia nucleótida que codifica la proteína definida en (A), (C), (E), (G) o (I), utilizando mutagénesis puntual, de forma que uno o varios residuos aminoácidos serán eliminados, sustituidos, insertados o añadidos. Este ADN modificado puede obtenerse mediante procedimientos convencionales de tratamiento con reactivos bajo condiciones que típicamente generan mutaciones. Estos tratamientos incluyen el tratamiento del ADN que codifica proteínas de la presente invención, con hidroxilamina, o tratando la bacteria que alberga el ADN con irradiación UV o un reactivo tal como la N-metil-N'-nitro-N-guanidina o el ácido nitroso.
El ADN del grupo de genes cysPTWA incluyen variantes derivadas de distintas cepas y variantes de bacterias que pertenecen al género Escherichia debido a la diversidad natural.
El ADN que codifica dichas variantes puede obtenerse aislando el ADN que hibridiza a los genes cysP, cysT, cysW, cysA o al gen cysM, o a una parte suya bajo condiciones rigurosas, y que codifica la proteína que posee una actividad inherente de la proteína codificada por cada uno de los genes. El término "condiciones rigurosas" puede incluir condiciones bajo las cuales se forma un denominado híbrido específico, y no se forma un híbrido no específico. Por ejemplo, las condiciones rigurosas incluyen condiciones bajo las cuales pueden hibridizarse los ADN que muestran una alta homología, por ejemplo, los ADN que muestran entre ellos una homología no inferior al 70%, no inferior preferentemente al 80%, no inferior, más preferentemente, al 90%, y no inferior, todavía más preferentemente, al 95%. Alternativamente, las condiciones rigurosas pueden incluir condiciones típicas de lavado, para hibridización Southern, por ejemplo, 60ºC, 1 x SSC, SDS al 0,1%, preferentemente 0,1 x SSC, SDS al 0,1%. La duración del procedimiento de lavado depende del tipo de membrana que se utilice para la transferencia y, habitualmente, es recomendada por el fabricante. Por ejemplo, la duración recomendada de lavado con la membrana de nylon Hybond^{TM} N+ (Amersham) bajo condiciones rigurosas es de 15 minutos. Como sonda para el ADN que codifica variantes y se hibridiza con los genes cysP, cysT, cysW, cysA o al gen cysM, puede utilizarse asimismo una secuencia parcial de la secuencia nucleótida de SEC ID nº:1, 3, 5, 7 ó 9. Dicha sonda puede prepararse mediante PCR utilizando oligonucleótidos basados en la secuencia nucleótida de SEC ID nº: 1, 3, 5, 7 ó 9 como cebadores, y un fragmento de ADN que contiene la secuencia nucleótida de SEC ID nº: 1, 3, 5, 7 ó 9 como matriz. Cuando un fragmento de ADN de aproximadamente 300 pares de bases de longitud se utiliza como sonda, las condiciones de lavado par la hibridización pueden ser, por ejemplo, 50ºC, 2 x SSC, y SDS al 0,1%.
Los procedimientos para potenciar la expresión génica incluyen el aumento del número de copias del gen. Introduciendo un gen en un vector que pueda funcionar en una bacteria que pertenezca al género Escherichia coli, aumentará el número de copias del gen. Pueden utilizarse preferentemente los vectores multicopia, e incluyen pBR322, pUC19, pBluescript KS^{+}, pACYC177, pACYC184, pAYC32, pMW119, pET22b y similares. La potenciación de la expresión génica puede alcanzarse introduciendo copias múltiples de un gen en el cromosoma bacteriano mediante, por ejemplo, procedimientos de recombinación homóloga y similares.
La transformación de una bacteria con un ADN que alberga un gen que codifica una proteína, significa la introducción del ADN en la bacteria, por ejemplo, mediante procedimientos convencionales, para aumentar la expresión del gen en la bacteria.
Además, la potenciación de la expresión génica puede alcanzarse situando el ADN de la presente invención bajo el control de un promotor bastante más potente que el promotor nativo. El término "promotor nativo" significa una región del ADN que se encuentra en un organismo de tipo salvaje, que se localiza por encima del marco abierto de lectura (ORF) del gen, y que promueve la expresión del gen. El acoplamiento traduccional de genes en el grupo cysPTWA indica que estos genes se expresan como una unidad transcripcional única de un promotor (que se encuentra) justamente por encima del gen cysP (Hryniewicz, M.M., Kredich, N.M., J. Bacteriol., 173 (18), 5876-86 (1991)). El gen cysM está separado del gen cysA por sólo 174 pares de bases en el cromosoma de E. coli y puede formar parte también de este operón, que se transcribe en sentido contrario a las agujas del reloj en el cromosoma (Escherichia coli y Salmonella, 2ª edición, Editor Jefe: F.C. Neidhardt, ASM Press, Washington, D.C., 1996). La potencia del promotor se define como la frecuencia de actos de iniciación de síntesis del ARN. Los procedimientos para evaluar la potencia de un promotor se describen por ejemplo, por Deuschle U., Kammerer W., Gentz R., Bujard H (Promotores en Escherichia coli: una jerarquía de potencia in vivo indica estructuras alternadas. EMBO J. 1986, 5, 2987-
2994).
La potenciación de la traducción puede obtenerse asimismo introduciendo en el ADN de la presente invención una secuencia Shine-Dalgarno más eficiente (secuencia SD). La secuencia SD es una región situada por encima del codón de iniciación del ARNm, que interacciona con el 16S ARN del ribosoma (Shine J. y Dalgarno L., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1974, 71, 4, 1342-56). El término "secuencia SD original" significa la secuencia SD que se encuentra presente en el organismo de tipo salvaje. Un ejemplo de una secuencia SD eficiente incluye la secuencia SD del gen \varphi10 del fago T7 (Olins P.O. et al, Gene, 1988, 73, 227-235).
La utilización de promotores potentes puede combinarse con la multiplicación de copias génicas. Asimismo, es posible aumentar el número de copias génicas del grupo cysPTWAM combinando la integración de uno o varios genes del grupo con la introducción de uno de varios genes en un vector multicopia.
Los procedimientos para la preparación del ADN cromosómico, hibridización, PCR, preparación de ADN plasmídico, digestión y unión del ADN, transformación, selección de un oligonucleótido como un cebador y similares, incluyen procedimientos típicos bien conocidos por el experto en la materia. Dichos procedimientos se describen en Sambrook, J., y Russell D., "Molecular Cloning A Laboratory Manual, Third Edition" Cold Spring Harbor Laboratory Press (2001) y similares.
La bacteria de la presente invención puede obtenerse mediante la introducción de los ADN mencionados anteriormente en una bacteria que posea inherentemente la capacidad para producir L-cisteína. Alternativamente, la bacteria de la presente invención puede obtenerse transmitiendo la capacidad para producir L-cisteína a la bacteria que ya alberga los ADNS.
La cepa parental que va a modificarse para que muestre una potenciación de la actividad de la proteína de la presente invención, puede incluir una bacteria que produzca L-cisteína que pertenezca al género Escherichia, tal como la cepa JM15 de E. coli que se transforma con distintos alelos cysE que codifican serin acetiltransferasas retrorresistentes (patente US nº 6.218.168, solicitud Ru 2003121601 de la patente Rusa publicada); teniendo la cepa W3110 de E. coli genes sobreexpresados que codifican una proteína capaz de secretar sustancias tóxicas a partir de las células (patente US nº 5.972.663); cepas de E. coli con escasa actividad cisteína desulfhidrasa (JP11155571A2); la cepa W3110 de E. coli con un aumento de la actividad de un regulador transcripcional positivo para el regulón de la cisteína codificado por el gen cysB (solicitud PCT WO0127307A1) y similares.
Se ha informado de que el gen ydeD, que codifica una proteína membranosa que no está implicada en la vía biosintética de cualquier L-aminoácido, puede potenciar la producción de L-cisteína cuando se introducen copias adicionales del gen en células de la respectiva cepa productora (patente US nº 5.972.663). Por tanto, una forma de realización de la presente invención incluye la bacteria productora de L-cisteína que se modifica además para obtener un aumento de la expresión del marco abierto de lectura de ydeD.
La bacteria de la presente invención puede asimismo poseer un aumento de la expresión de los genes biosintéticos de la L-cisteína. Dichos genes incluyen el gen cysE,que codifica la serin acetiltransferasa retrorresistente (patente US nº 6.218.168), el gen serA, que codifica la fosfoglicerato deshidrogenasa retrorresistente (patente US nº 6.180.373), y similares.
Las proteínas codificadas por los genes ydeD,cysE o serA, pueden ser variantes, de la misma forma que se describe para los productos génicos de cysP, cysT, cysW, cysA o cysM. El procedimiento de la presente invención incluye la producción de L-cisteína que comprende las etapas de cultivo de la bacteria de la presente invención en un medio de cultivo, permitiendo que se produzca la L-cisteína por la bacteria y que sea secretada, y recuperando la L-cisteína a partir del medio de cultivo.
En la presente invención, el cultivo, recuperación y purificación de la L-cisteína a partir del medio y similares puede llevarse a cabo mediante procedimientos convencionales de fermentación y purificación que se utilizan típicamente para la producción y el aislamiento de un aminoácido utilizando un microorganismo.
El medio que se utiliza para el cultivo puede ser un medio sintético o uno natural, siempre que incluya una fuente de carbono, una fuente de nitrógeno, una fuente de azufre y minerales y, si es necesario, cantidades apropiadas de nutrientes que el microorganismo seleccionado necesita para su desarrollo.
La fuente de carbono puede incluir varios hidratos de carbono tales como glucosa y sacarosa, y varios ácidos orgánicos. Dependiendo de la forma de asimilación del microorganismo seleccionado, pueden utilizarse alcohol, incluyendo etanol y glicerol.
Como fuente de nitrógeno, pueden utilizarse varias sales de amonio tales como sales de amoníaco y amónicas, otros compuestos de nitrógeno tales como aminas, una fuente natural de nitrógeno tal como peptonas, hidrolizado de soja y un microorganismo fermentativo digerido.
Los tiosulfatos pueden utilizarse como fuente de azufre para la presente invención.
El monofosfato potásico, el cloruro sódico, el cloruro cálcico, las sales de magnesio, las sales ferrosas, las sales de manganeso y similares pueden utilizarse como minerales.
Pueden añadirse algunos nutrientes adicionales al medio, si es necesario. Por ejemplo, si el microorganismo necesita metionina para su desarrollo (auxotrofía de la metionina), puede añadirse una cantidad suficiente de metionina al medio para llevar a cabo el cultivo.
Se prefiere que el cultivo se lleve a cabo bajo condiciones aeróbicas tales como mediante agitación, y/o movimiento con aireación, a una temperatura entre 20 y 42ºC, preferentemente entre 34 y 40ºC. El pH del cultivo está habitualmente entre 5 y 9, preferentemente entre 6,5 y 7,2. El pH del cultivo puede ajustarse con amoníaco, carbonato cálcico, varios ácidos, varias bases, con tampones. Habitualmente, un cultivo entre 1 y 5 días conduce a la producción, secreción y acumulación de la L-cisteína en el medio líquido.
Después del cultivo, los sólidos tales como las células pueden eliminarse del medio líquido mediante centrifugación o filtración de membrana, y la L-cisteína puede recuperarse y purificarse mediante procedimientos tales como intercambio iónico, concentración y/o cristalización.
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Ejemplos
La presente invención se pondrá más claramente de manifiesto haciendo referencia a los Ejemplos no limitativos siguientes. En los Ejemplos, un aminoácido es de configuración L si no se apunta lo contrario. El ADN cromosómico de la cepa MG1655 de E. coli se utilizó como matriz en todas las PCR.
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Ejemplo 1
Construcción del plásmido que transporta el gen ydeD, el gen mutante cysE y el gen mutante serA5
Se ha informado de que el gen ydeD, que codifica una proteína transmembranosa, resulta útil para la producción de cisteína (patente US nº 5.972.663) Por tanto, se clonó el gen ydeD mediante PCR utilizando los cebadores ydeD299F e yded299R (SEC ID nº: 19 y 20, respectivamente) y el ADN cromosómico de la cepa MG1655 de E. coli.
Entonces, el gen mutante cysEX, que codifica la serin acetiltransferasa sin la retroinhibición por la cisteína, que se describe en la patente US nº 6.218.168, se construyó mediante dos procedimientos PCR sucesivos para mutagénesis puntual, utilizando los cebadores cysEF y cysEX-1, cysEX-2 y cysER (SEC ID nº: 21 y 22, 23 y 24 respectivamente) y el ADN cromosómico de la cepa MG1655 de E. coli, tal como se muestra en la Figura 1. Los dos productos resultantes de la PCR se separaron mediante electroforesis y se eluyeron a partir del gel. En la segunda PCR estos dos fragmentos de ADN se hibridizaron y se completó el gen mutante cysEX.
Asimismo, al gen mutante serA5, que codifica la fosfoglicerato deshidrogenasa sin la retroinhibición por la serina, que se describe en la patente US nº 6.180.373, se clonó mediante PCR, utilizando los cebadores serA5F y serA5R (SEC ID nº: 25 y 26, respectivamente) y el ADN cromosómico de la cepa MG1655 de E. coli. La serina es el precursor de la L-cisteína, por lo que la amplificación del gen mutante serA5 es necesaria para aumentar la cantidad de serina.
Finalmente, el promotor P_{ompA} se clonó mediante PCT utilizando los cebadores que se muestran en SEC ID nº:11 (cebador PrOMPAF) y nº: 12 (cebador PrOMPAR). El cebador PrOMPAF contiene un sitio enzimático de restricción SalI de reconocimiento que se introdujo en su extremo 5'. Asimismo, se introdujo un sitio SalI en los cebadores delanteros para la amplificación de los genes ydeD (SEC ID nº:19), cysEX (SEC ID nº:21) y serA5 (SEC ID nº: 25). Así, el sitio SalI se utilizó para reunir el promotor P_{ompA} y cada uno de los genes. El cebador PrOMPAR contiene un sitio enzimático de restricción PaeI que se introdujo en su extremo 5'. Esto sitios de restricción se introdujeron para una reunión de los genes posterior y la construcción de un plásmido que se utiliza para la transformación.
Así pues, la totalidad de los tres genes, cada uno de ellos bajo el control del promotor PompA, se clonaron en el vector pACYCI84.
De esta forma, se obtuvo el plásmido pACYC-DES (Figura 2).
Ejemplo 2
Clonación de los genes cysPTWA de E. coli
Los genes cysPTWA, que codifican proteínas del sistema de transporte sulfato/tiosulfato, se clonaron utilizando los cebadores que se muestran en SEC ID nº:13 (cebador Mz025) y nº:14 (cebador Mz026). El cebador Mz025 es idéntico a una secuencia que empieza 315 pares de bases por encima del codón de iniciación del gen cysP, y que tiene un sitio de restricción enzimática PaeI de reconocimiento introducido en su extremo 5'. El cebador Mz026 es una secuencia complementaria a una secuencia que empieza 13 pares de bases por debajo del codón de finalización del gen cysA y que tiene un sitio de restricción enzimática SaelI de reconocimiento introducido en su extremo 5'. El fragmento PCR resultante, que contiene el grupo cysPTWA bajo (el control) de su propio promotor, se trató con las restrictasas PaeI y SalI y se insertó en el vector pMW119, que se había tratado previamente con las mismas enzimas. De este modo, se obtuvo el plásmido pMW-PTWA.
Ejemplo 3
Clonación del gen cysM de E. coli
El gen cysM que codifica la O-acetilserin(tiol)-liasa-B se clonó mediante PCR utilizando los cebadores que se muestran en SEC ID nº:15 (cebador cysMF) y nº 16 (cebador cysMR). El cebador cysMF contiene un sitio enzimático de restricción SalI de reconocimiento que se ha introducido en su extremo 5'. El cebador cysMR contiene un sitio enzimático XbaI de reconocimiento que se ha introducido en su extremo 5'.
El promotor P_{cysK} se obtuvo mediante PCR, utilizando los cebadores que se muestran en SEC ID nº17 (cebador P^{cyskF} y nº 18 (cebador PcysKR). El cebador PcysKF es idéntico a una secuencia que empieza 6 pares de bases por encima del codón de iniciación del gen cysK, y que tiene un sitio de restricción enzimática SalI de reconocimiento que se ha introducido en su extremo 5'. El cebador PcysKR es complementario a una secuencia que empieza 301 pares de bases por encima del codón de iniciación del gen cysK, habiéndose introducido en su extremo 5' un sitio de restricción enzimática PaeI de reconocimiento. Entonces, los dos productos PCR resultantes se reunieron mediante tratamiento con la restrictasa SalI, seguido por su unión, introduciéndose en el vector integrador pMW119int. El vector pMW119int (Figura 3) se construyó a partir del vector pMW119 disponible comercialmente insertando los sitios attR y attL, que son necesarios para una ulterior integración de Mu en el sitio SalI de pMW119. De este modo, se obtuvo el plásmido pMW-P_{cysK}-cysM.
Ejemplo 4
Construcción de la cepa de E. coli con un sistema alterado para la degradación de la L-cisteína
Los genes tnaA y metC codifican proteínas de la vía principal de degradación de la cisteína (Solicitud de la patente publicada Japonesa JP200316668). Por tanto, se construyó una cepa MG1655 de E. coli con un sistema de degradación alterado de la cisteína (tnA^{-}, metC^{-}) de la siguiente forma:
Inicialmente, se indujo una mutación del gen metC mediante tratamiento con la N-metil-N'-nitro-N-nitrosoguanidina (NTG), seguido por procedimientos múltiples de enriquecimiento en ampicilina. Se seleccionó el mutante, que pudo desarrollarse sobre cistationina, pero no sobre homocisteína. Entonces, el gen alterado tnaA de la cepa CGSC7152 de E. coli (tnaA300:Tn10(Tc^{R}), del Genetic Stock Center, USA), se transfirió a la cepa metC^{-} resultante, mediante un procedimiento estándar de transducción P1 (Sambrook et al, "Molecular Cloning, A Laboratory manual, 2ª edición", Cold Spring Harbor Laboratory Press (1989)).
De este modo, se obtuvo la cepa MT de E. coli.
Ejemplo 5
Efecto de la potenciación de la expresión del grupo de cysPTWA sobre la producción de L-cisteína
La cepa MT de E. coli se utilizó como una cepa parental para evaluar el efecto de la potenciación de la expresión del grupo de cysPTWA sobre la producción de L-cisteína.
Inicialmente, el gen cysM se integró en el cromosoma de la cepa MT, utilizando el plásmido pMW-P_{cysK}-cysM mediante el procedimiento estándar de la integración de Mu.
Entonces, los plásmidos pACYC-DES y pMW-PTWA se introdujeron a continuación en el transductante
MTintCYSM resultante, dando lugar a las cepas MTintCYSM/pACYC-DES y MTintCYSM/pACYC-DES/pMW-PTWA.
Ambas cepas MTintCYSM/pACYC-DES y MTintCYSM/pACYC-DES/pMW-PTWA se cultivaron por la noche con agitación a 34ºC en 2 ml de caldo de cultivo nutritivo que había sido suplementado con 50 m/l de ampicilina y 20 \mug/ml de tetraciclina. 0,2 ml de los cultivos resultantes se inocularon en 2 ml de un medio de fermentación que contenía tetraciclina (20 mg/l) y ampicilina (50 mg/l) en tubos de ensayo de 20 x 200 mm, y se cultivaron a 34ºC durante 42 horas con un agitador rotatorio a 250 rpm. La composición del medio de fermentación fue de 15,0 g/l de (NH_{4})_{2}SO_{4}, 1,5 g/l de KH_{2}PO_{4}, 1,0 g/l de MgSO_{4}, 20,0 g/l de CaCO_{3}, 0,1 mg/l de tiamina, 1% de caldo de cultivo Luria (medio LB), 4% de glucosa, 300 mg/l de L-metionina y una concentración variada de Na_{2}S_{2}O_{3}.
Después del cultivo, se determinó la cantidad de L-cisteína que se había acumulado en el medio mediante el procedimiento descrito por Gaitonde, M.K. (Biochem. J., 104:2, 627-33 (1967). Los datos se presentan en la Tabla 1.
TABLA 1
1
Para la fermentación en un minirrecipiente de fermentación, un asa de siembra de cada cepa MTintCYSM/pACYC-DES y MTintCYSM/pACYC-DES/pMW-PTWA que se desarrollaron en L-agar, se transfirió al caldo de cultivo L y se cultivaron a 34ºC con rotación (140 rpm) para alcanzar la densidad óptica del cultivo, OD_{540} \simeq 2,0. Entonces, 25 ml del cultivo de siembra se añadieron a 250 ml del medio para fermentación y se cultivaron a 34ºC con rotación (1500 rpm) durante 48 horas.
La composición del medio de fermentación en un recipiente fermentador (g/l):
Triptona 2,0
Extracto de levadura 1,0
(NH_{4})_{2}SO_{4} 5,0
KH_{2}PO_{4} 1,5
NaCl 0,5
MgSO_{4} \cdot 7H_{2}O 0,3
CaCl_{2} \cdot 2H_{2}O 0,015
FeSO_{4} \cdot 7H_{2}O 0,075
Citrato de sodio \cdot 2H_{2}O 1,0
Glucosa 100,0
Metionina 0,45
El medio se suplementó con tiosulfato después de 6 horas de fermentación a una velocidad de 0,4 g/l*h.
Después del cultivo, la cantidad de L-cisteína que se había acumulado en el medio, se determinó tal como se ha descrito anteriormente. Los datos se presentan en la Tabla 2.
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TABLA 2
2
Tal como se aprecia en las Tablas 1 y 2, el aumento de la expresión de los genes del grupo cysPTWAM mejoró la productividad de cisteína de la cepa MT.
<110> Ajinomoto Co., Inc.
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<120> Procedimiento para producir L-cisteína utilizando bacterias que pertenecen al género Escherichia
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<150> RU2003131993
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<151> 2003-11-03
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<160> 26
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<170> PatentIn Ver. 2.1
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<210> 1
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<211> 1017
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<212> ADN
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<213> Escherichia coli
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<220>
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<221> CDS
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<222> (1)..(1017)
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<400> 1
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3
4
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<210> 2
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<211> 338
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<212> PRT
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<213> Escherichia coli
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<400> 2
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5
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<210> 3
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<211> 834
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<212> ADN
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<213> Escherichia coli
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<220>
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<221> CDS
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<222> (1).._(834)
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<400> 3
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6
7
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<210> 4
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<211> 277
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<212> PRT
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<213> Escherichia coli
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<400> 4
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8
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<210> 5
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<211> 876
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<212> ADN
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<213> Escherichia coli
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<220>
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<221> CDS
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<222> (1).._(876)
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<400> 5
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9
10
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<210> 6
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<211> 291
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<212> PRT
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<213> Escherichia coli
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<400> 6
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11
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<210> 7
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<211> 1098
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<212> ADN
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<213> Escherichia coli
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<220>
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<221> CDS
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<222> (1)..(1098)
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<400> 7
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12
13
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<210> 8
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<211> 365
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<212> PRT
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<213> Escherichia coli
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<400> 8
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14
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<210> 9
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<211> 912
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<212> ADN
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<213> Escherichia coli
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<220>
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<221> CDS
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<222> (1)..(912)
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<400> 9
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15
16
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<210> 10
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<211> 303
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<212> PRT
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<213> Escherichia coli
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<400> 10
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17
18
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<210> 11
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<211> 34
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<212> ADN
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<213> Secuencia artificial
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<220>
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<223> Descripción de la secuencia artificial: cebador
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<400> 11
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agctgagtcg accgcctcgt tatcatccaa aatc
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34
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<210> 12
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<211> 33
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<212> ADN
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<213> Secuencia artificial
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<220>
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<223> Descripción de la secuencia artificial: cebador
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<400> 12
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agctgagcat gcactaattt tccttgcgga ggc
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33
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<210> 13
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<211> 32
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<212> ADN
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<213> Secuencia artificial
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<220>
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<223> Descripción de la secuencia artificial: cebador
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<400> 13
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agctgagcat gctgatggcg gcagcacact gc
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32
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<210> 14
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<211> 33
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<212> ADN
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<213> Secuencia artificial
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<220>
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<223> Descripción de la secuencia artificial: cebador
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<400> 14
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agctgatcta gattcactca acctatcagg cgc
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33
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<210> 15
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<211> 35
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<212> ADN
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<213> Secuencia artificial
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<220>
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<223> Descripción de la secuencia artificial: cebador
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<400> 15
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agctgagtcg acgtgagtac attagaacaa acaat
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35
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agctgatcta gaagtctccg atgctattaa tcc
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agctgagcat gcccagcctg tttacgatga tcc
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agctgagtcg acatgtcgcg aaaagatggg gtg
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agctgatcta gagtttgttc tggccccgac atc
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atcaccgccg cttcaccaac g
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cgttggtgaa gcggcggtga t
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agctgagtcg acatggcaaa ggtatcgctg gag
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agctgatcta gattacagca gacgggcgcg aatgg
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Claims (8)

1. Bacteria productora de L-cisteína que pertenece al género Escherichia, en el que la bacteria se ha modificado de forma que la cantidad de la expresión de los genes del grupo cysPTWAM es superior que la de una cepa antes de la modificación, aumentando el número de copias de los genes del grupo cysPTWAM o modificando una secuencia de control de la expresión de dichos genes.
2. Bacteria según la reivindicación 1, en la que el número de copias se aumenta transformando la bacteria con un vector multicopia que alberga los genes del grupo cysPTWAM.
3. Bacteria según la reivindicación 1, en la que el promotor nativo de dicho grupo es reemplazado con un promotor que es más potente que el promotor nativo.
4. Bacteria según la reivindicación 1, en la que el número de copias se aumenta integrando copias adicionales de dichos genes del grupo cysPTWAM en el cromosoma de la bacteria.
5. Bacteria según la reivindicación 1, en la que dichos genes del grupo cysPTWAM se deriva de una bacteria que pertenece al género Escherichia.
6. Bacteria según la reivindicación 5, en la que la bacteria se modifica además de manera que la cantidad de la expresión del marco de lectura abierto de ydeD es superior al de una cepa antes de la modificación.
7. Procedimiento para producir L-cisteína que comprende el cultivo de la bacteria según la reivindicación 1 en un medio de cultivo que contiene tiosulfato, y la recuperación de la L-cisteína a partir del medio de cultivo.
8. Procedimiento según la reivindicación 7, en el que la cantidad de la expresión de los genes de la biosíntesis de la L-cisteína en la bacteria es superior a la de una cepa antes de la modificación.
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