JP2002515736A - A stable biocatalyst for ester hydrolysis - Google Patents

A stable biocatalyst for ester hydrolysis

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JP2002515736A JP52517497A JP52517497A JP2002515736A JP 2002515736 A JP2002515736 A JP 2002515736A JP 52517497 A JP52517497 A JP 52517497A JP 52517497 A JP52517497 A JP 52517497A JP 2002515736 A JP2002515736 A JP 2002515736A
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エイキンズ、ジョン
デミルジャン、デイヴィッド
フォンスタイン、ヴェロニカ
フォンスタイン、ミカエル
カサダバン、マルコム
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サーモゲン インコーポレイテッド
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    • C12N9/16Hydrolases (3) acting on ester bonds (3.1)
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Abstract

(57)【要約】 本発明は、特定の温度で安定のままである能力、基質特異性、及び活性の概要を特徴とする、単離された安定なエステラーゼ酵素を包含する。   (57) [Summary] The present invention includes an isolated, stable esterase enzyme characterized by its ability to remain stable at a particular temperature, substrate specificity, and activity profile.

Description

【発明の詳細な説明】 エステル加水分解のための安定した生体触媒 本願は、1996年6月12日出願の特許出願80/_______号;19 95年1月10日出願の80/009、704号;及び1995年8月7日出願 の80/001,995号に対する優先権を主張し、これらの出願は全て参照す ることによりその全体がここに組み込まれる。 政府の権利の記載 本願において開示される研究はサーモジェン社(ThermoGen Inc .)に対するNIH−SBIRからの認可番号:NCI1−R43−CA638 76−01によって部分的に支援されたものであり、したがって、米国政府は本 発明において所定の権利を有し得る。 発明の分野 本開示は、市販の医薬及び化学合成、組換えエステル加水分解タンパク質を生 成するためのDNAベクター、このようなベクターで形質転換された宿主細胞、 並びにこのようなベクター及び形質転換細胞によって生成された組換えエステル 加水分解タンパク質における酵素的用途に適する単離された安定な生体触媒の分 野に向けられている。 発明の背景 エステラーゼ及びリパーゼ。エステラーゼ及びリパーゼは、以下に示されるよ うに、エステル結合の加水分解 を触媒してアルコール及びカルボン酸を生成する。 エステラーゼ及びリパーゼは、異なる基質特異性、R基又は鎖長の優先度、及 び独自の阻害剤(1、2)によって特徴付けることができる。多くのエステラー ゼ及びリパーゼは、長い炭素鎖R基を有するエステルを優先的に加水分解する広 範囲のカルボキシルエステラーゼのような加水分解酵素から、コリンエステラー ゼ、及び非常に特殊な基質に対して作用するアセチルエステラーゼまでの範囲に わたる。多くの場合において、これらの加水分解酵素は、タンパク活性部位に固 有のキラル性から生じる立体選択性及び位置選択性を示すことも知られている。 この優先的な加水分解活性は、それらを、異なる位置選択性及び立体選択性を必 要とする反応、又はラセミ混合物に対する動力学的分解方法に有用なものとする 。立体選択性を示す酵素については、R*がラセミ混合物である場合、酵素触媒 加水分解の生成物R1は最も迅速に加水分解する立体異性体であり、これに対し て、R*’と名付けられた残りのエステルは鏡像異性対に富む残りのあらゆるR 1と混合されたものである。その後、これらの生成物をクロマトグラフィーによ って分離して純粋なR1を得ることができる。様々な特異性を有するエステラー ゼ及びリパーゼの大プールを利用することができることは、特定の反応のための 酵素のスクリーニング及び特定の化学合成の最適プロトコルの開発に有用である 。このプロセスの至便性は多くの有用な医薬生成物の生産量のスケールアップを 容易にする。 水性溶媒系において、エステラーゼ及びリパーゼはそれらの本来の反応:エス テル結合の加水分解を行う。イン・ビトロ(IN VITRO)において、これらの酵素 は、環状及び非環式アルコール、モノ−及びジ−エステル、並びにラクタムを含 むエステルを包含する広範囲の基質に対する反応の実施に用いることができる( 3)。水が排除されている有機溶媒中で反応を行うことにより(4、5)、エス テラーゼ及びリパーゼの反応を逆転させることができる。これらの酵素はエステ ル化又はアシル化反応を触媒してエステル結合を形成することが可能である(3 、6、7)。このプロセスも、エステルのエステル転移反応及び閉環もしくは開 環反応に用いることができる。 光学的に純粋なキラル医薬。現在、大部分の合成キラル医薬はラセミ混合物と して販売されている。しかしながら、光学的に純粋な(単一異性体の)キラル化 合物の合成における進歩により、この状況は変わりつつある(7)。ラセミ薬物 は、しばしば、治療上活性である1種類の異性体と、最善で不活性であり、かつ 最悪では潜在的に有害な副作用の主因である他の鏡像異性体とを含む。ラセミ薬 物中のこの有用ではない異性体はますます汚染物質として見られている。実際、 新薬の開発に対するFDAの施政方針演説は、異性体の各々の薬物動力学的な概 要を動物において特徴付けた後、フェーズI薬物試験で得られた臨床的な薬物速 度論的な概要と比較することを推奨している(8)。したがって、製薬会社は、 各々の新規合成薬の純粋な異性体の各々を生成させるための合成又は分離経路を 開発する必要がある。 光学的に純粋な医薬及び中間体の酵素的合成。古典的な化学合成によって特定 のキラル分子の光学的に純粋な 溶液を生成させることがしばしば非常に困難であるため、新規酵素的生体触媒が この試みにおいて主要な役割を果たす。幾つかの場合には、酵素は、危険な化学 合成手順をより環境になじむ生物学的合成プロセスと置き換えることが可能であ る。また、酵素が幾つかの化学的保護及び脱保護工程を同時に取り除く場合には 、医薬中間体を酵素的に生成させることは経費上より有効であり得る(7)。幾 つかの詳細な総説(3、7)に記述されるように、酵素の6つの主要クラス(酸 化還元酵素、転移酵素、加水分解酵素、脱離酵素、異性化酵素、及び連結酵素) は光学的に純粋な化合物の合成において有用である。加水分解酵素は、加水分解 酵素の量の多さ、それらに関する情報、補因子からのそれらの独立性、及びそれ らが受容可能な基質の多様性により、最も有用な酵素群であることが立証されて いる。 文献を調査することにより、化学合成又はキラル分解において用いられる中温 性加水分解酵素、特にエステラーゼ及びリパーゼの多くの例が示される。これら には、ブタ(9、10)及びウマ(3)の肝臓に由来するエステラーゼ並びにア スペルギルス種(11)、カンジダ種(12−16)、シュードモナス種(17 −19)、リゾプス種(20)等に由来する様々なリパーゼが含まれる。幾つか のリパーゼがプロパノロール、狭心症及び高血圧症の治療において用いられるβ −アドレナリン作動性遮断薬の合成において用いられている(7)。イブプロフ ェン、非ステロイド系抗炎症薬は、カルボキシエステラーゼを用いるそのメチル エステルの立体選択的加水分解によって合成されている(7)。これらの酵素が 化学合成における生体触媒の有用性を示し始めてはいるものの、様々な基質特異 性、位置選択性、及び立体選択性 を有する様々なエステラーゼ及びリパーゼに対する大きな必要性が依然として存 在する。加えて、これらの酵素は大規模な産業装置で用いる必要があるため、そ れらは増加した安定性、より高い熱耐性、及びより長期の「貯蔵寿命」を有する 必要がある。 熱安定性酵素。好熱性微生物が、高温で反応を触媒し、かつより長期間安定で ある有用なタンパク質の豊富な源を既にもたらしている(21、22)。一例が 、サームス・アクアチクス(Thermus aquaticus)に由来する DNAポリメラーゼI及びポリメラーゼ連鎖反応(PCR)におけるその使用で ある(23、24)。好熱性酵素は、その長期間の安定性及び使用の容易さから 、産業において最も商業的に成功している酵素になっている。現在までに最も成 功している酵素、α−アミラーゼはトウモロコシの処理に用いられており、中程 度の好熱菌B.ステアロサーモフイルス(B.stearothermophi lus)から得られる(25)。別の商業的に成功している産業用酵素はサブチ リシン、同様に様々なバシラス株に見出されるセリンプロテアーゼ、であり、洗 濯用洗剤及び他の洗浄溶液において広く用いられている。 これらの酵素の商業上の成功はそれらの使用の容易さに帰結し得る。高温で機 能することに加えて、熱安定性酵素は一般に貯蔵寿命が増加しており、これは、 生化学において訓練を受けていない者が中温性酵素に用いられる特定の範囲の条 件で作業するための取り扱い条件を顕著に改善する。酵素が化学物質の大規模処 理において重要な役割を果たす場合、それらはこれらのプロセスに関連する過酷 な条件に耐えることが可能でなければならない。熱安定性酵素は取り扱いが容易 であり、より長期間 持続し、かつ複数回の利用に再使用可能であるべきである適切な固定支持体がも たらされている。 最後に、これらの酵素が高温で生存することを可能にする疎水性及び静電力は 、それらが一般に有機溶媒中でより良好に機能することをも可能にする(26− 31)。ほとんどの酵素が有機溶媒中でそれらの活性の大部分を喪失するのに対 して、熱安定性酵素が多くの有機溶媒の変性条件に対してより耐性であることを 立証することができる。高度に熱安定性であるエステラーゼ及びリパーゼが、大 スケール産業用反応におけるこれらの生体触媒の用途の拡大に必要である。 熱安定性エステラーゼ及びリパーゼ。現在までに、1種類のエステラーゼ及び 数種類のリパーゼのみが中程度の熱安定性を有することが報告されている。Tu linら(32)は、70℃で10分まで安定である、バシラス・ブレビス(B acillus brevis)にクローン化されたバシラス・ステアロサーモ フィルスのエステラーゼを報告した。Sugiharaら(33、34)は、2 種類の微生物、バシラス土壌単離体及びシュードモナス・セパシア(Pseud omonas cepacia)土壌単離体から新規熱安定性リパーゼを単離し ている。前者のリパーゼは65℃で30分まで安定であるが、この温度より上で は急速に不活性化する。シュードモナス・セパシアに由来するリパーゼは75℃ 、pH6.5で30分間加熱した場合には安定であったが、この温度で検定した 場合その活性の僅か10%しか有していなかった。サーモアルカロフィリック( thermoalcalophilic)リパーゼ(35)がバシラス種MC7 から同定され、連続培養により単離されており、これは70℃で3時間の半減期 を有していた。最 後に、Sigurgisladottirら(6)は80℃に温められたオリー ブ油に対して活性のリパーゼを有する1種類のサームス株及び2種類のバシラス 株の単離を報告しているが、この研究では酵素の安定性に関する報告はなかった 。 これらの酵素は基質特異性における限られた変化及び中程度の熱安定性の概要 しか提供しない。これらは、異なる基質特異性に対する必要性、経済的に商業化 し得る大規模量を生成する必要性に対処することはなく、それらの多くは全体的 な安定性が制限されている。本願において、我々は、一続きの(位置選択性、立 体選択性を含む)基質特異性、高められた酵素安定性を提供し、かつ商業的な利 用のために大量に生成することが可能な一連のエステラーゼ及びリパーゼを同定 している。 発明の要約 本発明は、エステラーゼ活性を特徴とし、かつ図1−4及び表1に開示される データに対応する商業グレードの酵素調製品の単離及び特徴付けに備える。好ま しい態様において、本発明は、エステラーゼ活性を特徴とし、かつ表1及び図5 −9に開示されるデータに対応する特別に精製されたエステラーゼの単離及び特 徴付けに備える。最も好ましい態様において、本発明は、エステラーゼ活性を有 する、組換えDNA技術によって生成したタンパク質に備える。本開示の酵素は 、合衆国中及び全世界の他所中の土壌、水及び廃棄物遺棄場を含む様々な源から の好熱性微生物から単離することができる。これらの微生物は一般に45℃ない し90℃の温度範囲で成長し、これによりそれらは中程度から極度の好熱菌に分 類される。この微生物群から単離されるタンパク質は、2 5℃ないし37℃の低温で成長するが、熱安定性に欠ける種から単離されるもの と機能面で類似する。本開示の酵素は、カルボン酸及びアルコールを生じるエス テル結合の加水分解の原因であるエステラーゼ酵素を含む、好熱性微生物によっ て生成されるタンパク質を包含する。本開示のタンパク質は、未変性中温性酵素 に見出されるものよりもかなり長い活性寿命を有し、上昇した温度に期間を延長 して晒した後であっても活性を保持し、かつ有機共溶媒の存在下における不活性 化に耐性である。本開示が包含するタンパク質は標準的な精製方法、特にイオン 交換クロマトグラフィーによって単離することができる。本開示の酵素は全て細 胞内タンパク質であり、これは細胞の破壊によって回収し、DEAEセルロース にかけることができる。本開示の精製エステラーゼはNaCl勾配によって溶出 し、単一の活性を有する画分をプールして保存のための凍結乾燥に先立って濃縮 する。比活性は、ピアスBCA法によって、又は280nmでのUV吸収の測定 及び続くp−ニトロフェニルプロピオネートの初期加水分解速度に基づく活性検 定によってタンパク質の総濃度を測定することにより決定する。本開示のタンパ ク質は、それらが単離された細菌株、TT培地における55℃及び65℃での成 長、並びにエステラーゼ加水分解活性によって特徴付けることができる。本開示 のタンパク質は、選別マイクロタイタープレート検定におけるエステラーゼ活性 によって特徴付けることができる。また、本開示のタンパク質は、そのタンパク 質の温度の概要、タンパク質安定性の概要、及びpHの概要によって特徴付ける ことも可能である。本開示のタンパク質は、未変性勾配PAGEゲルでのエステ ラーゼ活性染色に対応する見かけの分子量によって特徴付けること ができる。固有の分子量をクロマトグラフィーでさらに決定することが可能であ り、比活性を標準条件下でさらに決定することができる。表10はその標準条件 下での選択されたタンパク質についてのこれらの特徴の多くを収載する。このよ うに、本発明のタンパク質は、それらのアミノ酸タンパク質配列又はそのタンパ ク質のアミノ酸タンパク質配列をコードする核酸配列に加えて、固有の特性によ って特徴付けることができる。 したがって、本開示は、キラル医薬品中間体及び他のファインケミカルの選択 的調製において有用な、好熱性微生物の蓄えから単離される安定なエステラーゼ のライブラリーを包含する。このライブラリーは少なくとも23種類の精製酵素 からなり、これらは様々な組み合わせでスクリーニングキットとして、又は動力 学的分解技術を用いるキラル反応もしくはキラル生成物の調製を実施するための 個別のタンパク質調製品として用いることができる。これらの条件下において、 これらの酵素によって触媒されるラセミエステルの加水分解の速度は、どの立体 異性体が酵素活性部位の構造的パラメータに最も適合するかによって異なる。キ ラル中心(1つもしくは複数)を有する生成物はカルボン酸又はアルコールのい ずれでもあり得る。加えて、本明細書に記述される多くのエステラーゼは、溶媒 中の水が制限されているエステル転移条件下において反応が合成方向に進行する のであれば、カルボン酸とアルコールとからキラルエステルを調製するのに用い ることができる。 本開示は、形質転換細胞宿主からの本発明の組換えエステル加水分解タンパク 質の産生に用いることができるインサートを有するラムダファージ発現ベクター を包含する。このラムダファージ発現ベクターに含まれるイン サートは、例えば、ファージ−プラスミドハイブリッド発現ベクター又は他の適 切な発現ベクター、例えば、これらに限定されるものはないが、プラスミド、Y AC、コスミド、ファージミド等において用いることができる。好ましい態様に おいては、ラムダ発現ベクターが表7において命名されているベクター、すなわ ち、実質的に類似する組換えタンパク質をコードするインサートを有するベクタ ーの1つである。また、本開示は、宿主細胞を形質転換することが可能であり、 かつ組換えエステル加水分解タンパク質をコードするベクター、その形質転換宿 主細胞、及び組換えエステル加水分解タンパク質にも備える。適切な宿主細胞に は大腸菌、バシラス属、サームス属の種等が含まれるがこれらに限定されるもの ではない。このベクターによってコードされる組換えエステル加水分解タンパク 質は5−ブロモ−4−クロロ−3−インドリル−アセテート(X−アセテート) を加水分解することが可能である。このベクターが産生する組換えエステル加水 分解タンパク質は、単離体から精製された対応するタンパク質に匹敵する半減期 安定性を特徴とする。また、この組換えエステル加水分解タンパク質は、元の単 離体に由来する対応タンパク質に匹敵する、もしくはそれよりも良好な温度で安 定なままである能力を特徴とする。このベクターによってコードされる組換えエ ステル加水分解タンパク質は以下に論じられる特定の基質特異性をも特徴とし、 これは単離体に由来する対応精製タンパク質に匹敵するものである。好ましい態 様においては、このベクターは表7又は8において命名されているベクター、す なわち、実質的に類似する組換えタンパク質をコードするインサートを有するベ クターである。本発明の好ましい態様において、特定の組換えエステル 加水分解タンパク質をコードするベクターは、表8に命名かつ収載されており、 微生物の寄託に関するブダペスト条約の期間及び条件の下でアメリカン・タイプ ・カルチャー・センター(ATCC、ロックビル、メリーランド、USA)に寄 託され、及びATCCから特定の指定番号を受けているベクターのうちの1つで あり、この番号が通知された際には補正により本明細書に加える。 図面の簡単な説明 図1.エステラーゼスクリーニングプレート。50マイクロリットルの細胞抽 出物を、0.7%アガロースに懸濁させた5−ブロモ−4−クロロ−3−インド リルアセテートもしくはブチレート(エステラーゼ活性について)のいずれか0 .1mg/ml及び0.1Mトリス−HCl pH8.0からなるマイクロタイ タープレートのウェルに移す。対照ウェルは、20Uのブタ肝臓エステラーゼ( PLE)、又は20Uのブタ膵臓リパーゼ(PPL)のいずれかのバッファの添 加からなる。対照ウェルにおける完全な発色を可能にするのに十分な時間、通常 は37℃で約20分、プレートをインキュベートする。黒みがかったウェルは活 性が陽性であることを表す。この写真は、65種類の候補単離体のスクリーニン グと、その結果生じる陽性を示す。 図2.好熱菌からの粗製抽出物のエステラーゼ活性染色。電気泳動の後、それ らのゲルをpH7.6のトリズマ(Trizma)バッファーで平衡化し、次い で0.15%X−アセテートのいずれかで活性について染色する。その後、これ らのゲルを55℃で30分までインキュベートする。 図3.分子量較正曲線。図3は標準分子量較正曲線を 表す。 図4A−T.酵素の特徴。図4A−Tは、本開示の酵素を特徴付ける活性の概 要を示す。収載される酵素の各々に対して、グラフ1は、相対エステラーゼ活性 を温度に対してプロットする、酵素の温度の概要を示す。グラフ2は、25℃、 40℃、及び65℃での相対残留活性を時間に対してプロットする、収載される 酵素の残留エステラーゼ活性を示す。グラフ3は、相対エステラーゼ活性をpH に対してプロットする、収載される酵素のpHの概要を示す。 図5.8%SDS−PAGEでのE100の移動の概要。レーン1.DEAE 及びQセファロースクロマトグラフィーに続く煮沸E100。レーン2.非煮沸 精製E100。レーン3.煮沸E100。レーン4.分子量マーカー。 図6.E100の動力学的分析。酵素は、a)ラインウィーバー−バーク(L ineweaver−Burke)及びb)イーディー−ホフシュティー(Ea die−Hofstee)分析の両者で線形データを生じる正常なミカエリス動 態を示し、p−NPを基質として用いてKm=7.2X10-5M及びVmax= 1.8X10-5-1が得られる。 図7.E100の温度及びpHの概要。a)E100の温度の概要。p−ニト ロフェニルプロピオネートのE100触媒加水分解の温度の関数としてのプロッ ト。異なる温度に晒した際の酵素活性を決定した。ニトロフェニルプロピオネー トの加水分解の初期速度を、CH3CNに溶解した0.25mMの基質、次いで 酵素を添加した、所望の温度に平衡化した50mMホウ酸バッファーpH8.5 において決定した。405nmでの吸光度の 変化を観察することにより速度を決定し、酵素の代わりにウシ血清アルブミンを 用いる基質の自発的加水分解について補正した。b)E100のpHの概要。E 100によって触媒されるp−ニトロフェニルプロピオネートの加水分解に対す るpHの効果。酵素のpHの概要を、所望のpHに適する異なるバッファーを1 0mMの濃度で調製することにより決定した。CH3CNに溶解した基質(0. 25M)、次いで酵素をこのバッファー溶液に添加することにより反応を行った 。反応物を5分間インキュベートした後、CH3CNに溶解した0.1mM P MSFを添加することにより反応を停止させた。0.1Mトリス−HClを添加 することによりこの混合物のpHを8.5に調整した。405nmでの吸光度を 記録し、生成物ニトロフェノールに対するε=17mM-1cm-1に基づいて濃度 を算出した。生成物の形成を基質の自発的加水分解について補正した。 図8.相対速度によって測定される、p−ニトロフェニルプロピオネートの加 水分解の際の有機共溶媒の存在に対するE100の耐性。様々な濃度のCH3C Nの存在下におけるpNPの酵素触媒加水分解の初期速度を測定することにより 、有機溶媒の存在下における酵素の残留活性を決定する。活性の決定において説 明されるように、50mMトリス−HCl pH8.5中において37℃で反応 を行う。吸光度の変化を基質の自発的加水分解及び有機共溶媒の存在下における 生成物の消衰係数の変化について補正する。 図9.E101の精製。a)10%SDS−PAGEによって示されるE10 1の精製における工程。レーン1.分子量マーカー。レーン2.(標準として含 まれる)精製E100。レーン3.NH4SO4分画の後の透析 されたタンパク質。レーン4.DEAE導入/洗浄。レーン5.SPセファロー ス導入/洗浄。レーン6.S200ゲルカラムから溶出した精製E101.b) E101の10%SDS−PAGE。レーン1.煮沸E101。レーン2.非煮 沸E101。レーン3.分子量マーカー。 図10.立体選択性及び位置選択性のスクリーニングに用いられる基質。エス テラーゼは、4つの型に収まる基質構造が立体選択性及び位置選択性に介在し得 るという意味で融通が利く生体触媒である。収載される化合物は、化学中間体産 業にとって潜在的に重要な通常の基質において遭遇する異なる構造的な特徴の範 囲を示す。これらの基質のうちの幾つかは鏡像異性的もしくはジアステレオ異性 的に純粋な形態で購入することが可能であり、本文において説明される定量的ス クリーニング手順で用いることができる。キラル中心を分解するための加水分解 生体触媒に最も一般的に関連する基質の4つのクラスが考慮されている。A)タ イプIの基質は所望の生成物を生成物のカルボン酸側に位置させ、これに対して 、タイプIIの化合物ではアルコールが必要とされる機能性をもつ。B)タイプ III及びタイプIVの基質はタイプI及びIIのサブセットと考えることがで きるが、それらの独自の特性によりそれらを別々に分類することが決定される。 タイプIIIの分子は酵素がプロキラル基質を区別することを必要とし、これに 対してタイプIVの化合物はメソ構造である。これらの最後の2つの基質型は、 これらの型の化合物が他の化学的手段によっては選択的に作動させることが非常 に困難であるため、生体触媒ベースの分解方法の合成上の重要性を示す。 図11.組換えエステラーゼの選択方法。a)X−アセテートゲルオーバーレ イを用いる、株単離体28(E 009)に由来するファージライブラリーのスクリーニング。エステラーゼを発 現する単一のファージプラークを青色の量が取り巻く。b)54(E002)株 から産生されるハイブリッドファージの精製。加水分解されたX−アセテート色 素生成基質の量が3つのファージ貯蔵物のファージプラークの各々を取り巻いて いる。c)及びd)ファージλTGE1.1;λTGE1.2;λTGE1.3 ;λTGE2.1;λTGE2.2;λTGE2.3;λTGE2.4;λTG E2.8;λTGE3.2;λTGE3.3;λTGE3.4;λTGE4.1 ;λTGE4.2;λTGE4.3;λTGE11.1;λTGE11.3;λ TGE11.4;λTGE11.7;λTGE11.9;λTGE11.10; λTGE15.1;λTGE15.3;λTGE15.5;λTGE15.8; λTGE15.9から誘導されるプラスミド坦持株の加水分解活性についてのス ポット試験。X−アセテートによって検出されるより高い活性はより弱い成長に 強く関連する。 図12a−r.ファージ溶解物に由来する組換えタンパク質のエステラーゼ活 性染色を用いるスクリーニング技術の例。ひとたびエステラーゼ陽性候補が同定 されたら、ファージ溶解物を未変性の4−15%勾配バイオラッド(BioRa d)レディゲル(ReadyGel)で正しいエステル加水分解活性についてス クリーニングする。電気泳動の後、そのゲルをpH7.6のトリズマバッファー で平衡化し、次いで、0.15%X−アセテートオーバーレイを用いることによ り活性について染色する。その後、ゲルを室温で30分までインキュベートする 。これらの図は、未変性のタンパク質と同じ移動特性を有するタンパク質の同定 にこの技術をどのように用 いるのかの典型的な例を示す。a)E001を同定するための、株単離体S1か ら作製した蓄えからの陽性クローンのスクリーニング。各レーンはラムダTGE 1単離体、1、2、3、4、5、8及び未変性対照タンパク質(C)を示す;b )E002を同定するための、株単離体54から作製した蓄えからの陽性クロー ンのスクリーニング。各レーンはラムダTGE2単離体、1、2、3、4、6、 8及び未変性対照タンパク質(C)を示す;c)E003を同定するための、株 単離体50から作製した蓄えからの陽性クローンのスクリーニング。各レーンは ラムダTGE3単離体、1、2、3、4及び未変性対照タンパク質(C)を示す ;d)E004を同定するための、株単離体GP1から作製した蓄えからの陽性 クローンのスクリーニング。各レーンはラムダTGE4単離体、1、2、3、4 、5、6及び未変性対照タンパク質(C)を示す;e)E005を同定するため の、株単離体C−1から作製した蓄えからの陽性クローンのスクリーニング。各 レーンはラムダTGE5単離体、1、2、3、4、5、6及び未変性対照タンパ ク質(C)を示す;f)E006を同定するための、株単離体55から作製した 蓄えからの陽性クローンのスクリーニング。各レーンはラムダTGE6単離体、 1、2、3、4、5、6及び未変性対照タンパク質(C)を示す;g)E008 を同定するための、株単離体30から作製した蓄えからの陽性クローンのスクリ ーニング。各レーンはラムダTGE8単離体、1、2、3、4、5、6及び未変 性対照タンパク質(C)を示す;h)E009を同定するための、株単離体28 から作製した蓄えからの陽性クローンのスクリーニング。各レーンはラムダTG E9単離体、1、2、3、4、5、6、7及び未変性対照タンパク質(C)を 示す;i)E010を同定するための、株単離体29から作製した蓄えからの陽 性クローンのスクリーニング。各レーンはラムダTGE10単離体、1、2、3 、4、5、6、7、8、9、10、11、12及び未変性対照タンパク質(C) を示す;j)E011を同定するための、株単離体31から作製した蓄えからの 陽性クローンのスクリーニング。各レーンは、第1ゲルでのラムダTGE11単 離体、1、2、3、4、7、8及び未変性対照タンパク質(C)並びに第2ゲル でのラムダTGE11単離体、7、8、9、10及び未変性対照タンパク質(C )を示す;k)E0012を同定するための、株単離体26bから作製した蓄え からの陽性クローンのスクリーニング。各レーンはラムダTGE12単離体、1 、2、3、4、5、6及び未変性対照タンパク質(C)を示す;1)E013を 同定するための、株単離体27から作製した蓄えからの陽性クローンのスクリー ニング。各レーンはラムダTGE13単離体、1、2、3、4、7、8及び未変 性対照タンパク質(C)を示す;m)E014を同定するための、株単離体34 から作製した蓄えからの陽性クローンのスクリーニング。各レーンはラムダTG E14単離体、3、5、6、8、9及び未変性対照タンパク質(C)を示す;n )E015を同定するための、株単離体62から作製した蓄えからの陽性クロー ンのスクリーニング。各レーンはラムダTGE15単離体、1、2、3、4、5 、6、7、8及び未変性対照タンパク質(C)を示す;o)E016を同定する ための、株単離体47から作製した蓄えからの陽性クローンのスクリーニング。 各レーンはラムダTGE16単離体、1、2、3、4、5、6、7及び未変性対 照タンパク質(C)を示す;p)E019を同定するための、株単離 体4から作製した蓄えからの陽性クローンのスクリーニング。各レーンはラムダ TGE19単離体、1、2、3、4、5、6及び未変性対照タンパク質(C)を 示す;q)E020を同定するための、株単離体7から作製した蓄えからの陽性 クローンのスクリーニング。各レーンはラムダTGE20単離体、3、4、6及 び未変性対照タンパク質(C)を示す;r)E021(E017b)を同定する ための、株単離体32から作製した蓄えからの陽性クローンのスクリーニング。 各レーンはラムダTGE21単離体、6、8、9及び未変性対照タンパク質(C )を示す。 図13.クローンの安定性に対する温度の効果。活性エステラーゼタンパク質 を伴うプラスミドを有する組換え株は、しばしば、X−アセテートプレート上で エステラーゼ活性の表現型分離を示した。この分離は、エステラーゼ活性がその 細胞にとって毒性である場合、プラスミド又はインサートの喪失のためである可 能性があった。これを克服するため、細胞を低温で(おそらくは、クローン化好 熱性エステラーゼの活性を低下させて)成長させることが可能であった。これら の図には、TGE15.2(15)及びTGE15.9(14)株をX−アセテ ート共に28℃(a)及び37℃(b)で塗布することが示されている。より速 く成長する分離体の黄色コロニーは両温度で視認可能であったが、37℃での逆 選択はより強力である。同じ現象が、それぞれ28℃及び37℃で成長させたT GE2.1(1);TGE2.2(2)及びTGE3.2(3)株についての( c)及び(d)において見られた。 図14.プラスミドに由来する組換えタンパク質のエステラーゼ染色の例。未 変性微生物(単一カラム精製) 及び組換え体産生株の両者に由来するタンパク質抽出物を比較する。タンパク質 抽出物を4−15%グラジエント・バイオラッド・レディゲルにかける。電気泳 動の後、これらのゲルをpH7.6のトリズマバッファーで平衡化し、次いで、 X−アセテートオーバーレイを用いて0.4%X−アセテートのいずれかにおけ る活性について染色する。その後、これらのゲルを室温で30分までインキュベ ートする。これらの例において、この染色ゲル上で視認し得る活性がない未変性 微生物(E007N)に由来するE007及びCE007株に由来するタンパク 質抽出物;未変性株に由来するE008及びCE008に由来するrecE00 8;未変性微生物に由来するE009及びCE009株に由来するrecE00 9;未変性微生物に由来するE010及びCE010株に由来するrecE01 0;未変性微生物に由来するE011及びCE011株に由来するrecE01 1;未変性微生物に由来するE014及びCE014株に由来するrecE01 4;未変性微生物に由来するE015及びCE015株に由来するrecE01 5;未変性微生物に由来するE017b及びCE017b株に由来するrecE 017b;未変性微生物に由来するE019及びCE019株に由来するrec E019;未変性微生物に由来するE021、CE009(R)株に由来するr ecE020及びCE028株に由来するrecE028−両者は同じ遺伝子の 蓄えから単離された。recE028は未変性タンパク質調製品の背景に低レベ ルの二次活性として認めることができる;N=未変性タンパク質;R=組換えタ ンパク質;R*=異なる移動パターンを有する代替組換えタンパク質(この場合 、E020と同じ株からクローン化されたE028)。 図15.24の組換えエステラーゼについての消化パターン。表8に収載され る一組の24のプラスミドについての制限エンドヌクレアーゼ消化パターンが示 される。(a)24のプラスミドをEcoRI(1−24)、BamHI(25 −48)、HindIII(49−72)及びEcoRV(73−96)で切断 する。(b)プラスミド1−18についてPstI消化パターンを示すゲル。( c)プラスミド19−24についてPstI消化パターンを、プラスミド1−1 1についてXbaI消化パターンを示すゲル。(d)プラスミド12−24につ いてXbaI消化パターンを示すゲル。全てのゲルについて、レーン1−24は 以下のプラスミドを以下の順序で指す:pTGE1.1、pTGE2.1、pT GE2.2、pTGE3.2、pTGE4.6、pTGE5.3、pTGE6. 3、pTGE7.1、pTGE8.5、pTGE9.4、pTGE10.3、p TGE11.10、pTGE12.2、pTGE13.2、pTGE14.3、 pTGE14.6、pTGE15.9、pTGE16.1、pTGE19.4、 pTGE20.4、pTGE21.8、pTGE21.8x、pTGE20.3 、pTGE16.3。プラスミドpTGE21.8xはpTGE21.8の変種 であり、これは単離され、活性を喪失していた。 図16.核酸配列及び翻訳されたタンパク質のアミノ酸配列。本発明の酵素を コードする遺伝子の単離及びクローン化によりDNAセグメントが生じ、このセ グメントには翻訳されたタンパク質のアミノ酸配列に対応するオープンリーディ ングフレーム(ORF)を見出すことができる。代わりの開始コドンが当該技術 分野において認められてはいるが、コードされたタンパク質は少なく とも核タンパク質ORFを含む。図16Aは、E001酵素のORFに相当する 単離された核酸配列、及び翻訳されたアミノ酸配列であり、代わりの開始コドン には下線が付されている。図16Bは、E001のORFを含む、クローン化さ れた単離核酸配列である。図16Cは、E009酵素のORFに相当する単離さ れた核酸配列、及び翻訳されたアミノ酸配列であり、代わりの開始コドンには下 線が付されている。図16Dは、E009のORFを含む、クローン化された単 離核酸配列である。図16Eは、E011酵素のORFに相当する単離された核 酸配列、及び翻訳されたアミノ酸配列であり、代わりの開始コドンには下線が付 されている。図16Fは、E011のORFを含む、クローン化された単離核酸 配列である。図16Gは、E101酵素のORFに相当する単離された核酸配列 、及び翻訳されたアミノ酸配列であり、代わりの開始コドンには下線が付されて いる。図16Hは、E101のORFを含む、クローン化された単離核酸配列で ある。 発明の詳細な説明 本発明は、酵素活性について選択され、見かけの分子量、pH、及び温度安定 性によって特徴付けられている、熱安定性細菌に由来する単離された商業的に有 用なタンパク質調製品に備える。本開示の単離タンパク質は、生体触媒を行うた めの酵素として機能的に用いる他に、類似する酵素を見出すための分子量マーカ ーとして用いることができる。特定のラセミ生成物の商業的な化学合成にはしば しばそのような単離酵素調製品の使用が必要となる。 特徴付けの検定の結果は、記述されるエステラーゼ酵 素が一続きの最適パラメータを有することを示す。例えば、E100及びE10 1は極度の好熱菌から単離される酵素に一致する70℃を上回る最適作動温度を 有し、E001−E021はそこまでは極端ではない好熱性微生物から単離され る酵素に一致する40−50℃の範囲の最適商業温度を有する。しかしながら、 両群は、好熱菌に由来する他の公知のエステラーゼと比較して安定性及び機能性 が追加されている。E001−E021は極端ではない温度範囲で作業すること を願う化学者に最適の温度環境をもたらし、室温でも十分に機能する。また、こ れらの結果は、記述される酵素が実験条件下において明確な優先度を示さないも のを含めて様々なpH最適条件を有するものの、中性に近いか、もしくはそれを 僅かに下回る最適pHを有するというものが大部分のタンパク質の傾向であるこ とも示す。 以下の例は、本発明の特定の態様と同様に、説明としてのものであることが意 図されており、限定を意図するものではない。当該技術分野における通常の技術 を有する者は、本発明に対する多くの等価物が日常的な実験の範囲を越えること なくなし得ることを理解するであろう。 実施例1.好熱性微生物の単離及び増殖 株−サームスT351種(ATCC31674)はアメリカン・タイプ・カル チャー・センター(ATCC)から入手可能である。全ての単離株及び培養物は TT培地(36)で成長させる。この培地は(リットル当たり)、BBLポリペ プトン(8gm)、ディフコ・イースト・イクストラク(Difco Yeas t Extract)(4gm)、及びNaCl(2gm)からなる。スクリー ニングのための小規模培養物は、65℃、 250−300rpmで、1リットルの培地を用いて2リットルフラスコ内で成 長させる。酵素精製のためのより大規模な細胞の産生は、17リットルの発酵槽 (LHファーメンテーション(LH Fermentation)、モデル20 00シリーズ1)内で成長させる。これらの発酵槽は15リットルの有効容積を 有し、培養物はTTブロス中において、250rpm、0.3ないし0.5vv m(空気容積/培地容積毎分)、65℃で成長させた。温度は、28リットルの 65℃貯水槽から撹拌ジャー内の中空バッフルを通して56℃の水を循環させる ことにより維持する。大腸菌株は(37)に記述される通りに成長させる。 新たに改良された好熱菌の富化手順−有機物質を含んでなる沈殿及び土壌試料 を新規株の単離に用いる。これらの試料は中西部から南東部の範囲の多くの土地 から採集する。試料(〜1gm)を2mlのTTブロスに懸濁させ、これらの試 料の50−100μlを通常の量の2倍の寒天(3%)を含むTT寒天プレート に塗布する。固体培地には、寒天は通常1.5%の最終濃度まで添加される。こ れにより、非常に運動性の高い微生物が他の微生物を犠牲にしてプレートを混雑 させることが免れる。プレートを55℃ないし65℃で1ないし2日間インキュ ベートして単離し、次いで、単一のコロニーを単離するために新鮮なプレートに 多数回再画線することにより精製する。分別の最初の基準は色、コロニーの形態 、顕微鏡検査、成長温度、並びにリパーゼ及びエステラーゼ活性である。まず、 数百の株を単離した。65の異なる微生物をさらなる研究のために選択した。 実施例2.エステラーゼの同定及び検定方法 エステラーゼプレート検定−微生物をTT培地を用いる液体培養において55 ℃もしくは65℃のいずれかで成長させる。細胞を遠心(3,000RPMで2 0分間)によりペレット化し、上清を試験のために保存する。ペレットを2容積 の10mMトリスHCl pH8.0で3回洗浄した後、それらの細胞ペレット を新鮮なトリスバッファーに再懸濁させて超音波処理により破壊する。細胞残滓 を遠心により除去し、その粗製抽出物を図1に示されるようにエステラーゼ活性 について試験した。細胞抽出物及び培養上清の両者をこの方法によりエステラー ゼ活性について試験する。細胞抽出物のみが有意のエステラーゼ活性を示した。 エステラーゼ液体検定及び比活性の決定−濃度が決定されているウシ血清アル ブミンを標準として用いるピアスBCA検定により、タンパク質濃度を決定する 。タンパク質濃度は試料溶液の562nmでの較正済吸光度から得、タンパク質 のミリグラムとして表す。エステラーゼ活性は、40℃で平衡化し、かつ346 nm(酸/カルボキシレート対の等吸収点 ε=4800)で観察する、50m Mリン酸ナトリウムバッファーpH7.0におけるp−ニトロフェニルプロプリ オネート(CH3CNに溶解した10mM貯蔵物からの0.5M)の加水分解の 比率の決定により定型的に測定する。比活性は、全タンパク質のミリグラム当た りの毎分の産生するp−ニトロフェノールのマイクログラムでの量として定義す る。 極度に安定なエステラーゼの同定−未変性(変性していない)10%ポリアク リルアミドゲルに粗製抽出物をかける。その後、これらのゲルを、5−ブロモ− 4 −クロロ−3−インドリルアセテート(X−アセテート)、5−ブロモ−4−ク ロロ−3−インドリルブチレート(X−ブチレート)又は5−ブロモ−4−クロ ロ−3−インドリルカプリレート(X−カプリレート)のいずれかを含むエステ ラーゼ活性染色で染色し、インディゴ沈殿を生成させることができる。サームス の粗製抽出物ではそれらのレーンに2つの主要バンドが明確に認められた。大腸 菌対照レーンには活性の単一の小バンドが見られる。エステラーゼはサームスT 351種及び幾つかの新規単離体から同定することができる。これらの微生物か ら見出される活性を表1にまとめる。実施例3.エステラーゼ活性を精製して均一にする手順 タンパク質の単離−実施例1に説明される方法により大バッチ細胞培養物を成 長させ、細胞ペーストを遠心によって収集して−80℃で保存する。100gの 細胞ペーストを、200mM KCl及び0.1mM EDTAを含むpH7. 5の50mMリン酸バッファーを含んでなる200mlの撹拌溶液中で解凍する 。溶解したら、この懸濁液を室温に暖め、次いでリゾチーム(0.1mg/ml )で2時間処理する。次に、その溶液を超音波処理して細胞を完全に破壊する。 標準1/4”ホーンを備える375ワットのソニクス&マテリアルズ・ビブラ・ セル(Sonics & Materials Vibra Cell)超音波 処理器で用いた設定は、50%パルス比で破壊度8の出力設定を5分間であった 。細胞の破壊の代替方法には、フレンチプレス、ゴーレン(Gaullen)ホ モジナイザー、マイクロフルイダイザー又は他のホモジナイザーによる細胞の処 理が含まれ得る。細胞残滓を遠心により除去し、60%飽和までのNH4SO4分 画によりタンパク質を沈殿させることができる。沈殿したタンパク質を遠心し、 1mMβ−メルカプトエタノール(BME)を含む最小容積の50mMリン酸塩 pH6.5に再懸濁させる。 DEAE精製−タンパク質溶液を、10Kdポアサイズ透析管系を用いて、懸 濁バッファーに対して3回透析する。得られたタンパク質溶液をこのバッファで 2倍に希釈し、同じバッファーで平衡化した100ml床容積のDEAEカラム にかける。このカラムを200mlの平衡化バッファーで洗浄した後、0ないし 0.5MのNaC1の直線勾配で溶出する。 Qレジン精製−DEAE精製により単離された活 性画分をプールして平衡化バッファーに対してこのバッファーを3回交換しなが ら透析し、その透析物を上記バッファーで平衡化した50ml床容積のセファロ ースQレジンにかけた。このカラムを0.1M KCl及び1mM BMEを含 む100mlの50mMリン酸塩pH6.5で洗浄し、次いで上記バッファーに 添加した0.1Mないし0.6MのKCl勾配150mlで溶出する。 限外濾過濃縮−活性画分をプールし、30kdカットオフメンブランを取り付 けたアミコン(Amicon)ウルトラフィルトレーション・システムを用いて 濃縮する。 分離SDS−PAGE−濃縮したタンパク質溶液を、標準SDS導入バッファ ーを用いて、試料を煮沸することなく、分離用10%SDS−PAGEゲルに導 入する。展開した後0.1Mリン酸塩pH7.5及び0.1mg/ml 5−ブ ロモ−4−クロロ−インドリルアセテートを含む0.7%アガロースでゲルを処 理する。得られた青色バンドをゲルから切り出して透析管系に入れ、0.05M トリスバッファーpH8.5中で1時間の電気溶出によりタンパク質を回収する 。クーマシーもしくは銀染色のいずれかで染色する未変性及びSDS−PAGE の両者によって観察されるように、この段階でタンパク質は均一に精製される。 タンパク質は将来使用するために4℃で保存することができる。 ゲル濾過−さらなる精製工程又は代用精製工程としてゲル濾過カラムを用いる こともできる。 実施例4.単離されたエステラーゼの商業グレードの精製方法 多くの産業用途では、生産コストを考慮して、完全に 精製された酵素調製品は必要とされることも望まれることもない。意味のあるエ ステラーゼ活性を伴うタンパク質を含むように単離された形態で関心のあるタン パク質を生成する迅速で安価なプロトコルが望まれる。そのような半精製手順の 1つをここに記述する。50gの細胞ペーストを0.1M NaCl及び0.0 1mM EDTAを含む100mlの50mMトリスHClバッファーpH7. 5中で解凍する。超音波処理により細胞を破壊し、遠心により細胞残滓を除去す る。この粗製細胞溶解物を50mMトリス−HCl pH7.5で3倍に希釈し 、この材料を希釈バッファーで平衡化したDEAEセルロースカラム(床容積6 0ml)にかける。このカラムを3カラム容積の希釈バッファー、次いで4カラ ム容積にわたる0−0.5M NaClの塩勾配で洗浄する。活性画分はこのイ オン交換樹脂から0.25−0.35Mの塩勾配ウィンドウ内に溶出した。画分 を比活性の決定において記述される通りに活性について検定し、最高の活性を示 すものをプールして、10Kd分子量カットオフメンブランを用いて限外濾過に より濃縮した。濃縮した酵素試料を将来使用するために4℃で保存する。場合に よっては、未変性PAGEで分離したタンパク質の基質アガロースオーバーレイ への長期間の露出の下で依然として2つ以上のエステル加水分解活性が検出され ることがあり、これは、大部分の産業用途にとっては妨げとなることはないごく 少量の第2のエステラーゼ活性を示す。必要であれば、さらなる精製(例えば、 硫酸アンモニウム沈殿、ゲル濾過、又は実施例3に説明される他の方法)を適用 することができる。このプロセスは所望に応じてスケールアップすることも、ス ケールダウンすることも可能である。 実施例5.温度の概要を決定するための方法 エステラーゼタンパク質の最適温度の概要は、それぞれ30℃、35℃、45 ℃、55℃及び65℃で5分間平衡化した0.1Mリン酸ナトリウムバッファー pH7.0で希釈したエステラーゼの活性を測定することにより果たされる。そ の後、(この例において用いられる様々な温度で改変された)実施例2において 比活性の測定について説明される反応条件下におけるこの平衡化溶液に添加され たp−ニトロフェニルプロプリオネートの加水分解の割合を測定することにより 、温度の概要を決定する。基質の温度依存性自己加水分解の補正を可能にするた め、エステラーゼ酵素の代わりにウシ血清アルブミンを用いる対照反応を使用す る。その後、そのデータを反応の温度に対して相対活性としてプロットする。 実施例6.酵素の安定性を決定するための方法 エステラーゼ酵素の長期間の酵素としての安定性を、様々な温度に晒した後に 残留する活性を試験することにより評価する。酵素貯蔵物の溶液を0.1Mリン 酸ナトリウムバッファーpH7.0で希釈し、蒸発による濃度効果を回避するた めに密封した条件下において、それぞれ25℃、40℃又は60℃に平衡化した 温度浴に入れる。その後、アリコートを規則的な間隔で取り出して上述のように p−ニトロフェニルプロプリオネートの加水分解の割合を測定することにより、 残留する活性を決定する。結果を、相対活性として、時間に対してプロットする 。これらの結果(図4を参照)は、40℃を含めてそこまでの温度に晒した場合 、全ての酵素が少なくとも48時間は初期活性の大部分を保持することを示す。 活 性は、特に55℃近傍の最適成長温度を有する微生物から単離した酵素について は、60℃で減少する。 実施例7.pHの概要を決定するための方法 エステラーゼのpHの概要は以下のように決定する。実施例2で比活性の決定 について説明されるものに類似する反応条件下において、少なくとも1つのデー タ点と重複する広範な有用pHウィンドウを有するバッファーを用いて、p−ニ トロフェニルプロプリオネートの加水分解の割合を決定する。これらの実験のた め、上記基準を満たす2種類のバッファー、メス(6−6.5の有用範囲)及び ビス−トリスプロパン(有用バッファー範囲6.5−9)を選択した。全てのp H試験は、エステラーゼの代わりにウシ血清アルブミンを用いる対照から実験結 果を差し引くことにより自発的自己加水分解について補正した。この対照データ 処理は、7.5を超えるpHについて特に重要になる。 実施例8.エステラーゼの活性に対する溶媒の効果 生体触媒に対する産業用途では、しばしば、酵素がそれ本来のものではない苛 酷な条件下で機能することが必要とされる。温度の上昇及びpHの変動に晒すこ とは酵素の活性に対する可能性のある挑戦であるが、生体触媒の基質標的として 役立ち得る多くの化合物の水溶性の欠如は産業有機化学者に対する大きな挑戦で ある。有機共溶媒が反応において一般的に用いられ、単離酵素は比較的高い濃度 の共溶媒の条件下で生き延びることができなければならない。様々な有機溶媒、 例えば、エタノール、アセトニトリル、ジメチルホルムアミド、ジオキサン、ト ルエン、ヘキサン並びにSDS、トリトンX100及 びツィーン20のような洗浄剤の存在下において実験を行う。また、単離酵素の 活性を、その単離酵素をバッファーから凍結乾燥するほぼ無水の溶媒条件及び最 適活性のpHにおいて試験するさらなる実験も行う。 実施例9.未変性PAGEでの移動によるタンパク質の特徴付けのための方法 半精製試料の各々におけるエステラーゼ酵素の数を、タンパク質をそれらの電 荷に基づいてサイズの比に分離する、4−15%アクリルアミド勾配(バイオ− ラッド・ラボラトリーズから購入した形成済ゲル)を用いる未変性ゲルPAGE から決定する。このゲルは他の酵素での痕跡量の汚染を示し、この酵素はカラム 希釈効果のためにHPLCでは容易に検出することができないインドリルアセテ ートの加水分解が可能である。このゲル実験から明らかなことは、大部分の試料 が図2に示されるものに類似する移動特性を有する単一の主要活性を有するとい うことである。 実施例10.クロマトグラフィーによる相対分子量の決定 関心のあるタンパク質の推定される本来の分子量を、ヒタチHPLC6200 に取り付けたファルマシア(Pharmacia)スーパーデックス(Supe rdex)S200FPLCカラムで分離することにより決定する。タンパク質 を、0.1M NaClを含むpH7.0の0.05Mリン酸ナトリウムバッフ ァにおけるアイソクラティック溶出により分離した。溶媒の流速は0.5ml/ 分に維持し、タンパク質は280nmでUVにより検出した。エステラーゼ活性 画分は、まず5−ブロ モ−3−クロロ−3−インドリルアセテートプレート検定で、次いで最も活性の 画分のp−ニトロフェニルプロプリオネートの加水分解による追跡検定により検 出した(両方法は実施例2において説明されている)。分子量は、以下のタンパ ク質:β−アミラーゼ200Kd、アルコールデヒドロゲナーゼ150Kd、ウ シ血清アルブミン66Kd、炭酸脱水素酵素29Kd、チトクロムc12.3K dを用いることによって生成した(分子量の対数として分で表す時間に対してプ ロットした)標準的な溶出の概要と比較することにより見積もった。 実施例11.基質特異性の特徴付け 様々なエステルに対する加水分解活性についての酵素の基質優先度は以下のよ うに決定することができる。基質の各々をCH3CNに溶解し(最終濃度0.1 M)、0.1Mリン酸バッファーpH7.5と混合することにより、マイクロタ イタープレート上に分子の格子を調製する。次いで、部分的に精製した酵素をこ れらのウェルに添加し、その反応混合物を30分間インキュベートする。粗製溶 解物もこの方法で試験することができる。10、20及び30分後にプレートを チェックして相対活性を決定する。無色の基質での実験については、反応物をジ クロロメタンで3回抽出することを除いて、有色基質について説明されるものと 同じ条件下において試験管内で反応を行う。有機層を合わせ、MgSO4で乾燥 させて、窒素流の中で0.1mlに濃縮する。次に、この濃縮物をシリカゲルT LCプレートにスポッティングし、80:20:0.01ヘキサン:エチルエー テル:酢酸の溶媒混合液で展開する。TLCプレートをUV及びI2で可視化す る。 実施例12.迅速な基質特異性の特徴付けのための迅速スクリーニング検定 エステルの加水分解の際の水素イオンの放出により系のpHが低下する酵素触 媒加水分解反応の機構に基づいてエステラーゼ活性を迅速にスクリーニングする ため、新たな方法を開発した。反応における水素イオンの流れは、酵素活性の所 望のpH範囲内に酵素依存性の色変化を有する指示染料を用いることにより観察 することができる。試験した最良の指示薬は、僅かに上昇するpHで最適に機能 する酵素についてはフェノールレッド(出発点pH8.5)であり、より中性の 条件で十分に作動する酵素についてはブロモチモールブルー(出発点pH7.2 )である。 指示薬の反応を2つの方法のうちの1つで観察する。分光学的研究は、異なる pHバッファーに5mMの濃度で溶解したフェノールレッド又はブロモチモール ブルーのいずれかの0.001%溶液のUV/可視最大値を測定することにより 行う。次に、基質(最終濃度0.1mM)を5mMバッファー溶液(ブロモチモ ールブルー指示薬についてはリン酸ナトリウムpH7.2、フェノールレッド指 示薬についてはホウ酸ナトリウムpH8.5)を添加して温度を25℃に5分間 平衡化し、続いて0.1Uの標的酵素を添加することにより反応を開始させるこ とによって加水分解反応を行う。 加水分解反応を監視するための代替方法は広範なスクリーニング用途に有用で ある。0.001%指示染料及び10%未満の有機溶媒組成となるようなCH3 CN、DMF又はDMSOに溶解した基質を含む5mMバッファーを撹拌した2 4ウェルマイクロタイタートレイに加 える。温度を5分間25℃で平衡化させた後、0.1Uのエステラーゼを添加す ることにより反応を開始させる。溶液の色の変化により反応の進行を監視し、色 が変化した際にはNaOHのアリコートを添加して反応物の色を出発点に戻す。 インキュベーションを延長した後に色の変化がさらに検出されることがない場合 に反応が完了したものと決定する。0.1M HClで酸性化した反応物のTL C分析により生成物の形成を確認し、酢酸エチルで抽出してNa2SO4で乾燥さ せ、N2流の下で濃縮する。酵素ベースのキラル分解がスクリーニングされてい る基質の試験については、キラル相HPLCにより生成物を分離及び単離し、各 異性体のピーク面積を積分することにより鏡像異性的純度を決定する。 様々な加水分解活性、この場合にはエステラーゼ、の迅速検定は、幾つかの異 なる酵素及び基質を用いるマイクロタイタープレートでの実験において決定され る。全タンパク質及び通常の基質p−ニトロフェニルプロプリオネートの加水分 解の初期比から決定される各酵素についての同じ比活性を用いることにより、市 販の酵素の正確な比較を保証することができる。データは、所定の指示染料につ いてのpH依存性の色変化を可視化するのに要する時間として記録する。BSA をタンパク質源として用いる対照実験では指示薬の色に変化は生じず、溶液のp Hの変化が酵素触媒加水分解の結果であることが確立される。酵素及び指示薬を 含み、基質を含まない反応溶液の対照試験により、溶液の色の変化がバッファー の塩又は酵素単独の結果ではないことが確立された。 マイクロタイタープレートの形式が小規模調製化学に受容し得るものであるか どうかを決定するために行われる研究は、以下のように行われる。ラセミフェネ チルア セテート及びブタ肝臓エステラーゼを用いて反応を行い、0.1N NaOHの アリコートで滴定してもはや色の変化が生じなくなるまで溶液の元の色を維持し 、色の変化が生じなくなった時点で反応を停止させる。生成物を単離してTLC で試験し、添加した塩基の総量を比較して反応の程度を確認する。フラッシュカ ラムクロマトグラフィー、次いでキラル相HPLCによる分析によって、フェネ チルアルコールを出発アセチルエステルから分離する。ピークの積分から加水分 解生成物の鏡像異性的な過剰を決定し、指示染料が存在しない状況下で実施した 同一の反応と比較する。これらの実験からの結果は、指示染料を含めることがフ ェネチルアセテートのエステラーゼ触媒分解の立体特異性に効果を及ぼさないこ とを示唆する。 広い基盤をもつ酵素スクリーニング法における有用性の検定を試験するため、 環境内の様々な源から単離した7種類の微生物を、構造的に多様な化合物の群の 加水分解を触媒する酵素を産生するそれらの能力について試験した。表2はこれ らの研究の結果を示す。実施例13.基質特異性のさらなる特徴付け 図10に示されるものは、各酵素の活性に関して試験することができる基質の 例である。これらの分子は、それらの中間体としての重要性から、合成に関する 文献において産業用途に対する潜在能力を伴って特別に選ばれているものである 。実験は、粗製溶解物、又はその活性が基質優先度及び立体化学を含む起こり得 る反応化学を迅速に判断することが知られている場合には培地ブロスから単離さ れたタンパク質、を用いて行うことができる。全ての構造活性試験を、ブタ肝臓 エステラーゼのような標準中温生体触媒と比較する。反応をTLC分析によって 観察して、その生成物を商業的な源から購入し、又は化学的手段(例えば、エス テルの塩基触媒加水分解)によって調製した標準と比較する。 各エステラーゼによる立体化学的優先度の研究は、2つの方法のうちの1つに よって評価することができる。第1の方法においては、市販の鏡像異性的に純粋 な基質エステルの標準単一立体異性体を各酵素で加水分解し、各鏡像異性体の加 水分解の相対比を潜在的なキラル選択性の診断用定性的決定因子として用いる。 第2の方法においては、単一の立体異性体として購入することができない分子を 動力学的分解方法(一般に50%未満の完了度で反応を実施する)を用いてラセ ミ混合物として加水分解する。その反応生成物を単離し、キラル相HPLC(デ ィアセル・キラルセル(Diacel Chiralcel)ODもしくはOB )又は生成物をモシャー(Mosher)誘導体(アルコール生成物)もしくは メンチル誘導体(カルボキシレート生成物)に誘導体化することにより調製され る対応ジアステレオマーの1H NMRによりそれらの鏡像異性的過剰(ee) につい て分析する。NMRスペクトルから決定されるジアステレオマーの比率は対応す るピークの積分に基づくものであり、これを文献値、又は必要であればキラルシ フト試薬を用いて市販の源から得られる標準のいずれかと比較する。次いで、生 成物の旋光度及び絶対配置を旋光分析により決定し、文献に見出される値又は商 業的供給者より得られる標準から決定される値と比較する。 実施例14.タンパク質E001−E021/17bの特徴付け 表1に収載される同定された源からの株を、実施例1に説明されるようにTT 培地において65℃で成長させることにより単離した(すなわち、土壌からS1 等)。エステラーゼ加水分解比活性を実施例2に説明される方法により同定し、 表1に収載されるように単離されたエステラーゼタンパク質に識別子を割り当て た(すなわち、E001等)。酵素を調製するため、単離体の15リットルの培 養物を成長させ、細胞を遠心沈殿させて実施例1に説明されるように収集する。 これらの細胞を溶解し、単離された調製品を実施例4に概要を記す手順に従って 精製した。このタンパク質を、温度の概要を決定するためには実施例5、タンパ ク質の安定性を決定するためには実施例6、及びpHの概要を決定するためには 実施例7に説明される方法を用いて特徴付けた。それらの結果は図4に示される 。このタンパク質を実施例9に説明されるように未変性勾配PAGEでの移動に よって特徴付けた。そのデータは図2に示される。実施例2に説明されるように 比活性を決定し、実施例10に説明されるようにクロマトグラフィーによって分 子量を決定した。それらは表1に示される。幾つかのタンパク質の基質特異 性が示されており、それは表2に示される。このように、同定され、かつ特徴付 けられたエステラーゼは有用であり、かつ商業的に有用な純度で独自の活性を有 することが示されている。明確な結果が表10にまとめられている。 実施例15.E100の特徴付け E100の精製−E100を、サームスT351種から、実施例3に説明され る一連の4工程:DEAE精製、Qレジン精製、限外濃縮、及び分離SDS P AGEにより300倍に精製する。第2のエステラーゼ活性が存在していたため (E101)、粗製溶解物において比活性を測定することはできなかった。この 第2の活性は第1のクロマトグラフィー工程の間に標的エステラーゼから完全に 除去することが可能であった。このクロマトグラフィー工程において、第2のエ ステラーゼはDEAEカラムを結合することなく通過した。様々な技術的グレー ドのE100を精製するには、DEAE精製が単独で他のあらゆる汚染活性から 実質的に精製されたE100を得るのに十分である。Qレジン精製及び限外濾過 は、特定の用途の要求に応じてより純度の高い生成物を生成させることを可能に する。最終SDS PAGE精製工程は、分子の特徴を決定するためにタンパク 質を均一に精製することを可能にする。 タンパク質の特徴付け−活性バンドを分離SDS−PAGEゲルでの電気溶出 により収集し、変性条件下の10%SDS−PAGEに戻す。これにより、約〜 45Kdの相対分子量を有する単一のバンドが示される(図5)。非煮沸試料を 同じSDS−PAGEゲルにかけることにより、おおよそ提唱される単量体の分 子量だ け増加した位置に複数のバンドが示される。加えて、この非煮沸試料は活性につ いて染色することが可能であるが、二量体種から始まる多量体の形態の酵素に相 当するバンドのみが活性を保持することが見出される。精製したタンパク質の比 活性は、4−メチル−ウンベリフェリル−ブチレート(MUB)を基質として用 いて、約3.2X10-6M分-1mg-1である。 E100の酵素活性の測定−p−ニトロフェニルプロプリオネート(pNP) 、又は幾つかの場合にはMUB、の加水分解を観察することによりエステラーゼ 活性を測定する。各々の基質をアセトニトリルに溶解し、温度依存性のpHの変 動について調整された50mMトリスHCl pH8.5を含む反応混合物に添 加する(最終濃度100μM)。反応物を37℃で5分間熱的に平衡化した後、 10μLの酵素試料を添加することにより反応を開始させ、これに対して対照反 応では等量のBSAを代わりに用いた。この反応を、pNPについては405n m ε=17mM-1cm-1で、MUBについては360nm ε=7.9mM-1 cm-1で分光光度的に観察する。 酵素触媒加水分解の割合を基質の自発的加水分解について補正する。タンパク 質濃度を、280nmでの吸光度又はローリー(Lowery)検定のいずれか により決定する。大まかな活性は、マイクロタイタープレート上の0.7%寒天 マトリックスに懸濁させた5−ブロモ−4−クロロ−3−インドリルエステルの 加水分解に基づく比色検定により決定する。このインドリル誘導体の0.1mg /ml溶液を最小容積のアセトニトリルに溶解し、0.1Mリン酸バッファーp H7.5を含む0.7%寒天の温溶液に添加する。この溶液10μLを、冷 却されている場合に100μLもの酵素試料と共に用いることが可能なマイクロ タイタープレートに分注し、周囲温度ないし>65℃の温度でインキュベートす る。 E100はフッ化トシルに晒される場合有効に阻害されるが、金属イオン、キ レート剤又は還元分子のいずれかの存在によって影響を受けることはない(表3 )。 反応条件は、指定される成分を添加することを除いて、上の一般的な実験にお いて説明されるものである。相対比は、非触媒反応の自発的な加水分解の比率に ついて補正されている。 E100の基質特異性−基質特異性を実施例11によって概説されるように試 験し、E100のこの構造活性実験からの結果が表4にまとめて示されている。 E100は、多くのニトロフェニル、クマリル及びアルキ ルエステルの加水分解を触媒する広範な基質特異性を示す。この酵素は、基質の カルボキシレート側の直鎖及び芳香族部分の両者に向かう加水分解活性を示すが 、>C8の長鎖アルキル鎖のカルボキシレートR基又はナフチル脱離基を含むも のは基質ではない。この酵素は、寒天プレート上の透明帯によって検定されるよ うに、カゼイン又はミルクのいずれかに向かう有意の活性は示さない。 サームスの種から部分的に精製されたエステラーゼE100の基質活性検定。 (++)(a)10分未満での色形成又は(b)TLC上での有意の生成物形成 によって決定される最高の活性。残りの活性の測定は、+>+/−>−>−−の 順に続く。構造の略語は以下の通りである:I、クロロ−ブロモ−インドリル、 N、a−ナフチル、U、メチルウンベリフェリル、pN、p−ニトロフェニル、 oN、o−ニトロフェニル、PA、フェニルアセテート。 動力学的特徴の決定−動力学的特徴は、ニトロフエニルプロプリオネートの酵 素触媒加水分解の濃度依存性初期比を測定することにより決定する。反応は、p H8.5で、37℃に平衡化した50mMトリス−HClバッファ中で行い、酵 素を添加することにより開始させる。生成物ニトロフェノールの形成による40 5nmでの吸光度の変化から比率を決定する。比率を、反応過程での基質の自発 的加水分解について補正する。濃度対比率のデータを二重逆数プロット及びハー ネス・ウォルフ(Hanes Wolff)プロットの両者によって解析し、K m、Vmax及びVmax/Kmを決定する。加水分解反応の初期比のプロット から決定されるE100の動力学的特徴が図6に示される。 E100の温度の概要及び最適pHの決定−この酵素の温度の概要は図7aに 示されるように決定する。酵素の活性は、反応の温度が上昇するのに伴って70 ℃を上回る(基質の自己加水分解によるバックグランド信号が非常に大きくなり 、もはや補正できなくなる)検定の限界まで着実に増加することが観察され、こ れは、E100の最適活性の下限が70℃を上回ることを示唆する。E100は 、最適活性の下限、37℃での基質安定性の限界が約9.0であることが観察さ れる基本的なpHの概要を示す(図7b)。 有機溶媒の存在下における酵素安定性の決定−極性非プロトン性共溶媒である アセトニトリルを予備系として用いて、E100を有機溶媒組成物に対する耐性 について試験する。この酵素は、20容量%の有機共溶媒の溶媒混合物中でその 活性の50%を保持した(図8)。 E100のN−末端配列−精製したタンパク質を10%SDS−PAGEゲル に流した後、電気ブロッテ ィングによりPVDFメンブランに移す。メンブランを二重に蒸留した水を数回 交換して洗浄することで残留SDS又は他の汚染物質を除去し、次いでクーマシ ーブルーで染色する。次に、メンブランを50:40:10MeOH:H2O: AcOHを数回交換して用いて脱染色し、次いで10%MeOHで1回洗浄した 。その後、メンブランを風乾し、次いで配列決定に処する。E100のN−末端 配列はイリノイ大学アーバナ平原遺伝子工学施設で決定した。 E100のN−末端は、10%SDS−PAGEで精製し、PVDF支持体に 移したポリペプチドの自動配列決定により決定した。得られた配列は:MKLL EWLK?EVであり、ここで各文字は標準アミノ酸一文字暗号を指し、「?」 は不確定のアミノ酸を指す。このように、E100は、商業的に有用な純度で独 自の活性を有する有用なエステラーゼであることが示されている。 実施例16.E101の特徴付け E101はサームスT351種から単離される2つのエステラーゼ活性のうち の1つである。E101は、早期精製工程において第2のエステラーゼ、E10 0、から精製することができる。 E101の精製−実施例1及び2に説明されるように調製したサームスT35 1種の上清をNH4OHで分画し、沈殿したタンパク質を20−60%飽和で収 集する。ペレットを30mlのバッファー(50mMトリス−HCl pH8. 0、1mM BME)に再溶解し、30Kdカットオフ透析管系を用いて同じバ ッファに対して透析する。透析物を、上記バッファーで平衡化した100ml床 容積のDEAE樹脂に導入し、そのカラム を150lの平衡化バッファーで洗浄する。活性タンパク質が導入及び洗浄画分 に観察され、それをプールしてYM30メンブランを取り付けたアミコン濃縮器 を用いて濃縮する。その後、濃縮したタンパク質を、上記バッファーで平衡化し た25ml床容積のセファロースSP樹脂に直接導入する。活性画分が導入及び 洗浄画分に現れるので、それをプールして上記の通り濃縮する。その後、濃縮物 をセフラクリル(Sephracryl)HR200ゲル濾過カラム(1X40 cm)に導入し、2ml/時の流速で0.5mlの画分を収集する。活性画分を 集め、SDS−PAGEで分析する。N−末端の配列決定を行うため、均一であ ると考えられる画分を濃縮し、タンパク質配列決定サービスセンターに提出する 。この酵素を将来使用するために4℃で保存する。 E101はこれらの方法により35倍を超えて精製することが可能であり、こ の株から単離される別のエステラーゼであるE100とは劇的に異なる特徴を有 する。イオン交換クロマトグラフィーを用いる試みでは負の精製が生じた。これ は、タンパク質が保持される事実がなかったためである。調べた樹脂には、pH 6.0ないし9.0で変化し、トリス及びヘペスを含むリン酸塩からホウ酸塩ま でのバッファーの条件下でのDEAE、Qセファロース、CMセルロース、SP セファロース及びヒドロキシアパタイトが含まれる。2つのイオン交換工程の後 、ゲル濾過クロマトグラフィーによりタンパク質を精製して均一にする。しかし ながら、分子量が示唆するものよりも保持がかなり長いことから、このタンパク 質はカラムと相互作用しているように思われる。それぞれ未変性及び変性SDS −PAGEからの測定で、このタンパク質の分子量は約135Kdであり、〜3 5Kdの 単量体質量を有するものと思われる(図9)。 E101の特徴−この酵素の比活性は、4−メチル−ウンベリフェリルブチレ ート(MUB)を基質として用いて、E100について観察されるものよりも1 0倍高い。E101はPMSFによって阻害されるが、金属イオン又は金属イオ ンキレート剤には非感受性である。精製タンパク質の比活性は3.2X10-5モ ル分-1mg-1であることが見出されており、これはメチルウンベリフェリルブチ レートを基質として用いる加水分解の初期比から決定された。表5はE100の 活性に対する様々な基質の阻害効果の概要を示すものである。 反応条件は、指定される化合物を添加することを除いて、上記の一般的な実験 に説明されるものである。相対比は非触媒反応の加水分解の自発的な割合につい て補正されている。 E101の基質特異性−E101の基質特異性は実施例11に説明される通り に決定した。このE101についての構造活性実験からの結果が表6に示されて いる。この酵素の加水分解活性はE100について観察されるものに類似し、ミ ルク又はカゼインに向かう観察可能なプロテアーゼ活性はない。 サームスの種から部分的に精製されたエステラーゼE101の基質活性検定。 (++)(a)10分未満での色形成又は(b)TLC上での有意の生成物形成 によって決定される最高の活性。残りの活性の測定は、+>+/−>−>−−の 順に続く。構造の略語は以下の通りである:I、クロロ−ブロモ−インドリル、 N、a−ナフチル、U、メチルウンベリフェリル、pN、p−ニトロフェニル、 oN、o−ニトロフェニル、PA、フェニルアセテート。 このように、E101は商業的に有用な純度で独自の活性を有する有用なエス テラーゼであることが示されている。 実施例17.エステラーゼのクローン化 一般的なクローン化の方策−ストラタジーンTM(StratageneTM )からのλZAPクローン化系をライブラリーの構築及びエステラーゼ活性の検 出に用いることができる。他のクローン化系を用いて同様の結果を得ることもで きる。λベクターにおけるクローン化の通常の効率はクローン化DNAのmg当 たりハイブリッドクローン105ないし107個で変化し、これは通常の量のサイ ズ選別された染色体DNA断片からの代表的な遺伝子ライブラリーの生成に十分 である。我々は、ファージプラークにおけるエステラーゼ活性の検出が、細菌コ ロニーとは反対に、基質が酵素により接近し易いためにより効率的であることを 見出している。ファージは、一般に、クローン化タンパク質の毒性作用に対する 感受性に劣り、70℃までの温度で生存することも可能である。温度の上昇及び クローン化タンパク質の潜在的な毒性に耐えるクローン化系の能力は、本明細書 に記述されるエステラーゼのような好熱性タンパク質の活性の検出に必要である 。 遺伝子バンクを構築するためのDNAの単離−実施例1に説明されるように、 関心のあるエステラーゼを含む適切な株の培養物からゲノムDNAを調製する。 異なる株の細胞を、100mlのTTブロス(リットル当たりポリペプトン(B BL11910)8g、酵母抽出物4g、NaCl 2g)において、55℃又 は65℃で一晩、250RPMで振盪しながら、後期対数期まで 成長させる。細胞を遠心により回収し、そのペレットを5mlの溶解バッファー (10mMトリス−HCl、pH7.0、1mM EDTA、及び10mM N aCl)に再懸濁させる。リゾチームを2mg/mlの最終濃度まで添加する。 細胞を37℃で15分間インキュベートした後、SDSを1%まで添加する。そ の溶解物をフェノール/クロロホルム/イソアミルアルコール(25/24/1 )で穏やかに3回抽出し、その水相の上に95%エタノールを被せることにより DNAを巻き取る。 通常の技術を有する者は、当該技術分野において公知の他のDNAの調製方法 を見出すであろう(37)。例えば、関心のあるエステラーゼを含む株の新鮮な コロニーを250ml三角フラスコ内のTT培地50mlに接種し、ニュー・ブ ランスウィック・エンバイアラメンタル・シェーカー(New Brunswi ck Environmental Shaker)内において、55℃で24 時間、200rpmでインキュベートする。3000gで15分間遠心すること により細胞を回収し、5mlのGTEバッファー(50mMグルコース、25m Mトリス−HCl pH8、10mM EDTA)に再懸濁させて2mg/ml のリゾチームを用いて37℃で10分間処理する。リゾチーム産生スフェロプラ ストを1%SDSを添加することにより溶解し、100μg/mlのプロテイナ ーゼKを24℃で10分間添加することにより部分的に除タンパク質化する。フ ェノール/クロロホルムで3回抽出することにより染色体DNAをさらに精製し 、2.5容積のエタノールで沈殿させ、20mlの75%エタノールで洗浄した 後1mlのTE(10mMトリスpH8.0;1mM EDTA)に再懸濁させ る。抽出した画分は50Kbを上回る大きさの DNA断片からなり、その濃度は、0.7%アガロースゲルを用いて10V/c mで4時間流すゲル電気泳動による検出で約0.5ng/μlである。 遺伝子ライブラリーの構築−ゲノムDNAを制限酵素Sau3Aで部分的に消 化した後、予め消化したラムダZAPエクスプレス(Lambda ZAP E xpress)(ストラタジーン・クローニング・システム)にライゲートする 。ライゲーション反応の生成物を、プロメガ(Promega)から購入したλ パッケージング抽出物を用いてイン・ビトロでパックする。このベクターは長さ が12kbまでのDNAを収容し、T3及びT7プロモーターの発現及びプラー クのプローブハイブリダイゼーションの両者によるクローンの同定を可能にする 。このライブラリーを保持し、エステラーゼ活性についてスクリーニングする。 上述の通りに調製した株の各々の染色体DNA 10μgの5つの試料を、異 なる濃度のSau3A制限エンドヌクレアーゼ(ニュー・イングランド・バイオ ラブス(New England BioLabs))を用いて、製造者の指示 に従い、37℃で30分間、各々50μlの容積で処理する。Sau3Aの濃度 は、別々の管で、0.1uから0.002u/消化したDNAのμgに変化する 。エンドヌクレアーゼを70℃で10分間加熱不活性化することにより反応を停 止させ、10V/cmで4時間流す0.7%アガロースゲルでのゲル電気泳動に より分析する(典型的な消化パターンが得られる、データは示さず)。5kbの 平均断片サイズを有する画分をクローン化のために選択する。E001、E00 2、E003、E006、E007、E008、E009、E010、E012 、E016、E020を含む未変性 株については、約0.02u/DNAのμgの濃度のSau3Aで消化した染色 体DNAの第2の5つの試料が存在する。残りの株については、0.1u/DN AのμgのSau3Aを収容する第1の試験管内で適当な程度の部分的消化を達 成する。50ngの染色体DNA断片を、等モル量のラムダZAPファージベク ター(ストラタジーン)の脱リン酸化BamHI−アームを用いて、1単位のリ ガーゼ(ニュー・イングランド・バイオラブス)を含む5μl中でライゲートす る。ライゲーション反応は18℃で8時間行い、70℃で10分間の加熱不活性 化により停止させる。約10ngのDNAインサートを含むこのライゲーション 反応物1μlを、10μlのラムダプロヘッド(プロメガ社製)を用いるイン・ ビトロ・パッキングに用いる。パッキング反応を28℃で90分間行い、大腸菌 XL1ブルーの一晩培養物100μlと合わせ、プレート当たり2mlの0.7 %上層寒天(0.8%NaCl、10mM MgSO4)を用いてLB培地を収 容する5個の90mmペトリ皿に塗布する。クローン化効率を決定するためにこ のパッキング混合物の連続希釈を行う。クローン化効率は、一般には、約1.0 X107個ハイブリッドファージ/クローン化DNAのμgである。個々の株の 各々のクローン化効率は変動し、生成するライブラリーのサイズは0.5ないし 2.5X105の範囲内にあった。ここから2ないし12個の陽性クローンを分 析した(データは示さず)。増幅したライブラリーを収集するためにプレートの 1つからハイブリッドファージを回収し、25%グリセロールを含む3mlのL B培地に保存する。他の4つの一次プレートを、以下に説明されるように5−ブ ロモ−4−クロロ−3−インドリル−アセテート(X−アセテート) を含む指示寒天で処理し、エステラーゼ遺伝子を有するハイブリッドプラークを 見出す。 遺伝子バンクのエステラーゼ活性についてのスクリーニング−上記パッキング 反応の生成物を大腸菌XL1ブルーMRF(ストラタジーン)に感染させる。非 増幅遺伝子ライブラリーの一次プラークを、それらのプレートをX−アセテート を含む上層寒天を用いて65℃で30分間覆うことにより、酵素活性についてス クリーニングする。この指示オーバーレイ中の基質の濃度は、エタノール又はN ,N−ジメチルホルムアミド中の4%貯蔵物から最終溶液中では一般に0.1な いし1%(一般には約0.4%が用いられる)に希釈する。他の適切な基質をこ の手順において代わりに用いることが可能であり、これには、5−ブロモ−4− クロロ−3−インドリル−ブチレート(X−ブチレート)、5−ブロモ−4−ク ロロ−3−インドリル−プロプリオネート(X−プロプリオネート)、5−ブロ モ−4−クロロ−3−インドリル−ステアレート(X−ステアレート)、4−メ チルウンベリフェリル−アセテート(MUA)、4−メチルウンベリフェリル− ブチレート(MUB)、4−メチルウンベリフェリル−プロプリオネート(MU P)、又は合成したものでもシグマケミカル社のような商業的供給元から購入し たものでもよい他の5−ブロモ−4−クロロ−3−インドリル−もしくは4−メ チルウンベリフェリル−エステルが含まれるがこれらに限定されるものではない 。大腸菌に由来するバックグランドの外来性エステラーゼ活性を不活性化するた め、プレートを65℃で20分間予備加熱する。この手順を生き延びたハイブリ ッドファージを拾い上げ、3回再スクリーニングする。次に、その抽出物を、未 変性のタンパク質と同じ移動度 を有するタンパク質バンドの存在について、以下に説明されるように分析する。 ラムダZAPクローン化系は、より小さなプラスミドベクターを切り出してイン サートの特徴付けを簡潔にすることを可能にする。エステラーゼ活性についての 遺伝子バンクのスクリーニング、すなわち、タンパク質の単離、精製、及びN− 末端の配列決定;N−末端配列からの変性ヌクレオチドプローブの作製;変性プ ローブを用いる遺伝子バンクのスクリーニングに他の方法を用いることも可能で はあるが、有望なクローンの単離のためにはこの方法が効率的であり、かっ比類 なく適する。 特には、上述のクローン化の間に生成したファージコロニーを有する4つのプ レートを、幾らかの潜在的な大腸菌のエステラーゼ活性を不活性化するため、6 5℃で30分間インキュベートする。約1mg/mlの比色エステラーゼ基質X −アセテート又は他の基質(X−ブチレート、X−プロプリオネート、X−ステ アレート、及び4−メチルウンベリフェリルベースの基質を含むがこれらに限定 されるものではない)を含む0.7%上層寒天(0.8%NaCl、10mM MgSO4)約2mlを各々のプレートに被せる。クローン化エステラーゼの発 現はファージコロニーの周囲の青色ハロー(又は、4−メチルウンベリフェリル 基質の場合には傾向ハロー)によって検出することができる。例として、株単離 体28(E009)に由来する遺伝子ライブラリーについて観察される発現パタ ーンが図11aに示されている。このプロセスの典型的な結果では、ハイブリッ ドファージに対して1:3000の陽性コロニーの比が生じ得る。 一般に2ないし12の一次陽性ファージプラークをプレートの各組から拾い上 げて50μLのLB培地に再懸 濁させ、無菌の紙片を用いて大腸菌XL1ブルーを敷き詰めたものの上に画線す る。次に、これらの精製ファージプラークを前述のようにX−アセテートを含む 指示寒天で覆い、陽性プラークを一次スクリーニング実験と同様に選択した。こ の再画線の例が図11bに示される。一般には、このような精製を3回行うこと で、エステラーゼ活性を発現する純粋なハイブリッドクローンの生成には十分で ある。これらのクローン候補は、全て、X−アセテートプレート検定において有 意のエステラーゼ活性を示す。各々の株からの、各々が単一の一次ファージプラ ークの子孫を代表する幾つかのクローン候補をさらなる分析のために選択する。 ファージクローンが生成するタンパク質の概要の試験−これらのファージクロ ーンからのタンパク質の生成及び分析を以下の通りに行うが、代替法も可能であ る。各々のクローンに由来する単一のプラークを(10mM MgSO4の存在 下でLB培地中で成長させた)大腸菌XL1ブルーの一晩培養物20μlに再懸 濁させ、96ウェルマイクロタイタープレートのウェルの1つにおいて24℃で 20分間インキュベートして吸着させ、2mlのLBを収容する15ml試験管 に移し、約300rpmに設定したニュー・ブランスウィック・エンバイアラメ ンタル・シェイキング・インキュベーターにおいて37℃で一晩成長させる。細 胞残滓は12,000gで10分間遠心することにより除去することができる。 次に、元の微生物から精製した未変性のタンパク質と比較するため、クローンか らのファージ溶解物を4−15%勾配未変性ポリアクリルアミドゲル電気泳動( PAGE)に処する。成形済勾配ゲルをバイオラッド・ラボラトリーズ(カタロ グ番号161−0902)から購入し、 未変性ゲルについての製造者の指示に従って図12a−mに示されるゲルの生成 に用いる。HPLCによって単一のタンパク質バンドにまで精製された、元の株 からのエステラーゼ調製品を、同じゲル上で対照として用いる。あるいは、均一 には精製されていないが単一のエステラーゼ活性にまでは精製されている未変性 のタンパク質調製品を対照として用いることができる。エステラーゼ活性を有す るタンパク質バンドは、X−アセテートオーバーレイを適用し、室温で5−20 分間インキュベートすることにより検出することができる。クローン候補の相対 移動度を未変性のエステラーゼタンパク質と比較することができる。 図12a−zは、宿主株と比較した、ラムダクローンにおいて検出されるエス テラーゼ活性の典型的な比較の結果を示す。20の株に由来する107個のハイ ブリッドクローン候補について得られたデータが表7にまとめられている。スク リーニングした遺伝子ライブラリーの各々に、元の株から精製されたタンパク質 の移動度を有するエステラーゼタンパク質を発現するクローン候補が少なくとも 1つ存在する。幾つかのλクローン候補は、元の株から精製されるエステラーゼ 検体の主要成分とは異なる移動度を有するエステラーゼ活性を発現する。エステ ラーゼ活性を有する同様のサイズのバンドが未変性の微生物において少数成分と して観察される(データは示さず)。これらのクローン化エステルの加水分解活 性には表7に示される名称が与えられている。 ファージからのプラスミドベクターの切り出し−ラムダZAPベクターは、フ ァージクローンが都合よくプラスミドベクターに変換してDNAインサートの良 好な物理的特徴付け及びクローン化遺伝子の調節された発 現が可能になるようにする。ヘルパーファージと共に同時感染させることでM1 3−特異的複製を導入することにより、クローン化インサートを有する多コピー プラスミドの切り出しが生じる。(約107コロニー形成単位(CFU)を有す る)ラムダハイブリッドのファージ貯蔵物10μl及びエクサシスト(Exas sist)M13ヘルパーファージ(約1010CFU)1μlを用いて、LB中 で成長させた大腸菌XL1ブルーの一晩培養物20μlを感染させた。24℃で 20分後、細胞懸濁液を96ウェルマイクロタイタープレートのウェルの1つか ら15ml培養管に移し、2mlのLBで希釈し、37℃及び300rpmで一 晩成長させ、65℃で10分間加熱し、かつ3000gで20分間遠心すること により清澄化する。M13粒子にパックされた、切り出されたプラスミドを、M 13ヘルパーファージの発生を許容しないラムダ耐性株XLOLRに形質導入す る。切り出されたファージの溶解物10μlを96マイクロタイタープレートの ウェルの1つにおいて大腸菌XLOLR株の一晩培養物30μlと混合し、37 ℃で20分間インキュベートして吸着させ、100μlのLBで希釈し、かつ3 7℃で40分間インキュベートしてプラスミドのカナマイシン(Km)耐性マー カー(neo)を発現させる。細胞を、40mg/ml Kmを補足した2枚の LBプレートに塗布する。これらのプレートのうちの1枚には50μlの4%X −アセテート貯蔵溶液も含める。 プレートを37℃で成長させることによって予備実験を行い、クローン化好熱 製エステラーゼを発現する形質導入体大腸菌コロニーで有意の表現型の分離が生 じることを示す。CE020株の極端な場合においては、非常に活発にエステラ ーゼ活性を発現する一次形質転換体コ ロニーからはいかなるエステラーゼ活性をも発現しないコロニーはごく僅かしか 再画線することができなかった。この分離と活性クローンを含むプラスミドの明 らかな不安定性のため、大部分のエステラーゼクローンを操作するためのプロト コルは、ストラタジーンによって推奨されるプラスミドの切り出しの標準プロト コルと比較して、改変が必要であった。この不安定性は細胞内で発現するクロー ン化タンパク質の機能によるものである可能性があり、したがって、これらのエ ステラーゼが好熱性微生物に由来するものであり、かつ低温では活性ではない可 能性があることから、成長温度を下げることによりこの分離の問題が克服される ものと仮定された。 したがって、エステラーゼ含有プラスミドの活性による不安定性の問題を克服 するため、好熱性エステラーゼを有する大腸菌細胞の培養を28℃及び30℃で 行ない、その結果有効な表現型の分離は減少する。このように、クローン化好熱 性エステラーゼの活性が宿主細胞にとって致命的であり、又は部分的に致命的で ある場合には、その株の成長温度を30℃、又は室温にさえも低下させるべきで ある。これは図13に示されている。温度がクローンの表現型の安定性を大きく 相違させることを決定した後、全てのプラスミドベースのクローンを塗布するこ とによりさらなる実験を26℃で、一般には48時間行う。X−アセテートを含 む培地に大腸菌細胞を塗布し、そのプラスミドによるクローン化エステラーゼの 発現、及び一次コロニー内、もしくはそれらの間の分離の程度を検出する。この ように、クローン化エステラーゼの活性を低下させる温度での形質転換細胞の成 長は生成プラスミドの有効な単離に重要である。 特定の場合において、各々のファージクローンから誘 導される8つの細菌コロニーをX−アセテートを含まないプレートから拾い上げ 、96ウェルプレート内の40mg/ml Kmを補足した100mlのLBに 移し、一晩成長させる。これらのコロニーの子孫を、X−アセテート含有寒天を 用いるスポット試験によって分析する。明るい青色ハロー及び最低量のエステラ ーゼー分離固体を生じるものを拾い上げることにより、各々のファージから誘導 されるプラスミドクローンの幾つかをさらなる研究のために選択する。 安定なプラスミド変種の選択−エステラーゼ遺伝子を有するプラスミドベース のベクターがしばしば不安定であることが決定されているため、これらのプラス ミドの安定な変種を単離する。このような単離のための方法の1つは以下のよう なものである。切り出されたプラスミドを有する大腸菌細胞を、Km及び限られ た量のX−アセテートを補足したLBプレートを用いて精製し、比色反応の多少 致命的なインドール生成物の生成によるあらゆる潜在的なマイナス成長の衝撃を 低減する。コロニーを(一般には、穏やかな成長速度及び強い青色を付与する) それらの表現型によって選択し、Kmを含む2mlのLB中で15ml試験内に おいて48時間、約0.1のOD600に到達するまで成長させ、12,000g で1分間遠心することにより回収する。細胞ペレットを500mlの0.1Mリ ン酸バッファーpH7.0に再懸濁させ、ソニクス&マテリアルズ・ビブラ・セ ル375ワット超音波処理器を用いて4℃で超音波処理する。超音波処理は、マ イクロチップ、最大容量40%、45秒間の50%時間パルスを用いて行う。溶 解物を12,000gで5分間遠心し、その相対エステラーゼ活性について試験 する。最高の活性を有する変種を次回の成長 及び分析のために選択する。塗布、次いで液体培地中での成長及び活性検定を3 回行い、クローンの安定性を確認する。 この手順により、同じプラスミド系統に由来する変種間のエステラーゼ比活性 の偏りを100を超える因子から3の因子まで減少させることができる。活性の 安定化は、一般に、安定化の初回に検出される最高活性値に相当するレベルで生 じる。これは、クローン化毒性遺伝子の活性を単に抑制するのではなく、クロー ン化タンパク質のより高い耐性を可能にする大腸菌宿主の突然変異が選択されて いることを示す可能性があった。 プラスミドクローンの物理的特徴付け−標準アルカリ溶解法、又は当該技術分 野において公知の他の手順(37)により、大腸菌からプラスミドDNAを抽出 する。このDNAを一連の制限エンドヌクレアーゼ、例えば、EcoRI、Ba mHI、HindIII、PstI、EcoRV、及びXbaIで消化し、その クローンの消化パターンを確立し、かつクローン化DNA断片のサイズを決定す る。24の選択された生成クローンの物理的地図パターンが図15に示されてい る。このデータから各々のクローンのインサートのサイズを算出し、それが表8 にまとめられている。 インサートを含むエステラーゼのPCR同定のためのタグ配列の生成 エステラーゼ遺伝子を坦持するインサート断片の末端のDNA配列は、クロー ン化DNAの独自のタグを生成するための標準T7及びS6プライマーを用いて インサートの末端を配列決定することにより決定することができる。配列分析は 、クローン及び宿主微生物の両者からDNAインサートを独自に増幅することが 可能なPCRプライマーを設計するように行うことができる。これらのタグは、 研究される微生物の染色体からRPC技術を用いてこのDNA断片を生成するの に潜在的に用いることができる。 オリゴヌタレオチドプローブを用いるコスミドライブラリーのスクリーニング −活性でクローン化することができない酵素のクローン化には他の方法が用いら れる。タンパク質のN−末端に対する変性プローブを調製し、組換えファージバ ンクに由来するプラークとハイブリダイズさせる。あるいは、酵素のタンパク分 解性消化の後に得られる内部タンパク質断片のN−末端配列、すなわち、そのN −末端から得られる配列を用いて、変性PCR増幅プローブを作製することがで きる。これらの配列を用いて、このN−末端と内部断片又は2つの内部断片配列 の間の増幅領域からプローブを作製して、関心のある酵素をコードするDNAを 坦持するクローンを同定することができる。 実施例18.エステラーゼの過剰生成及び過剰発現 組換えエステラーゼの生成−用いた生成株が表8に収載されている。クローン 化酵素は大腸菌XLOLR株から生成させる。あるいは、あらゆる適切な大腸菌 宿 主を用いることが可能であり、これには、HB101、C600、TG1及びX L1−ブルーが含まれるがこれらに限定されるものではない。 数種類の培地をクローン化エステラーゼの生成に用いることができる。LB( 10gm/1トリプトン、5gm/l酵母抽出物及び10gm/l NaCl) 及びテリフィック(Terrific)ブロス(オートクレーブ処理の後、0. 17M KH2PO4、0.72M K2HPO4の無菌溶液100mlが補足され る、12gm/lトリプトン、24gm/l酵母抽出物及び4gm/lグリセロ ール)が試験されており、生成株に最適の成長条件からの結果が下記表9に収載 されている。各々の培地には10−50μg/mlカナマイシンを補足する。 最適生成培地は、培地のコスト及び精製タンパク質の比活性を含む多くの因子 に依存する。TB培地はより豊かな培地であり、したがって、より高価である。 例えば、CE009の場合、単一の発酵作業でより多くの総単位が生成するもの の、この培地のより高いコストを正当化するのに十分なものは生成しない。加え て、比活性はLB培地の調製品がより高い。 発酵生成は、17L発酵槽(15L有効容積/LH発酵)内において、30℃ 、600RPM、及び0.5vvmの気流で行う。種となる手順は以下のように 確立する。輪一杯の凍結生成培養物を用いて250ml三角フラスコ内の生成培 地50mlに接種する。このフラスコを30℃で2日間(250RPM)インキ ュベートした後、250mlの生成培地を収容する1リットルフラスコの接種に 用いる。このフラスコを30℃及び250RPMで1日インキュベートする。こ の1リットルフラス コを用いて発酵槽に接種する。 組換え酵素を生成する株の細胞ペーストからの実質的に精製された調製品の生 成は、実施例4に説明される方法、及び実施例14−34において未変性タンパ ク質について説明される特定のプロトコルと同様に行う。 エステラーゼの生成の最適化−エステラーゼの生成のさらなる最適化は、振盪 フラスコにおける培地の研究、次いで1リットルないし20リットル規模でのさ らなる最適化によって行う。酵素に応じて、最終発酵条件は断続供給(fed− batch)又は連続発酵プロセスのいずれかを包含し得る。分析するエステラ ーゼ活性が細胞内のものであるため、TT培地のような明確な、もしくは定義さ れた培地を用いることが必要である。関心のある微生物を成長させ、細胞ペレッ トを遠心により収集する。ペレットを超音波処理により破壊し、実施例3及び4 に説明されるイオン交換及びゲル浸透クロマトグラフィーの標準技術を用いて酵 素を精製することができる。培地の組成、pH、及び温度を含む成長条件は、小 規模(例えば、振盪フラスコ、及び1リットル発酵槽)で最高の酵素量を保持し ながら最高の細胞密度をもたらすように最適化する。 高生産変異体の単離−幾つかの単純な変異誘発スキームを用いて、関心のある 活性を異なって有する高生産変異体に取り組み、かつ単離する。これらには、U V光での変異誘発及びスルホン酸エチルメタン(EMS)又はN−メチル−N’ −ニトロ−N−ニトロソグアニジン(MNNG)のような化学的変異誘発が含ま れる。Miller(38)に記述される方法に従い、細胞を様々な濃度の変異 原(又はUV光への様々な露出時間)で処理する。異なる微生物での異なる変異 原の最適濃度は変化する。一般には、EMSについては80%の生存、MNNG については約50%の生存、又はUV光については10−50%の生存を可能に する死滅濃度が望ましい。次いで、変異誘発した培養物を成長させ、変異原を洗 い流して固体培地に塗布する。 細胞にエステラーゼプレート・スクリーニングを適用することにより変異体を 同定する。エステラーゼのスクリーニングに関する例については、5−ブロモ− 4−クロロ−3−インドリルアセテート又は4−メチルウンベリフェリルアセテ ートのような比色もしくは蛍光発生基質を含む寒天オーバーレイを適用する。基 質の加水分解による活性の有意の増加を示すコロニーを同定する。 次に、候補変異体を未変性ポリアクリルアミドゲル電気泳動によって分析し、 親株と比較する。次いで、実施例2に説明される標準検定方法又は実施例12に 説明される迅速エステラーゼ/リパーゼ・スクリーニングを適用して、酵素活性 の量の相違を同定することができる。生成レベルの増加が大きい場合には、クー マシー染色の後に未変性もしくはSDSポリアクリルアミドゲルのいずれかでバ ンドの増加が見られることがある。複数の活性を有する株もこの方法で区別し、 その増加が関心のある酵素におけるものであることを確認することもできる。次 に、それらの変異体が親酵素と同じ動力学及び基質特性を有することを確認する 。このアプローチによって同定される変異体の大部分は、プロモーター領域、リ プレッサー分子、又は他の制御要素のいずれかにおいて単離することが可能な発 現変異体である。酵素構造遺伝子における突然変異の大部分はその酵素を不活性 化するようであるが、高められた活性を単離することもできる。突然変異が所望 のタンパク質バンドの活性を増加させるもののクーマシー染色ゲル上のバンドの 強度は増加させないことが明らかである場合、その変異体を再度特徴付けしてそ れがより効率的な生体触媒であるのかどうかを決定する。 実施例19.エステラーゼ・スクリーニングキット 一度に多数の酵素を容易に分析するため、酵素の大きなサブセットを包装して 使いやすいスクリーニングキットにすることができる。これらのキットはできる 限り多くの潜在的な誤差を排除するように構成され、各々の酵素は、可能であれ ば、その最適バッファー及び反応条件に近い凍結乾燥形態で提供される。 ガラスバイアルから異なるプラスチック材料で構成される様々なサイズのマイ クロタイタープレートまで、多くの異なるキットの形式が可能である。取り扱い 及び操作の容易さから、マイクロタイタープレートが好ましい。大部分のマイク ロタイタープレートはポリスチレンで作製されるが、これは大部分の有機溶媒に 対して耐性がない。水性溶媒を用いる実験に対しては、ポリスチレンに問題はな い。ポリプロピレンのような他のより耐性の高いプラスチックを利用することが 可能であり、このキットには理想的である。3mlの試料を検定することを可能 にする(これは、多重TLC又はHPLC分析に十分な試料を許容する)大サイ ズの24ウェルマイクロタイタープレートが開発されている。他の形式も異なる 用途に有用であり得る。 撹拌棒、バッファー(0.1M リン酸Na pH7.0)及び各酵素1Uを 24ウェルポリプロピレントレイ(トムテック(Tomtec))の各ウェルに 添加することにより各キットを調製する。酵素は、比較のために等量の活性が提 供されることを保証できるように、設定された量で各ウェル又はバイアルに等分 する。その後、キット全体を凍結乾燥し、加熱密封ホイル(3M)で密封してラ ベルを貼る。別々の実験により、ガラスをプラスチックと比較するそれ以前の実 験によって示唆される ように、このキットのトレイ内でタンパク質を凍結乾燥しても酵素活性が大きく 損なわれることはないことが見出された。酵素に加えて、キットの各々は6−9 のpHのバッファーを含んでなる4つの対照ウェルを含む。これは、試験した基 質の中には緩衝された溶液中では不安定になる傾向を有するものがあり、それが 陽性反応と自己加水分解とを混同させる可能性があることが見出されたためであ る。キットの残りは取扱説明書、データシート、試料調製バイアル、ガラス製点 眼装置及びプラスチック製点眼装置である。このキットは、溶媒及び基質を各ウ エルに添加することだけが必要であるように構成される。実施例12に説明され る迅速スクリーニング指示染料法を各ウェル又はバイアルに含めることも可能で ある。これにより、酵素の有効性の予備的な定性測定が簡潔かつ迅速になる。 実施例20.組換えタンパク質のクローニング及び特徴付け (表1に収載される)未変性の単離タンパク質を生成する株単離体に由来する 組換えタンパク質のクローン化及び特徴付けを実施例37に説明されるように行 った。ラムダ発現ベクターは上述の通りに単離した(命名された具体的な単離体 が表7に示されている)。切り出されたファージ−プラスミドを有する大腸菌ク ローンを表7にまとめられるように誘導し、引き続くスクリーニングにより最終 的にエステラーゼ活性について選択して、3回の安定化手順を経た後、得られた 総細胞タンパク質のmg当たりの活性単位を概算した。陽性ファージライブラリ ー候補を組換えタンパク質についてスクリーニングするのに用いられたエステラ ーゼ活性染色ゲルが図12 に示されており、これは代替組換えタンパク質の同定をも可能にした。組換えタ ンパク質の生成は、培地にTBを用い、かつ実施例4において未変性(非組換え )タンパク質について説明されるように酵素を精製して、実施例38に説明され るように行う。 実施例21.組換えタンパク質の配列決定 本発明の酵素をコードする遺伝子を単離及びクローン化することによりDNA セグメントが得られ、そのDNAセグメントに、翻訳されたタンパク質アミノ酸 配列に対応するオープンリーディングフレーム(ORF)を見出すことができる 。このタンパク質酵素をコードする対応核酸配列を有するDNAインサートの配 列決定は、手を使う、もしくは自動装置を用いる通常の方法によって行うことが できる。 ひとたび得られたら、その核酸配列を分析することにより代替開始コドンの存 在(これは当該技術分野において認められている現象である)を明らかにするこ とができるが、コードされたタンパク質は最低でも核タンパク質ORFを含む。 図16Aは、E001酵素のORFに相当する単離された核酸配列、及び翻訳さ れたアミノ酸配列を示し、代替開始コドンには下線が付されている。図16Bは 、E001のORFを含む、単離されたクローン化アミノ酸配列である。図16 Cは、E009酵素のORFに相当する単離された核酸配列、及び翻訳されたア ミノ酸配列を示し、代替開始コドンには下線が付されている。図16Dは、E0 09のORFを含む、単離されたクローン化アミノ酸配列である。図16Eは、 E011酵素のORFに相当する単離された核酸配列、及び翻訳されたアミノ酸 配列を示し、代替開始コドンには 下線が付されている。図16Fは、E011のORFを含む、単離されたクロー ン化アミノ酸配列である。図16Gは、E101酵素のORFに相当する単離さ れた核酸配列、及び翻訳されたアミノ酸配列を示し、代替開始コドンには下線が 付されている。図16Hは、E101のORFを含む、単離されたクローン化ア ミノ酸配列である。 DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION A stable biocatalyst for ester hydrolysis   This application discloses a patent application 80 / _________________ filed on June 12, 1996; No. 80 / 009,704 filed on Jan. 10, 1995; and filed on Aug. 7, 1995 No. 80 / 001,995, all of which are incorporated by reference. The entirety of which is incorporated herein. State of government rights   The work disclosed in this application was made by ThermoGen Inc. . Approval number from NIH-SBIR for NCI1-R43-CA638 Partially supported by 76-01, the United States Government has It may have certain rights in the invention. Field of the invention   The present disclosure provides commercial pharmaceutical and chemically synthesized, recombinant ester hydrolysed proteins. A DNA vector, a host cell transformed with such a vector, And recombinant esters produced by such vectors and transformed cells Isolated stable biocatalyst components suitable for enzymatic use in hydrolyzed proteins Pointed to the field. Background of the Invention   Esterases and lipases. Esterases and lipases are listed below. As shown, hydrolysis of ester bond To produce alcohols and carboxylic acids.   Esterases and lipases have different substrate specificities, R group or chain length preferences, and And unique inhibitors (1, 2). Many estelar And lipases preferentially hydrolyze esters with long carbon chain R groups. From a range of hydrolases such as carboxylesterases, cholinesterers And acetylesterases that act on very specific substrates Across. In many cases, these hydrolases are fixed at the protein active site. It is also known to exhibit stereoselectivity and regioselectivity arising from its chirality. This preferential hydrolysis activity requires them to have different regioselectivities and stereoselectivities. Useful for required reactions or kinetic decomposition methods for racemic mixtures . For enzymes that exhibit stereoselectivity, when R * is a racemic mixture, the enzyme catalyst The hydrolysis product R1 is the most rapidly hydrolyzing stereoisomer, whereas Thus, the remaining esters, named R * ', are substituted for any remaining enantiomerically enriched R It was mixed with 1. The products are then chromatographed. To obtain pure R1. Esterer with various specificities The availability of a large pool of enzymes and lipases Useful for screening enzymes and developing optimal protocols for specific chemical synthesis . The convenience of this process scales up the production of many useful pharmaceutical products. make it easier.   In aqueous solvent systems, esterases and lipases react in their natural reaction: Hydrolyze the tell bond. In vitro, these enzymes Include cyclic and acyclic alcohols, mono- and di-esters, and lactams. Can be used to perform reactions on a wide range of substrates, including esters. 3). By conducting the reaction in an organic solvent from which water has been excluded (4, 5), The reaction of terases and lipases can be reversed. These enzymes are It is possible to form an ester bond by catalyzing an acylation or acylation reaction (3 , 6, 7). This process also involves transesterification of the ester and ring closure or opening. It can be used for ring reactions.   Optically pure chiral drug. Currently, most synthetic chiral drugs are racemic mixtures And sold. However, optically pure (single isomer) chiralization This situation is changing with advances in compound synthesis (7). Racemic drug Is often combined with one isomer that is therapeutically active and at best inactive and At worst include other enantiomers that are the main cause of potentially harmful side effects. Racemic drug This unusual isomer in objects is increasingly seen as a contaminant. In fact, The FDA's policy speech on new drug development is based on a pharmacokinetic overview of each of the isomers. After characterization in animals, the clinical pharmacokinetics obtained in the Phase I drug trials It is recommended to compare with a stoichiometric summary (8). Therefore, the pharmaceutical company A synthesis or separation route to produce each of the pure isomers of each new synthetic drug Need to develop.   Enzymatic synthesis of optically pure drugs and intermediates. Identified by classical chemical synthesis Optically pure chiral molecule Because it is often very difficult to generate a solution, new enzymatic biocatalysts Play a major role in this effort. In some cases, enzymes are dangerous chemicals It is possible to replace synthesis procedures with biological synthesis processes that are more environmentally friendly. You. Also, if the enzyme removes several chemical protection and deprotection steps simultaneously, Enzymatic production of pharmaceutical intermediates may be more cost effective (7). How many As described in several in-depth reviews (3, 7), the six major classes of enzymes (acid Reductase, transferase, hydrolase, lyase, isomerase, and ligation enzyme) Is useful in the synthesis of optically pure compounds. Hydrolase hydrolyze Large amounts of enzymes, information about them, their independence from cofactors, and Have proven to be the most useful group of enzymes due to the diversity of acceptable substrates. I have.   By examining the literature, the medium temperatures used in chemical synthesis or chiral decomposition Many examples of sex hydrolases, especially esterases and lipases, are given. these Esterases derived from pig (9, 10) and horse (3) liver and Spergillus species (11), Candida species (12-16), Pseudomonas species (17 -19), various lipases derived from Rhizopus species (20) and the like. Some Lipase is used in the treatment of propanolol, angina and hypertension -Used in the synthesis of adrenergic blockers (7). Ibuprof Non-steroidal anti-inflammatory drugs are It has been synthesized by the stereoselective hydrolysis of esters (7). These enzymes Despite beginning to show the usefulness of biocatalysts in chemical synthesis, various substrate specificities , Regioselectivity, and stereoselectivity There is still a great need for various esterases and lipases with Exist. In addition, these enzymes need to be used in large-scale industrial equipment, They have increased stability, higher heat resistance, and longer "shelf life" There is a need.   Thermostable enzyme. Thermophilic microorganisms catalyze reactions at high temperatures and are more stable It has already provided a rich source of some useful proteins (21,22). One example is , Derived from Thermus aquaticus DNA polymerase I and its use in the polymerase chain reaction (PCR) (23, 24). Thermophilic enzymes have long-term stability and ease of use. , Has become the most commercially successful enzyme in the industry. Most successful to date A successful enzyme, α-amylase, has been used in the processing of corn, Degree thermophile B. B. stearothermophile rus) (25). Another commercially successful industrial enzyme is subchi Lysine, a serine protease also found in various Bacillus strains, Widely used in rinsing detergents and other cleaning solutions.   The commercial success of these enzymes may result in their ease of use. Machine at high temperature In addition to functioning, thermostable enzymes generally have an increased shelf life, A specific range of articles used by methanogens for those untrained in biochemistry Significantly improve the handling conditions for working in the case. Enzymes are a large source of chemicals If they play a significant role in the It must be able to withstand various conditions. Thermostable enzymes are easy to handle And longer There is also a suitable fixed support that should be persistent and reusable for multiple uses. Have been done.   Finally, the hydrophobic and electrostatic forces that allow these enzymes to survive at elevated temperatures are Also allow them to function better in organic solvents in general (26- 31). While most enzymes lose most of their activity in organic solvents, To make thermostable enzymes more resistant to denaturing conditions in many organic solvents. Can be proven. Esterases and lipases that are highly thermostable There is a need for expanding the use of these biocatalysts in scale industrial reactions.   Thermostable esterases and lipases. To date, one esterase and Only a few lipases have been reported to have moderate thermostability. Tu Lin et al. (32) reported that Bacillus brevis (B) is stable at 70 ° C. for up to 10 minutes. (Bacillus stearothermo) cloned into B. acillus brevis) Filus esterase was reported. Sugihara et al. (33, 34) Microorganisms, Bacillus soil isolates and Pseudomonas cepacia Omonas cepacia) Isolation of a novel thermostable lipase from a soil isolate ing. The former lipase is stable at 65 ° C for up to 30 minutes, but above this temperature Rapidly inactivates. 75 ° C lipase from Pseudomonas cepacia Was stable when heated at pH 6.5 for 30 minutes, but assayed at this temperature. In that case it had only 10% of its activity. Thermo Alkaholic ( thermocalophilic) lipase (35) is Bacillus sp. MC7 And a half-life of 3 hours at 70 ° C. Had. Most Later, Sigurgisladottir et al. (6) reported that Olly was warmed to 80 ° C. One Therms strain and two Bacillus strains with lipase active against bu oil Reported isolation of strain, but no report on enzyme stability in this study .   These enzymes outline limited changes in substrate specificity and moderate thermostability Only provide. These are the need for different substrate specificities, economical commercialization It does not address the need to produce large quantities that can Stability is limited. In this application, we use a series of (position selectivity, Providing substrate specificity (including body selectivity), enhanced enzyme stability, and commercial Of a series of esterases and lipases that can be produced in large quantities for use are doing. Summary of the Invention   The present invention is characterized by esterase activity and is disclosed in FIGS. 1-4 and Table 1. Prepare for the isolation and characterization of the commercial grade enzyme preparation corresponding to the data. Like In a preferred embodiment, the present invention is characterized by an esterase activity and comprises Table 1 and FIG. Isolation and special isolation of a specially purified esterase corresponding to the data disclosed in JT-9 Prepare for signing. In a most preferred embodiment, the present invention has an esterase activity. Be prepared for proteins produced by recombinant DNA technology. The enzyme of the present disclosure From a variety of sources, including soil, water and waste landfills throughout the United States and elsewhere in the world From thermophilic microorganisms. These microorganisms are generally not at 45 ° C And grow in a temperature range of 90 ° C., whereby they are separated into moderate to extremely thermophilic bacteria. Be classified. Proteins isolated from this group of microorganisms Growing at a low temperature of 5 ° C to 37 ° C, but isolated from a species lacking thermal stability And functionally similar. The enzymes of the present disclosure can be used to produce carboxylic acids and alcohols. By thermophilic microorganisms, including esterase enzymes responsible for the hydrolysis of tell bonds. And proteins produced by the method. The protein of the present disclosure is a native mesophilic enzyme. Has a much longer active life than that found in Activity even after exposure to water and inert in the presence of organic co-solvents Resistant to chemical transformation. The proteins encompassed by the present disclosure are standard purification methods, particularly ionic It can be isolated by exchange chromatography. All enzymes of the present disclosure are Intracellular protein, which is recovered by cell disruption and Can be used. Purified esterases of the present disclosure are eluted with a NaCl gradient Fractions with a single activity are pooled and concentrated prior to lyophilization for storage I do. Specific activity is determined by the Pierce BCA method or by measuring UV absorption at 280 nm. And subsequent activity assay based on the initial hydrolysis rate of p-nitrophenyl propionate It is determined by measuring the total protein concentration by standard determination. Tamper of the present disclosure The proteins were grown at 55 ° C and 65 ° C in TT medium, the bacterial strain from which they were isolated. Length, as well as esterase hydrolysis activity. The present disclosure Protein has esterase activity in a screening microtiter plate assay Can be characterized by: In addition, the protein of the present disclosure is characterized by its protein Characterized by quality temperature summary, protein stability summary, and pH summary It is also possible. The proteins of the present disclosure can be used on native gradient PAGE gels Characterizing by apparent molecular weight corresponding to the enzyme activity staining Can be. The intrinsic molecular weight can be further determined by chromatography. Thus, the specific activity can be further determined under standard conditions. Table 10 shows the standard conditions Many of these features for selected proteins below are listed. This As described above, the proteins of the present invention have their amino acid protein sequences or their protein In addition to the nucleic acid sequence encoding the amino acid protein sequence of the protein, Can be characterized.   Thus, the present disclosure provides a selection of chiral pharmaceutical intermediates and other fine chemicals. Esterases isolated from thermophilic microbial stocks useful in dynamic preparation Libraries. This library contains at least 23 purified enzymes Which are available in various combinations as screening kits or powered For performing chiral reactions or the preparation of chiral products using chemical degradation techniques It can be used as a separate protein preparation. Under these conditions, The rate of hydrolysis of racemic esters catalyzed by these enzymes is It depends on whether the isomer best fits the structural parameters of the enzyme active site. Ki Products having one or more ral centers are carboxylic acids or alcohols. It can be a shift. In addition, many esterases described herein use a solvent Reaction proceeds in the direction of synthesis under transesterification conditions with limited water content Is used to prepare a chiral ester from a carboxylic acid and an alcohol. Can be   The present disclosure provides a recombinant ester hydrolyzing protein of the invention from a transformed cell host. Lambda phage expression vector having an insert that can be used for quality production Is included. The indium contained in this lambda phage expression vector The salt may be, for example, a phage-plasmid hybrid expression vector or other suitable vector. Expression vectors, such as, but not limited to, plasmids, Y It can be used in AC, cosmid, phagemid and the like. In a preferred embodiment The lambda expression vector is a vector named in Table 7, namely, A vector having an insert encoding a substantially similar recombinant protein One of them. The present disclosure is also capable of transforming host cells, And a vector encoding the recombinant ester hydrolysed protein, and its transformed host Main cells and recombinant ester hydrolyzed proteins are also provided. The right host cell Include, but are not limited to, Escherichia coli, Bacillus, Thermus species, etc. is not. Recombinant ester hydrolysis protein encoded by this vector The quality is 5-bromo-4-chloro-3-indolyl-acetate (X-acetate) Can be hydrolyzed. Recombinant ester water produced by this vector Degraded proteins have half-lives comparable to the corresponding proteins purified from the isolate Characterized by stability. Also, this recombinant ester hydrolyzed protein is Safe at temperatures comparable to or better than the corresponding protein from the debris It features the ability to remain constant. The recombinant vector encoded by this vector Stele hydrolyzed proteins are also characterized by certain substrate specificities discussed below, This is comparable to the corresponding purified protein from the isolate. Favorable condition In another embodiment, the vector is the vector named in Table 7 or 8, That is, a vector having an insert encoding a substantially similar recombinant protein. Is a doctor. In a preferred embodiment of the present invention, certain recombinant esters Vectors encoding the hydrolyzed proteins are named and listed in Table 8, American type under the terms and conditions of the Budapest Treaty on the Deposit of Microorganisms ・ Call to Culture Center (ATCC, Rockville, Maryland, USA) One of the vectors that have been deposited and have received a specific designation from the ATCC. Yes, when this number is notified, it will be added to the present specification by amendment. BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES   FIG. Esterase screening plate. 50 microliter cell extraction The effluent was suspended in 0.7% agarose in 5-bromo-4-chloro-3-indo. Either ril acetate or butyrate (for esterase activity) 0 . Micro tie consisting of 1 mg / ml and 0.1 M Tris-HCl pH 8.0 Transfer to the wells of the tar plate. Control wells contain 20 U of porcine liver esterase ( PLE) or 20 U of porcine pancreatic lipase (PPL) buffer Consists of addition. Normally sufficient time to allow full color development in control wells, usually Incubate the plate at 37 ° C. for about 20 minutes. Blackish wells are active Indicates that the sex is positive. This photo shows the screenin of 65 candidate isolates. And the resulting positive.   FIG. Esterase activity staining of crude extracts from thermophiles. After electrophoresis, it These gels were equilibrated with Trizma buffer at pH 7.6, then Stain for activity with any of 0.15% X-acetate. Then this The gels are incubated at 55 ° C. for up to 30 minutes.   FIG. Molecular weight calibration curve. FIG. 3 shows the standard molecular weight calibration curve. Represent.   4A-T. Features of the enzyme. 4A-T provide a summary of activities that characterize the enzymes of the present disclosure. The point is. Graph 1 shows the relative esterase activity for each of the listed enzymes. 1 shows an overview of the temperature of the enzyme, plotting against temperature. Graph 2 is at 25 ° C. Listed, plotting relative residual activity at 40 ° C. and 65 ° C. against time 2 shows the residual esterase activity of the enzyme. Graph 3 shows relative esterase activity versus pH. 1 shows a summary of the pH of listed enzymes, plotted against.   Figure 5.8. Overview of E100 migration on 5.8% SDS-PAGE. Lane 1. DEAE And boiling E100 following Q Sepharose chromatography. Lane 2. Non-boiled Purified E100. Lane 3. Boiling E100. Lane 4. Molecular weight marker.   FIG. Kinetic analysis of E100. The enzymes are: a) Lineweaver-Burk (L ineweaver-Burke) and b) Edie-Hofstie (Ea normal Michaelis kinetics yielding linear data in both die-Hofstee analysis Km = 7.2 × 10 using p-NP as a substrate-FiveM and Vmax = 1.8X10-FiveMinute-1Is obtained.   FIG. Summary of temperature and pH of E100. a) Summary of temperature of E100. p-nit Prop as a function of temperature for E100 catalyzed hydrolysis of rophenylpropionate G. Enzyme activity upon exposure to different temperatures was determined. Nitrophenylpropione The initial rate of hydrolysis ofThree0.25 mM substrate dissolved in CN, then 50 mM borate buffer pH 8.5 equilibrated to the desired temperature with added enzyme Was determined. Of the absorbance at 405 nm Determine the rate by observing the change and replace bovine serum albumin with the enzyme. Correction was made for spontaneous hydrolysis of the substrate used. b) Summary of pH of E100. E On the hydrolysis of p-nitrophenylpropionate catalyzed by H.100 PH effect. An overview of the pH of the enzyme can be obtained by using different buffers suitable for the desired pH. It was determined by preparing at a concentration of 0 mM. CHThreeSubstrate dissolved in CN (0. The reaction was performed by adding the enzyme to this buffer solution. . After incubating the reaction for 5 minutes, CHThree0.1 mM P dissolved in CN The reaction was stopped by adding MSF. Add 0.1M Tris-HCl To adjust the pH of the mixture to 8.5. The absorbance at 405 nm Record and ε = 17 mM for product nitrophenol-1cm-1Concentration based on Was calculated. Product formation was corrected for spontaneous hydrolysis of the substrate.   FIG. Addition of p-nitrophenylpropionate, measured by relative velocity E100 resistance to the presence of organic co-solvents during water splitting. Various concentrations of CHThreeC By measuring the initial rate of enzyme-catalyzed hydrolysis of pNP in the presence of N Determine the residual activity of the enzyme in the presence of an organic solvent. Theory in determining activity As indicated, react at 37 ° C. in 50 mM Tris-HCl pH 8.5. I do. Changes in absorbance in spontaneous hydrolysis of substrates and in the presence of organic co-solvents Correct for changes in the extinction coefficient of the product.   FIG. Purification of E101. a) E10 indicated by 10% SDS-PAGE Step in the purification of 1. Lane 1. Molecular weight marker. Lane 2. (Included as standard Purified E100. Lane 3. NHFourSOFourDialysis after fractionation Protein. Lane 4. DEAE introduction / washing. Lane 5. SP Sepharose Introduction / cleaning. Lane 6. Purified E101. Eluted from S200 gel column. b) 10% SDS-PAGE of E101. Lane 1. Boiling E101. Lane 2. Non-boiled Boiling E101. Lane 3. Molecular weight marker.   FIG. Substrates used for stereoselectivity and regioselectivity screening. S Terases have substrate structures that fit into four types and can mediate stereoselectivity and regioselectivity. It is a flexible biocatalyst in the sense that The listed compounds are produced from chemical intermediates. Range of different structural features encountered in common substrates of potential Indicates the box. Some of these substrates are enantiomers or diastereomers Can be purchased in a pure form, and the quantitative Can be used in cleaning procedures. Hydrolysis to break down chiral centers Four classes of substrates most commonly associated with biocatalysts have been considered. A) Ta The substrate of Ip positions the desired product on the carboxylic acid side of the product, whereas In addition, the type II compound has the functionality required for alcohol. B) Type Substrates of type III and type IV can be considered a subset of types I and II. However, their unique characteristics dictate that they be classified separately. Type III molecules require that the enzyme distinguish between prochiral substrates, In contrast, type IV compounds have a meso structure. These last two substrate types are It is very unlikely that these types of compounds will be selectively activated by other chemical means. The importance of the biocatalyst-based decomposition method in the synthesis is shown.   FIG. A method for selecting a recombinant esterase. a) X-acetate gel overlay Strain isolate 28 (E Screening of phage library derived from 009). Departs esterase The blue color surrounds the single phage plaque that appears. b) 54 (E002) strains Purification of hybrid phage produced from. Hydrolyzed X-acetate color The amount of priming substrate surrounding each of the three phage stock phage plaques I have. c) and d) phage λTGE1.1; λTGE1.2; λTGE1.3. ΛTGE2.1; λTGE2.2; λTGE2.3; λTGE2.4; E2.8; λTGE3.2; λTGE3.3; λTGE3.4; λTGE4.1. ΛTGE4.2; λTGE4.3; λTGE11.1; λTGE11.3; TGE11.4; λTGE11.7; λTGE11.9; λTGE11.10; λTGE15.1; λTGE15.3; λTGE15.5; λTGE15.8; Studies on the hydrolytic activity of plasmid-bearing strains derived from λTGE15.9 Pot test. Higher activity detected by X-acetate leads to weaker growth Strongly related.   Figures 12a-r. Esterase activity of recombinant protein derived from phage lysate Examples of screening techniques using sex staining. Once an esterase positive candidate is identified Once done, the phage lysate was purified with a native 4-15% gradient BioRad (BioRa). d) Check for correct ester hydrolysis activity on ReadyGel. Clean. After electrophoresis, the gel was washed with Trizma buffer pH 7.6. By using a 0.15% X-acetate overlay. Stain for activity. The gel is then incubated at room temperature for up to 30 minutes . These figures identify proteins that have the same migration properties as the native protein. How to use this technology Here is a typical example. a) The strain isolate S1 to identify E001 Screening of positive clones from the pools made from them. Each lane is lambda TGE 1 isolate, 1, 2, 3, 4, 5, 8 and native control protein (C) are shown; b 3.) Positive clones from pools made from strain isolate 54 to identify E002 Screening. Each lane is a lambda TGE2 isolate, 1, 2, 3, 4, 6, 8 and native control protein (C); c) strain to identify E003 Screening of positive clones from pools made from isolate 50. Each lane is Shows lambda TGE3 isolate, 1, 2, 3, 4, and native control protein (C) D) positives from pools made from strain isolate GP1 to identify E004 Screening of clones. Each lane is a lambda TGE4 isolate, 1, 2, 3, 4 5, 6 and the native control protein (C) are shown; e) to identify E005 Of positive clones from stocks made from strain isolate C-1. each Lanes show lambda TGE5 isolate, 1, 2, 3, 4, 5, 6 and native control protein. F) generated from strain isolate 55 to identify E006 Screening for positive clones from stock. Each lane is a lambda TGE6 isolate, 1, 2, 3, 4, 5, 6 and the native control protein (C) are shown; g) E008 Of positive clones from stocks made from strain isolate 30 to identify Learning. Each lane shows lambda TGE8 isolate, 1, 2, 3, 4, 5, 6, and unchanged H) Sex control protein (C); h) strain isolate 28 to identify E009 Screening of positive clones from stocks made from. Each lane is lambda TG E9 isolate, 1,2,3,4,5,6,7 and native control protein (C) Shown; i) Positive from pool made from strain isolate 29 to identify E010 Sex clone screening. Each lane is a lambda TGE10 isolate, 1, 2, 3, , 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 and native control protein (C) J) from a pool made from strain isolate 31 to identify E011 Screening for positive clones. Each lane was lambda TGE11 alone on the first gel. Release, 1, 2, 3, 4, 7, 8 and native control protein (C) and second gel Lambda TGE11 isolate, 7, 8, 9, 10 and native control protein (C K) a pool made from strain isolate 26b to identify E0012 Screening of positive clones from. Each lane contains lambda TGE12 isolate, 1 2, 3, 4, 5, 6, and the native control protein (C) are shown; Screening of positive clones from stocks made from strain isolate 27 to identify Ning. Each lane shows lambda TGE13 isolate, 1, 2, 3, 4, 7, 8 and unchanged Shows sex control protein (C); m) strain isolate 34 to identify E014 Screening of positive clones from stocks made from. Each lane is lambda TG E14 isolate, 3, 5, 6, 8, 9, and native control protein (C) are shown; n 3.) Positive clones from pools made from strain isolate 62 to identify E015 Screening. Each lane is a lambda TGE15 isolate, 1, 2, 3, 4, 5 , 6, 7, 8 and the native control protein (C) are shown; o) Identify E016 Screening of positive clones from stocks made from strain isolate 47 to isolate. Each lane shows lambda TGE16 isolate, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 and native pair. Indicating control protein (C); p) Strain isolation to identify E019 Screening of positive clones from pools made from body 4. Each lane is lambda TGE19 isolate, 1,2,3,4,5,6 and native control protein (C) Shown; q) Positive from pool made from strain isolate 7 to identify E020 Screening of clones. Each lane is a lambda TGE20 isolate, 3, 4, 6, and And native control protein (C); r) identifies E021 (E017b) Screening of positive clones from stocks made from strain isolate 32 for storage. Each lane contains lambda TGE21 isolate, 6, 8, 9 and native control protein (C ).   FIG. Effect of temperature on clone stability. Active esterase protein Recombinant strains having a plasmid with are often found on X-acetate plates. A phenotypic separation of the esterase activity was shown. This separation indicates that the esterase activity If toxic to cells, this may be due to loss of plasmid or insert. There was ability. To overcome this, cells should be cooled at low temperatures (probably due to cloning It was possible to grow (with reduced activity of the thermoesterase). these In the figure, TGE15.2 (15) and TGE15.9 (14) strains were transformed with X-acete. It is shown that both the coatings are applied at 28 ° C. (a) and 37 ° C. (b). Faster Yellow colonies of the growing isolate were visible at both temperatures, but reversed at 37 ° C. The choice is more powerful. The same phenomenon was observed for T grown at 28 ° C. and 37 ° C., respectively. GE2.1 (1); (for TGE2.2 (2) and TGE3.2 (3) strains) Found in c) and (d).   FIG. Example of esterase staining of a recombinant protein derived from a plasmid. Not yet Denatured microorganism (single column purification) And protein extracts from both the recombinant production strains. protein Run the extract on a 4-15% gradient Bio-Rad ready gel. Electric swimming After running, the gels were equilibrated with Trisma buffer at pH 7.6 and then 0.4% in X-acetate using X-acetate overlay Stain for activity. The gels are then incubated at room temperature for up to 30 minutes. To In these examples, native without any visible activity on this stained gel E007 derived from microorganism (E007N) and protein derived from CE007 strain Extract; recE00 from E008 and CE008 from native strain 8; recE00 derived from E009 and CE009 strains derived from native microorganisms 9; recE01 from E010 and CE010 strains derived from native microorganisms 0; recE01 from the E011 and CE011 strains derived from native microorganisms 1; recE01 from E014 and CE014 strains derived from native microorganisms 4; recE01 derived from E015 and CE015 strains derived from native microorganisms 5; recE from E017b and CE017b strains derived from native microorganisms 017b; rec from E019 and CE019 strains derived from native microorganisms E019: E021, derived from a native microorganism, r derived from CE009 (R) strain recE028 from ecE020 and CE028 strains-both of the same gene Isolated from reserve. recE028 has a low level of background on native protein preparations. N = native protein; R = recombinant protein Protein; R * = alternative recombinant protein with different migration pattern (in this case , E028 cloned from the same strain as E020).   Figure 15. Digestion pattern for the recombinant esterase of Figure 24. Listed in Table 8 The restriction endonuclease digestion patterns for a set of 24 plasmids are shown. Is done. (A) Plasmid 24 was replaced with EcoRI (1-24) and BamHI (25 -48), cut with HindIII (49-72) and EcoRV (73-96) I do. (B) Gel showing PstI digestion pattern for plasmids 1-18. ( c) PstI digestion pattern for plasmids 19-24 Gel showing the XbaI digestion pattern for 1. (D) Plasmids 12-24 And a gel showing an XbaI digestion pattern. Lanes 1-24 for all gels The following plasmids are referred to in the following order: pTGE1.1, pTGE2.1, pTGE GE2.2, pTGE3.2, pTGE4.6, pTGE5.3, pTGE6. 3, pTGE 7.1, pTGE 8.5, pTGE 9.4, pTGE 10.3, p TGE 11.10, pTGE 12.2, pTGE 13.2, pTGE 14.3, pTGE14.6, pTGE15.9, pTGE16.1, pTGE19.4, pTGE20.4, pTGE21.8, pTGE21.8x, pTGE20.3 , PTGE16.3. Plasmid pTGE21.8x is a variant of pTGE21.8 Which was isolated and had lost activity.   FIG. Nucleic acid sequence and amino acid sequence of translated protein. The enzyme of the present invention Isolation and cloning of the encoding gene generates a DNA segment, which is Open readies corresponding to the amino acid sequence of the translated protein A frame (ORF) can be found. Alternative start codons Recognized in the field, but few encoded proteins Both contain the nuclear protein ORF. FIG. 16A corresponds to the ORF of the E001 enzyme. Isolated nucleic acid sequence, and translated amino acid sequence, with alternative start codons Is underlined. FIG. 16B shows the cloned clone containing the E001 ORF. Isolated nucleic acid sequence. FIG. 16C shows the isolated corresponding to the ORF of the E009 enzyme. Nucleic acid sequence and translated amino acid sequence, with alternative start codons Lines are attached. FIG. 16D shows a cloned unit containing the ORF of E009. The isolated nucleic acid sequence. FIG. 16E shows the isolated nucleus corresponding to the ORF of the E011 enzyme. Acid sequence and translated amino acid sequence; alternative start codons are underlined Have been. FIG. 16F shows the cloned isolated nucleic acid containing the E011 ORF. Is an array. FIG. 16G shows the isolated nucleic acid sequence corresponding to the ORF of the E101 enzyme. , And the translated amino acid sequence, with alternative start codons underlined. I have. FIG. 16H shows the cloned isolated nucleic acid sequence containing the ORF of E101. is there. DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION   The present invention has been selected for enzyme activity and has apparent molecular weight, pH, and temperature stability. Isolated and commercially available from thermostable bacteria characterized by To prepare a useful protein preparation. The isolated proteins of the present disclosure can be used to perform biocatalysis. Molecular weight markers to find similar enzymes besides functionally used enzymes Can be used as Commercial chemical synthesis of certain racemic products is often Often, the use of such isolated enzyme preparations is required.   The results of the characterization assay are based on the described esterase Indicates that the prime has a series of optimal parameters. For example, E100 and E10 1 has an optimal operating temperature above 70 ° C, consistent with enzymes isolated from extremely thermophilic bacteria. E001-E021 have been isolated from thermophilic microorganisms to a lesser extent It has an optimal commercial temperature in the range of 40-50 ° C., corresponding to the enzyme. However, Both groups are stable and functional compared to other known esterases from thermophiles Has been added. E001-E021 work in a non-extreme temperature range It provides an optimal temperature environment for chemists wishing to work, and works well even at room temperature. Also, These results indicate that the enzymes described do not show a clear preference under experimental conditions. Although it has various pH optimum conditions including near neutral or near neutral It is a tendency of most proteins to have an optimal pH slightly below Also shown.   The following examples are intended to be illustrative, as are certain aspects of the present invention. It is illustrated and is not intended to be limiting. Normal techniques in the art Have many equivalents to the invention beyond the scope of routine experimentation. You will understand what can be done. Embodiment 1 FIG. Isolation and propagation of thermophilic microorganisms   Strain-Therms T351 (ATCC 31677) is American Type Cal Available from the Char Center (ATCC). All isolates and cultures Grow in TT medium (36). This medium (per liter) is Puton (8 gm), Difco East Ixtrak (Difco Yeas) t Extract) (4 gm), and NaCl (2 gm). Screen Small cultures at 65 ° C. 250-300 rpm in 1 liter medium in 2 liter flask Lengthen. Larger cell production for enzyme purification requires a 17 liter fermentor (LH Fermentation, Model 20 Grow within the 00 series 1). These fermenters have an effective volume of 15 liters Cultures in TT broth at 250 rpm, 0.3-0.5 vv m (air volume / medium volume per minute) at 65 ° C. The temperature is 28 liters Circulate 56 ° C water from 65 ° C water tank through hollow baffle in stirring jar Maintain by doing. E. coli strains are grown as described in (37).   New and improved thermophile enrichment procedure-sediment and soil samples comprising organic matter Is used for isolation of a new strain. These samples are located on many lands in the midwest to southeast. Collect from. Samples (〜1 gm) were suspended in 2 ml of TT broth and TT agar plate containing 50-100 μl of the mixture twice the normal volume of agar (3%) Apply to. Agar is usually added to solid media to a final concentration of 1.5%. This This allows very motile microorganisms to crowd plates at the expense of other microorganisms It is escaped from being made. Plates are incubated at 55-65 ° C for 1-2 days. Bait and isolate, then place on a fresh plate to isolate a single colony Purify by re-streaking multiple times. Initial criteria for sorting are color, colony morphology , Microscopy, growth temperature, and lipase and esterase activity. First, Hundreds of strains were isolated. Sixty-five different microorganisms were selected for further study. Embodiment 2. FIG. Esterase identification and assay method   Esterase plate assay-microbes were cultured in liquid culture using TT medium Grow at either ° C or 65 ° C. Centrifuge cells (3,000 RPM at 2 0 min) and save the supernatant for testing. 2 volumes of pellets Of the cell pellet after washing three times with 10 mM Tris HCl pH 8.0. Is resuspended in fresh Tris buffer and disrupted by sonication. Cell debris Was removed by centrifugation and the crude extract was subjected to esterase activity as shown in FIG. Was tested. Both cell extracts and culture supernatants can be treated with Test for activity. Only cell extracts showed significant esterase activity.   Esterase liquid assay and determination of specific activity-bovine serum algal concentration is determined Determine protein concentration by Pierce BCA assay using Bumin as standard . The protein concentration was obtained from the calibrated absorbance at 562 nm of the sample solution, In milligrams. Esterase activity was equilibrated at 40 ° C and 346 Observed at nm (iso-absorption point of acid / carboxylate pair ε = 4800), 50 m P-Nitrophenylpropriate in M sodium phosphate buffer pH 7.0 Onoate (0.5 M from a 10 mM stock dissolved in CH3CN) It is routinely measured by determining the ratio. Specific activity was equivalent to milligrams of total protein Of p-nitrophenol produced in micrograms per minute You.   Identification of extremely stable esterases-native (non-denatured) 10% polyacylase Run the crude extract on a rilamide gel. Subsequently, these gels were treated with 5-bromo- 4 -Chloro-3-indolyl acetate (X-acetate), 5-bromo-4-octane Loro-3-indolyl butyrate (X-butyrate) or 5-bromo-4-chloro B-3 Esthetics containing any of indolyl caprylate (X-caprylate) It can be stained with an enzyme activity stain to produce an indigo precipitate. Therms The crude extract clearly showed two major bands in those lanes. colon A single small band of activity is seen in the bacterial control lane. Esterase is Therms T 351 and several new isolates. These microorganisms The activities found therefrom are summarized in Table 1.Embodiment 3 FIG. Procedure for purifying and homogenizing esterase activity   Protein Isolation--Generate large batch cell cultures by the method described in Example 1. Allow to grow and collect cell paste by centrifugation and store at -80 ° C. 100g The cell paste was prepared at pH 7.0 with 200 mM KCl and 0.1 mM EDTA. Thaw in 200 ml of stirring solution comprising 5 mM phosphate buffer of 5 . Once dissolved, the suspension was warmed to room temperature and then lysozyme (0.1 mg / ml ) For 2 hours. Next, the solution is sonicated to completely destroy the cells. 375 watt Sonics & Materials Bibra with standard 1/4 "horn Cell (Sonics & Materials Vibra Cell) Ultrasound The setting used in the processor was an output setting of a destruction degree of 8 at a pulse ratio of 50% for 5 minutes. . Alternative methods of cell destruction include French press, Gaullen e Processing cells with a homogenizer, microfluidizer, or other homogenizer May be included. Cell debris is removed by centrifugation and NH to 60% saturation.FourSOFourMinute The protein can be precipitated by the fractionation. Centrifuge the precipitated protein, Minimum volume of 50 mM phosphate containing 1 mM β-mercaptoethanol (BME) Resuspend at pH 6.5.   DEAE purification-The protein solution was suspended using a 10 Kd pore size dialysis tubing system. Dialyze three times against turbidity buffer. The obtained protein solution is 100 ml bed volume DEAE column diluted 2-fold and equilibrated with the same buffer To After washing the column with 200 ml of equilibration buffer, Elute with a linear gradient of 0.5 M NaCl.   Q resin purification-activity isolated by DEAE purification Pool the sexual fractions and exchange this buffer three times against the equilibration buffer. Dialysate, and the dialysate is equilibrated with the above buffer to a 50 ml bed volume It was applied to the resin Q resin. The column contains 0.1 M KCl and 1 mM BME. Wash with 100 ml of 50 mM phosphate pH 6.5, then add Elute with 150 ml of added 0.1 M to 0.6 M KCl gradient.   Ultrafiltration concentration-pool the active fractions and attach a 30 kd cut-off membrane Using the Amicon Ultrafiltration System Concentrate.   Separated SDS-PAGE-Concentrated protein solution is transferred to standard SDS introduction buffer Using a gel, guide the sample to a 10% SDS-PAGE gel for separation without boiling. Enter. After development, 0.1 M phosphate pH 7.5 and 0.1 mg / ml Gels were treated with 0.7% agarose containing lomo-4-chloro-indolyl acetate Manage. The resulting blue band was cut out of the gel, placed in a dialysis tubing, and treated with 0.05M Recover protein by electroelution for 1 hour in Tris buffer pH 8.5 . Native and SDS-PAGE stained with either Coomassie or silver stain At this stage, the protein is uniformly purified, as observed by both. The protein can be stored at 4 ° C. for future use.   Gel filtration-using a gel filtration column as a further or alternative purification step You can also. Embodiment 4. FIG. Commercial grade purification of isolated esterases   In many industrial applications, the cost A purified enzyme preparation is neither required nor desired. Meaningful d Tans of interest in isolated form to contain proteins with sterase activity A quick and inexpensive protocol for producing protein is desired. Of such semi-purified procedures One is described here. 50 g of cell paste is added to 0.1 M NaCl and 0.0 6. 100 ml of 50 mM Tris HCl buffer containing 1 mM EDTA pH7. Thaw in 5. Break cells by sonication and remove cell debris by centrifugation You. The crude cell lysate was diluted 3-fold with 50 mM Tris-HCl pH 7.5. A DEAE cellulose column (bed volume 6) equilibrated with this material with dilution buffer. 0 ml). The column is filled with 3 column volumes of dilution buffer, then 4 columns. Wash with a salt gradient of 0-0.5M NaCl over the whole volume. The active fraction is Elution from the on-exchange resin into a 0.25-0.35M salt gradient window. Fraction Were assayed for activity as described in the determination of specific activity and showed the highest activity. Pool and pool for ultrafiltration using a 10Kd molecular weight cut-off membrane More concentrated. Store the concentrated enzyme sample at 4 ° C. for future use. In case Thus, a substrate agarose overlay of proteins separated by native PAGE More than one ester hydrolytic activity is still detected under prolonged exposure to Which is not an obstacle for most industrial applications. Shows a small amount of secondary esterase activity. If necessary, further purification (eg, Ammonium sulfate precipitation, gel filtration or other methods described in Example 3) can do. This process can be scaled up or scaled up as desired. It is also possible to call-down. Embodiment 5 FIG. Method for determining the temperature profile   The outline of the optimal temperature of the esterase protein is 30 ° C, 35 ° C, and 45 ° C, respectively. 0.1M sodium phosphate buffer equilibrated for 5 minutes at 55 ° C, 55 ° C and 65 ° C It is achieved by measuring the activity of esterase diluted at pH 7.0. So After that, in Example 2 (modified at the various temperatures used in this example) Added to this equilibration solution under the reaction conditions described for the measurement of specific activity By measuring the rate of hydrolysis of the p-nitrophenyl proprionate Determine the temperature summary. Enables correction of temperature-dependent autohydrolysis of the substrate Use a control reaction with bovine serum albumin instead of the esterase enzyme. You. The data is then plotted as a relative activity against the temperature of the reaction. Embodiment 6 FIG. Methods for determining enzyme stability   The long-term stability of the esterase enzyme as an enzyme after exposure to various temperatures Evaluate by testing for residual activity. Enzyme stock solution at 0.1 M phosphorus Dilute with sodium acid buffer pH 7.0 to avoid concentration effects due to evaporation Equilibrated to 25 ° C, 40 ° C or 60 ° C, respectively, under sealed conditions Put in a temperature bath. Thereafter, aliquots are removed at regular intervals and By measuring the rate of hydrolysis of p-nitrophenyl proprionate, Determine the remaining activity. Results are plotted against time as relative activities . These results (see FIG. 4) are based on exposure to temperatures up to and including 40 ° C. Show that all enzymes retain most of their initial activity for at least 48 hours. Activity Properties are particularly relevant for enzymes isolated from microorganisms with optimal growth temperatures near 55 ° C. Decreases at 60 ° C. Embodiment 7 FIG. Method for determining pH overview   An overview of the esterase pH is determined as follows. Determination of specific activity in Example 2 Under reaction conditions similar to those described for Using a buffer with a broad useful pH window that overlaps the Determine the rate of hydrolysis of trophenylproprionate. Of these experiments Therefore, two kinds of buffers satisfying the above criteria, female (a useful range of 6-6.5) and Bis-trispropane (useful buffer range 6.5-9) was selected. All p The H test was based on experimental control using bovine serum albumin instead of esterase. The result was subtracted to correct for spontaneous autohydrolysis. This control data Processing becomes particularly important for pH above 7.5. Embodiment 8 FIG. Effect of solvent on esterase activity.   In industrial applications for biocatalysts, enzymes are often not It is required to function under severe conditions. Exposure to temperature rise and pH fluctuations Is a potential challenge to the activity of enzymes, but as a substrate target for biocatalysts Lack of water solubility of many compounds that can be useful is a major challenge for industrial organic chemists is there. Organic co-solvents are commonly used in reactions, and isolated enzymes Must be able to survive under the conditions of the co-solvent. Various organic solvents, For example, ethanol, acetonitrile, dimethylformamide, dioxane, toluene Ruene, hexane and SDS, Triton X100 and The experiment is performed in the presence of a detergent such as Tween 20. In addition, the isolated enzyme Activity was determined under near anhydrous solvent conditions and lyophilization of the isolated enzyme from buffer. Further experiments testing at a suitably active pH are also performed. Embodiment 9 FIG. Methods for protein characterization by migration on native PAGE   The number of esterase enzymes in each of the semi-purified samples was determined by 4-15% acrylamide gradient (Bio- Native gel PAGE using preformed gel purchased from Rad Laboratories) To decide from. The gel shows traces of contamination with other enzymes, which are Indolyl acetate not easily detectable by HPLC due to dilution effects The hydrolysis of the salt is possible. It is clear from this gel experiment that most samples Has a single major activity with migratory properties similar to those shown in FIG. That is. Embodiment 10 FIG. Determination of relative molecular weight by chromatography   The estimated native molecular weight of the protein of interest was determined by Hitachi HPLC 6200 (Pharmacia) Superdex (Supe) rdex) Determined by separation on a S200 FPLC column. protein With a 0.05 M sodium phosphate buffer, pH 7.0, containing 0.1 M NaCl. Separated by isocratic elution on The flow rate of the solvent is 0.5 ml / The protein was detected by UV at 280 nm. Esterase activity The fraction is first In the mo-3-chloro-3-indolyl acetate plate assay, the next most active The fraction was analyzed by a follow-up assay by hydrolysis of p-nitrophenyl proprionate. (Both methods are described in Example 2). The molecular weight is Protein: β-amylase 200Kd, alcohol dehydrogenase 150Kd, c Cysteine albumin 66Kd, carbonic anhydrase 29Kd, cytochrome c12.3K d (using a logarithm of the molecular weight versus time expressed in minutes). Estimated by comparison to a standard elution profile (lotted). Embodiment 11 FIG. Characterization of substrate specificity   Enzyme substrate priorities for hydrolysis activity on various esters are as follows: Can be determined. Each of the substrates is CHThreeDissolve in CN (final concentration 0.1 M), by mixing with 0.1 M phosphate buffer pH 7.5. Prepare a lattice of molecules on the interplate. The partially purified enzyme is then Add to these wells and incubate the reaction mixture for 30 minutes. Crude melting Demolition can also be tested in this way. Remove the plate after 10, 20 and 30 minutes Check to determine relative activity. For experiments with colorless substrates, dilute the reaction. Except for three extractions with chloromethane, except as described for colored substrates The reaction is performed in a test tube under the same conditions. Combine the organic layers and add MgSOFourDry with Allow to concentrate to 0.1 ml in a stream of nitrogen. Next, this concentrate is applied to silica gel T Spot on LC plate, 80: 20: 0.01 Hexane: Ethyl A Tell: develop with a solvent mixture of acetic acid. UV and I TLC platesTwoVisualize with You. Embodiment 12 FIG. Rapid screening assays for rapid substrate specificity characterization   Release of hydrogen ions during ester hydrolysis lowers the pH of the system. Rapid screening for esterase activity based on the mechanism of the medium hydrolysis reaction Therefore, a new method was developed. The flow of hydrogen ions in the reaction depends on the enzyme activity. Observed by using an indicator dye that has an enzyme-dependent color change within the desired pH range can do. The best indicators tested work best at slightly elevated pH Phenol red (starting point pH 8.5) for the more neutral enzyme For enzymes that work well under the conditions, bromothymol blue (starting point pH 7.2) ).   The response of the indicator is observed in one of two ways. Spectroscopic studies are different Phenol red or bromothymol dissolved at a concentration of 5 mM in a pH buffer By measuring the UV / visible maximum of any 0.001% solution of blue Do. Next, the substrate (final concentration 0.1 mM) was added to a 5 mM buffer solution (bromothymo Sodium phosphate pH 7.2, phenol red finger For the indicator, add sodium borate pH 8.5) and raise the temperature to 25 ° C for 5 minutes. Equilibrate and then start the reaction by adding 0.1 U of target enzyme. And a hydrolysis reaction is carried out.   Alternative methods for monitoring hydrolysis reactions are useful in a wide variety of screening applications is there. CH such that 0.001% indicator dye and less than 10% organic solvent compositionThree Stir 5 mM buffer containing substrate dissolved in CN, DMF or DMSO 2 Add to 4-well microtiter tray I can. After equilibrating the temperature at 25 ° C. for 5 minutes, 0.1 U of esterase is added. To initiate the reaction. Monitor the progress of the reaction by changing the color of the solution. When changes occur, an aliquot of NaOH is added to return the color of the reaction to the starting point. If no further color change is detected after prolonged incubation The reaction is determined to be complete. TL of reaction acidified with 0.1 M HCl The product formation was confirmed by C analysis and extracted with ethyl acetate toTwoSOFourDried in Let NTwoConcentrate under stream. Enzyme-based chiral degradation has been screened For testing of different substrates, the products are separated and isolated by chiral phase HPLC, The enantiomeric purity is determined by integrating the peak areas of the isomers.   A rapid assay for various hydrolytic activities, in this case esterases, is Determined in experiments in microtiter plates using different enzymes and substrates You. Hydrolysis of total protein and the normal substrate p-nitrophenylproprionate By using the same specific activity for each enzyme determined from the initial solution ratio, Accurate comparison of enzymes sold can be guaranteed. The data is for a given indicator dye. Is recorded as the time required to visualize the pH-dependent color change. BSA In the control experiment using as a protein source, the color of the indicator did not change, It is established that the change in H is the result of enzyme-catalyzed hydrolysis. Enzymes and indicators A control test of the reaction solution with and without substrate shows a It was established that this was not the result of the salt or enzyme alone.   Is the format of the microtiter plate acceptable for small-scale preparative chemistry? The research performed to determine whether this is done is as follows. Racemic phene Chilua The reaction was carried out using acetate and porcine liver esterase and 0.1N NaOH Keep the original color of the solution until titration with aliquots no longer causes a color change When the color change no longer occurs, the reaction is stopped. The product is isolated by TLC And confirm the extent of the reaction by comparing the total amount of base added. Flash mosquito By column chromatography and then by chiral phase HPLC, The tyl alcohol is separated from the starting acetyl ester. Water content from peak integration The enantiomeric excess of the digest was determined and performed in the absence of the indicator dye Compare with the same reaction. The results from these experiments indicate that the It has no effect on the stereospecificity of esterase-catalyzed degradation of phenethyl acetate And suggest.   To test for utility in broad-based enzyme screening methods, Seven types of microorganisms isolated from various sources in the environment were transformed into groups of structurally diverse compounds. They were tested for their ability to produce enzymes that catalyze hydrolysis. Table 2 shows this The results of these studies are shown.Embodiment 13 FIG. Further characterization of substrate specificity   Shown in FIG. 10 are the substrates that can be tested for the activity of each enzyme. It is an example. Because of their importance as intermediates, these molecules are Specially selected in the literature with the potential for industrial use . Experiments were performed on the crude lysate, or its activity could include substrate preference and stereochemistry. If it is known to quickly determine the reaction chemistry, Can be carried out using the extracted protein. All structure activity tests were performed on pig liver Compare with a standard mesophilic biocatalyst such as esterase. Reaction is analyzed by TLC Observe and purchase the product from commercial sources or use chemical means (eg, (Base-catalyzed hydrolysis of ter).   The study of stereochemical priority by each esterase is one of two approaches. Therefore, it can be evaluated. In the first method, commercially available enantiomerically pure The standard single stereoisomer of a novel substrate ester is hydrolyzed with each enzyme and the enantiomer is added. The relative ratio of water splitting is used as a diagnostic qualitative determinant of potential chiral selectivity. In the second method, molecules that cannot be purchased as a single stereoisomer Using a kinetic cracking method (generally performing the reaction to less than 50% completion) Hydrolyze as a mixture. The reaction product was isolated and purified by chiral phase HPLC (de Diacel Chiralcel OD or OB ) Or the product is a Mosher derivative (alcohol product) or Prepared by derivatization to a menthyl derivative (carboxylate product) Of their corresponding diastereomers by 1H NMR their enantiomeric excess (ee) About And analyze. The ratio of diastereomers determined from the NMR spectra corresponds to Based on the integral of the peak, Compare with any of the standards obtained from commercial sources using the FT reagent. Then raw The optical rotation and absolute configuration of the product are determined by optical rotation analysis and the value or quotient found in the literature. Compare with values determined from standards obtained from industrial suppliers. Embodiment 14 FIG. Characterization of protein E001-E021 / 17b   Strains from the identified sources listed in Table 1 were identified as TT as described in Example 1. Isolated by growth at 65 ° C. in media (ie, Sl etc). Esterase hydrolysis specific activity was identified by the method described in Example 2, Assign identifiers to the isolated esterase proteins as listed in Table 1. (Ie, E001 etc.). To prepare the enzyme, a 15 liter culture of the isolate The nutrients are grown and the cells are spun down and collected as described in Example 1. The cells were lysed and the isolated preparation was prepared according to the procedure outlined in Example 4. Purified. This protein was used to determine the temperature profile in Example 5, Example 6 to determine the stability of the protein, and to determine the pH overview Characterized using the method described in Example 7. The results are shown in FIG. . This protein was used for migration on native gradient PAGE as described in Example 9. Therefore characterized. The data is shown in FIG. As described in Example 2 The specific activity was determined and analyzed by chromatography as described in Example 10. The amount of offspring was determined. They are shown in Table 1. Substrate specificity of some proteins The properties are shown and are shown in Table 2. Thus, identified and characterized Esterases are useful and have unique activities in commercially useful purity It is shown to be. The definitive results are summarized in Table 10. Embodiment 15 FIG. Characterization of E100   Purification of E100-E100 was described in Example 3 from Therms species T351. A series of four steps: DEAE purification, Q resin purification, ultraconcentration, and separation SDS P Purify 300 times by AGE. Because the second esterase activity was present (E101), the specific activity could not be measured in the crude lysate. this The second activity is completely removed from the target esterase during the first chromatography step. It was possible to remove it. In this chromatography step, the second step The sterase passed through the DEAE column without binding. Various technical grays In order to purify E100 of DEAD, DEAE purification alone is required from all other contaminating activities. Sufficient to obtain substantially purified E100. Q resin purification and ultrafiltration Enables the production of purer products according to the requirements of a particular application I do. The final SDS PAGE purification step involves the use of proteins to characterize the molecule. It allows the quality to be uniformly purified.   Protein characterization-separation of active bands electroelution on SDS-PAGE gel And return to 10% SDS-PAGE under denaturing conditions. As a result, A single band with a relative molecular weight of 45 Kd is shown (FIG. 5). Unboiled sample By running on the same SDS-PAGE gel, the approximate proposed monomer fraction Child A plurality of bands are shown at the increased positions. In addition, this non-boiled sample But can be stained, but are compatible with multimeric forms of the enzyme, starting with dimeric species. Only relevant bands are found to retain activity. Purified protein ratio The activity was determined using 4-methyl-umbelliferyl-butyrate (MUB) as a substrate. About 3.2X10-6M minutes-1mg-1It is.   Measurement of enzyme activity of E100-p-nitrophenylpropionate (pNP) , Or, in some cases, the hydrolysis of MUB Measure activity. Each substrate is dissolved in acetonitrile and the temperature-dependent pH change To a reaction mixture containing 50 mM Tris HCl pH 8.5 adjusted for kinetics. (Final concentration 100 μM). After thermally equilibrating the reaction at 37 ° C. for 5 minutes, The reaction was started by adding 10 μL of enzyme sample, whereas the control was In the reaction, an equivalent amount of BSA was used instead. This reaction was performed for 405 nPNP. m ε = 17 mM-1cm-1For MUB, 360 nm ε = 7.9 mM-1 cm-1And observe spectrophotometrically.   The rate of enzyme-catalyzed hydrolysis is corrected for spontaneous hydrolysis of the substrate. Protein The concentration of the substance was determined by either the absorbance at 280 nm or the Lowry test. Determined by Approximate activity is 0.7% agar on a microtiter plate. Of 5-bromo-4-chloro-3-indolyl ester suspended in a matrix Determined by a colorimetric assay based on hydrolysis. 0.1mg of this indolyl derivative / Ml solution in a minimum volume of acetonitrile and 0.1M phosphate buffer p Add to a warm solution of 0.7% agar containing H7.5. 10 μL of this solution is cooled Can be used with as much as 100 μL of enzyme sample if rejected Dispense into titer plates and incubate at ambient or> 65 ° C You.   E100 is effectively inhibited when exposed to tosyl fluoride; It is not affected by the presence of either a stimulating agent or a reducing molecule (Table 3). ).   The reaction conditions were the same as in the general experiment above, except that the specified components were added. Is explained. The relative ratio is based on the ratio of spontaneous hydrolysis of non-catalytic reactions. Has been corrected.   Substrate specificity of E100-Substrate specificity was tested as outlined by Example 11. And the results from this structure activity experiment for E100 are summarized in Table 4. E100 contains many nitrophenyls, cumaryls and Shows a broad substrate specificity that catalyzes the hydrolysis of thiolester. This enzyme is Shows hydrolytic activity towards both the straight and aromatic moieties on the carboxylate side, ,> Also include a carboxylate R group or a naphthyl leaving group of a long alkyl chain of C8. Is not a substrate. This enzyme is assayed by the zona pellucida on the agar plate. As such, it does not show significant activity toward either casein or milk.  Substrate activity assay for esterase E100 partially purified from the species of Therms. (++) (a) color formation in less than 10 minutes or (b) significant product formation on TLC Best activity determined by. The measurement of the remaining activity was +> +/−> −> −− Continue in order. Structure abbreviations are as follows: I, chloro-bromo-indolyl, N, a-naphthyl, U, methylumbelliferyl, pN, p-nitrophenyl, oN, o-nitrophenyl, PA, phenylacetate.   Determination of kinetic characteristics-The kinetic characteristics are based on the enzyme nitrophenylproprionate. Determined by measuring the concentration dependent initial ratio of elemental catalyzed hydrolysis. The reaction is p H8.5 in 50 mM Tris-HCl buffer equilibrated to 37 ° C. It is started by adding nitrogen. 40 due to the formation of product nitrophenol The ratio is determined from the change in absorbance at 5 nm. The ratio of the spontaneous Correct for mechanical hydrolysis. Double reciprocal plots and concentration Analyzed by both Hanes Wolff plots, K Determine m, Vmax and Vmax / Km. Plot of initial ratio of hydrolysis reaction The kinetic characteristics of E100 determined from are shown in FIG.   Summary of the temperature of E100 and determination of the optimum pH-a summary of the temperature of this enzyme is given in FIG. Decide as shown. The activity of the enzyme increases with increasing temperature of the reaction. C (background signal due to substrate auto-hydrolysis becomes very large (It can no longer be corrected). This suggests that the lower limit of the optimal activity of E100 is above 70 ° C. E100 is It was observed that the lower limit of optimal activity, the limit of substrate stability at 37 ° C., was about 9.0. An overview of the basic pH is shown (FIG. 7b).   Determination of enzyme stability in the presence of organic solvents-polar aprotic co-solvent E100 is resistant to organic solvent compositions using acetonitrile as a reserve system Test for The enzyme is present in a solvent mixture of 20% by volume organic co-solvent. Retained 50% of the activity (FIG. 8).   N-terminal sequence of E100-purified protein on 10% SDS-PAGE gel After pouring into an electric blotte Transfer to PVDF membrane by ringing. Several times of double distilled water from the membrane Replace and wash to remove residual SDS or other contaminants, then remove -Stain with blue. Next, the membrane was washed with 50:40:10 MeOH: HTwoO: Destain using several changes of AcOH, then wash once with 10% MeOH . Thereafter, the membrane is air dried and then subjected to sequencing. N-terminal of E100 The sequence was determined at the University of Illinois at Urbana Plain Genetic Engineering Facility.   The N-terminus of E100 was purified by 10% SDS-PAGE and applied to a PVDF support. The transferred polypeptide was determined by automated sequencing. The sequence obtained is: MKLL EWLK? EV, where each letter refers to the standard amino acid one-letter code, "?" Indicates an undefined amino acid. Thus, E100 is commercially viable in pure purity. It has been shown to be a useful esterase with its own activity. Embodiment 16 FIG. Characterization of E101   E101 is one of the two esterase activities isolated from Thermus T351. It is one of. E101 is the second esterase, E10, in the early purification step. 0 can be purified.   Purification of E101-Therms T35 prepared as described in Examples 1 and 2 One supernatant was fractionated with NH4OH and the precipitated protein was collected at 20-60% saturation. Gather. The pellet is washed with 30 ml of buffer (50 mM Tris-HCl pH8. 0, 1 mM BME) and the same buffer using a 30 Kd cut-off dialysis tubing. Dialyze the buffer. The dialysate was applied to a 100 ml bed equilibrated with the above buffer. Volume of DEAE resin introduced into the column Is washed with 150 l of equilibration buffer. Active protein introduced and washed fraction Amicon concentrator with pooled YM30 membrane Concentrate using. Then, the concentrated protein is equilibrated with the above buffer. Directly into a 25 ml bed volume of Sepharose SP resin. Active fraction introduced and As it appears in the wash fraction, it is pooled and concentrated as described above. Then the concentrate To a Sephacryl HR200 gel filtration column (1 × 40 cm) and collect 0.5 ml fractions at a flow rate of 2 ml / h. Active fraction Collect and analyze by SDS-PAGE. To perform N-terminal sequencing, Concentrate fractions that are considered to be submitted to the Protein Sequencing Service Center . Store this enzyme at 4 ° C. for future use.   E101 can be purified more than 35-fold by these methods. Has a dramatically different characteristic from E100, another esterase isolated from a strain of I do. Attempts to use ion exchange chromatography resulted in negative purification. this Is because there was no fact that the protein was retained. The tested resin had a pH It varies from 6.0 to 9.0 and ranges from phosphates including Tris and Hepes to borates. , Q Sepharose, CM cellulose, SP under buffer conditions Sepharose and hydroxyapatite are included. After two ion exchange steps The protein is purified to homogeneity by gel filtration chromatography. However However, because the retention is much longer than suggested by the molecular weight, this protein The quality appears to be interacting with the column. Native and denatured SDS respectively -As determined from PAGE, the molecular weight of this protein is about 135 Kd, ~ 3 5Kd It appears to have monomer mass (Figure 9).   Characteristics of E101-Specific activity of this enzyme is 4-methyl-umbelliferyl butyrate Plate (MUB) was used as a substrate and was 1% higher than that observed for E100. 0 times higher. E101 is inhibited by PMSF; Insensitive to chelating agents. The specific activity of the purified protein is 3.2 × 10-FiveMo Le minutes-1mg-1Which is a methyl umbelliferyl butyrate It was determined from the initial ratio of hydrolysis using the rate as a substrate. Table 5 shows E100 1 provides a summary of the inhibitory effects of various substrates on activity.   The reaction conditions were as described in the general experiment above, except that the specified compounds were added. It is explained in. Relative ratios are based on the spontaneous rate of noncatalytic hydrolysis. Has been corrected.   Substrate specificity of E101-The substrate specificity of E101 is as described in Example 11. Was decided. The results from the structure activity experiments for this E101 are shown in Table 6. I have. The hydrolysis activity of this enzyme is similar to that observed for E100, There is no observable protease activity towards luc or casein.   Substrate activity assay for esterase E101 partially purified from the species of Therms. (++) (a) color formation in less than 10 minutes or (b) significant product formation on TLC Best activity determined by. The measurement of the remaining activity was +> +/−> −> −− Continue in order. Structure abbreviations are as follows: I, chloro-bromo-indolyl, N, a-naphthyl, U, methylumbelliferyl, pN, p-nitrophenyl, oN, o-nitrophenyl, PA, phenylacetate.   Thus, E101 is a useful ester having unique activity with commercially useful purity. It has been shown to be a Terase. Embodiment 17 FIG. Esterase cloning   General cloning strategy-Stratagene ™ ) Was used to construct a library and assay for esterase activity. Can be used for exit. Similar results can be obtained with other cloning systems. Wear. The usual efficiency of cloning in λ vectors is equivalent to mg of cloned DNA. Rari hybrid clone 10FiveOr 107Individual, which is the normal amount of size Sufficient to generate a representative gene library from selected chromosomal DNA fragments It is. We have determined that esterase activity in phage plaques Contrary to Ronnie, it is more efficient because the substrate is more accessible to the enzyme. Heading. Phages generally respond to the toxic effects of the cloned protein. It is less sensitive and can survive at temperatures up to 70 ° C. Temperature rise & The ability of the cloning system to withstand the potential toxicity of the cloned protein is described herein. Is required to detect the activity of thermophilic proteins such as esterases described in .   Isolation of DNA to construct a gene bank-as described in Example 1 Genomic DNA is prepared from a culture of the appropriate strain containing the esterase of interest. The cells of the different lines were mixed with 100 ml of TT broth (polypeptone per liter (B BL11910) 8g, yeast extract 4g, NaCl 2g) at 55 ° C or Shaking at 65 RPM overnight at 250 RPM until late log phase Let it grow. The cells are collected by centrifugation and the pellet is dissolved in 5 ml of lysis buffer. (10 mM Tris-HCl, pH 7.0, 1 mM EDTA, and 10 mM N aCl). Lysozyme is added to a final concentration of 2 mg / ml. After incubating the cells at 37 ° C. for 15 minutes, SDS is added to 1%. So Of phenol / chloroform / isoamyl alcohol (25/24/1 ) And gently extract three times, and overlay the aqueous phase with 95% ethanol. Wind up the DNA.   Those of ordinary skill in the art will appreciate other methods for preparing DNA known in the art. (37). For example, fresh strains containing esterases of interest Colonies were inoculated into 50 ml of TT medium in a 250 ml Erlenmeyer flask and Lanswick Environmentalist Shaker (New Brunswi ck Environmental Shaker) at 55 ° C for 24 hours. Incubate at 200 rpm for hours. Centrifuge at 3000g for 15 minutes And collect the cells with 5 ml of GTE buffer (50 mM glucose, 25 mM M Tris-HCl pH 8, 10 mM EDTA) and 2 mg / ml With lysozyme at 37 ° C. for 10 minutes. Lysozyme-producing spheropla The lysate was dissolved by adding 1% SDS and 100 μg / ml protein was added. The protein is partially deproteinized by adding Kosease at 24 ° C. for 10 minutes. H The chromosomal DNA was further purified by three extractions with phenol / chloroform. Precipitated with 2.5 volumes of ethanol and washed with 20 ml of 75% ethanol Then resuspend in 1 ml TE (10 mM Tris pH 8.0; 1 mM EDTA) You. The extracted fractions are larger than 50Kb Consisting of DNA fragments at a concentration of 10 V / c using a 0.7% agarose gel. of about 0.5 ng / μl as detected by gel electrophoresis running at 4 m for 4 hours.   Construction of gene library-Genomic DNA is partially digested with restriction enzyme Sau3A Lambda ZAP Express (Lambda ZAP E) xpress) (Stratagene Cloning System) . The product of the ligation reaction was purchased from Promega using λ Pack in vitro with the packaging extract. This vector is length Contains up to 12 kb of DNA, expresses T3 and T7 promoters and Clone identification by both probe hybridization . This library is retained and screened for esterase activity.   Five samples of 10 μg of each chromosomal DNA of the strain prepared as described above were Different concentrations of Sau3A restriction endonuclease (New England Bio Manufacturers' instructions using New England BioLabs For 30 minutes at 37 ° C. in a volume of 50 μl each. Sau3A concentration Varies from 0.1 u to 0.002 u / μg of digested DNA in separate tubes . The reaction was stopped by inactivating the endonuclease at 70 ° C for 10 minutes. Stop and allow gel electrophoresis on a 0.7% agarose gel running at 10 V / cm for 4 hours. Analyze more (a typical digestion pattern is obtained, data not shown). 5 kb The fraction with the average fragment size is selected for cloning. E001, E00 2, E003, E006, E007, E008, E009, E010, E012 , Including E016, E020 For the strain, stain stained with Sau3A at a concentration of about 0.02 u / μg DNA There are a second five samples of body DNA. For the remaining strains, 0.1 u / DN Adequate partial digestion in a first tube containing μg Sau3A of A To achieve. 50 ng of the chromosomal DNA fragment was ligated with an equimolar amount of lambda ZAP phage vector. Using the dephosphorylated BamHI-arm of the Ligate in 5 μl containing gauze (New England Biolabs) You. The ligation reaction is performed at 18 ° C for 8 hours, and then heat-inactivated at 70 ° C for 10 minutes. And stop it. This ligation containing about 10 ng of DNA insert 1 μl of the reaction was transferred to a 10 μl lambda prohead (Promega) Used for in vitro packing. Perform a packing reaction at 28 ° C for 90 minutes. Combine with 100 μl of the XL1 blue overnight culture and add 2 ml of 0.7 per plate. The LB medium was collected using the upper layer agar (0.8% NaCl, 10 mM MgSO4). Apply to 5 90 mm Petri dishes containing. This is used to determine cloning efficiency. Make a serial dilution of the packing mixture. Cloning efficiency is generally about 1.0. X107Individual hybrid phage / μg of cloned DNA. Of individual strains The cloning efficiency of each varies, and the size of the resulting library ranges from 0.5 to 2.5X10FiveWas within the range. From this, 2 to 12 positive clones were separated. (Data not shown). Plate to collect amplified library Hybrid phages were collected from one and 3 ml of L containing 25% glycerol. Store in medium B. Connect the other four primary plates to the 5-bub as described below. Lomo-4-chloro-3-indolyl-acetate (X-acetate) The hybrid plaque containing the esterase gene was treated with the indicated agar containing Find out.   Screening of gene banks for esterase activity-above packing The products of the reaction are infected into E. coli XL1 Blue MRF (Stratagene). Non Primary plaques of the amplified gene library were placed on the plates using X-acetate. Cover with an upper layer of agar containing 65 ° C for 30 minutes at Clean. The concentration of the substrate in this indicator overlay may be ethanol or N From a 4% stock in N, dimethylformamide, generally 0.1% in the final solution. Dilute to 1% (usually about 0.4% is used). Add another suitable substrate. Can be used instead, including 5-bromo-4- Chloro-3-indolyl-butyrate (X-butyrate), 5-bromo-4-c Rollo-3-indolyl-proprionate (X-proprionate), 5-bromo Mo-4-chloro-3-indolyl-stearate (X-stearate), Chillumbelliferyl-acetate (MUA), 4-methylumbelliferyl- Butyrate (MUB), 4-methylumbelliferyl-propionate (MU P) or synthetically purchased from commercial sources such as Sigma Chemical Co. 5-bromo-4-chloro-3-indolyl- or 4-meth Includes, but is not limited to, tilumbelliferyl-ester . For inactivating background exogenous esterase activity from Escherichia coli Preheat plate at 65 ° C. for 20 minutes. Hybrids that survived this procedure Pick up the phage and rescreen three times. Next, the extract is Same mobility as denatured protein Will be analyzed for the presence of a protein band with The lambda ZAP cloning system cuts out smaller plasmid vectors and imports them. Allows simplification of the characterization of the sart. About esterase activity Gene bank screening, ie, protein isolation, purification, and N- Terminal sequencing; generation of modified nucleotide probes from N-terminal sequences; Other methods can be used to screen gene banks using lobes. However, this method is efficient for the isolation of promising clones, Not suitable.   In particular, four plates with phage colonies generated during the cloning described above Rate to inactivate some potential E. coli esterase activity. Incubate at 5 ° C for 30 minutes. About 1 mg / ml of colorimetric esterase substrate X -Acetate or other substrates (X-butyrate, X-proprionate, X-stelate) Including but not limited to allate and 4-methylumbelliferyl based substrates 0.7% top agar (0.8% NaCl, 10 mM) MgSOFour) Approximately 2 ml is placed on each plate. Generation of cloned esterase Currently the blue halo around the phage colony (or 4-methylumbelliferyl) In the case of a substrate, it can be detected by a tendency halo. For example, strain isolation Expression pattern observed for a gene library derived from body 28 (E009) The pattern is shown in FIG. 11a. A typical result of this process is that the hybrid A 1: 3000 ratio of positive colonies to phage can occur.   Generally, 2 to 12 primary positive phage plaques are picked from each set of plates. And resuspend in 50 μL of LB medium Use a sterile piece of paper to streak and streak over E. coli XL1 Blue. You. These purified phage plaques were then transformed with X-acetate as described above. Covered with the indicated agar and positive plaques were selected as in the primary screening experiment. This 11b is shown in FIG. 11b. In general, perform three such purifications Is sufficient to generate pure hybrid clones that express esterase activity. is there. All of these clone candidates were used in the X-acetate plate assay. It shows the desired esterase activity. Each single primary phage plasmid from each strain Some candidate clones that represent the progeny of the worm are selected for further analysis.   Overview of the proteins produced by phage clones-these phage clones The production and analysis of protein from the protein is performed as follows, but alternatives are possible. You. A single plaque from each clone (10 mM MgSO4)FourThe presence of Resuspend in 20 μl of an overnight culture of E. coli XL1 blue (grown in LB medium underneath). Turbid and at 24 ° C. in one of the wells of a 96-well microtiter plate Incubate for 20 minutes to adsorb, 15 ml test tube containing 2 ml LB New Brunswick Environmental Alamey set at about 300 rpm Grow overnight at 37 ° C. in a dental shaking incubator. Fine Cell residue can be removed by centrifugation at 12,000 g for 10 minutes. Next, clones were cloned for comparison with the native protein purified from the original microorganism. These phage lysates were subjected to 4-15% gradient native polyacrylamide gel electrophoresis ( PAGE). Pre-formed gradient gel is used for Bio-Rad Laboratories (Catalo) 161-0902), Generation of the gels shown in FIGS. 12a-m according to the manufacturer's instructions for native gels Used for Original strain purified to a single protein band by HPLC Esterase preparation from is used as a control on the same gel. Or even Unpurified but purified to a single esterase activity Can be used as a control. Has esterase activity The protein band is applied for 5-20 minutes at room temperature with X-acetate overlay applied. It can be detected by incubating for minutes. Clone candidate relative Mobility can be compared to native esterase protein.   FIGS. 12a-z show the ES detected in lambda clones as compared to the host strain. Figure 4 shows the results of a typical comparison of the activity of the Terase. 107 highs from 20 strains The data obtained for the candidate brid clones are summarized in Table 7. School Each of the cleaned gene libraries contains proteins purified from the original strain At least a candidate clone expressing an esterase protein having a mobility of There is one. Some λ clone candidates are esterases purified from the original strain. Expresses an esterase activity having a mobility different from that of the main component of the sample. Beauty treatment A band of similar size with the activity of the enzyme is associated with minor components in native microorganisms. (Data not shown). Hydrolysis activity of these cloned esters The sexes are given the names shown in Table 7.   Excision of plasmid vector from phage-Lambda ZAP vector The large clone is conveniently converted to a plasmid vector and the DNA insert Good physical characterization and regulated expression of cloned genes Make reality possible. M1 by co-infection with helper phage 3-Multiple copies with cloned insert by introducing specific replication Excision of the plasmid occurs. (About 107Has colony forming units (CFU) 10 μl of phage stock of lambda hybrid and Exascist (Exas sis) M13 helper phage (about 10TenCFU) 1 μl in LB 20 μl of an overnight culture of E. coli XL1 blue grown in. At 24 ° C After 20 minutes, transfer the cell suspension to one of the wells of a 96-well microtiter plate. Transferred to a 15 ml culture tube, diluted with 2 ml of LB, and diluted at 37 ° C. and 300 rpm. Grow overnight, heat at 65 ° C for 10 minutes, and centrifuge at 3000 g for 20 minutes To clarify. The excised plasmid packed in M13 particles was Transduce lambda resistant strain XLOLR that does not allow the generation of 13 helper phage You. 10 μl of the lysed phage lysate was transferred to a 96-microtiter plate. Mix in one of the wells with 30 μl of an overnight culture of E. coli XLOLR strain, Incubate at 20 ° C. for 20 minutes to absorb, dilute with 100 μl LB, and Incubate at 7 ° C for 40 minutes to obtain a kanamycin (Km) resistant marker of the plasmid. Ker (neo) is expressed. Cells were harvested using two plates supplemented with 40 mg / ml Km. Apply to LB plate. One of these plates contains 50 μl of 4% X -Also include the acetate storage solution.   Preliminary experiments were performed by growing the plates at 37 ° C. Significant Phenotypic Segregation Occurs in Transfectant Escherichia coli Colonies Expressing Esterase To indicate In the extreme case of the CE020 strain, Estella is very active. Primary transformant expressing the protease activity Very few colonies from Ronnie do not express any esterase activity Could not re-strike. This isolation and identification of the plasmid containing the active clone Due to the apparent instability, a protocol to manipulate most esterase clones Col provides a standard protocol for plasmid excision as recommended by Stratagene. Modifications were needed compared to Kor. This instability is due to intracellularly expressed May be due to the function of the The sterase is derived from a thermophilic microorganism and may not be active at low temperatures. Ability to overcome this separation problem by lowering the growth temperature Was assumed.   Thus, overcoming the instability problem due to the activity of the esterase-containing plasmid To culture E. coli cells with thermophilic esterase at 28 ° C and 30 ° C Doing so results in less effective segregation of phenotypes. Thus, the cloning thermophile The activity of the sex esterase is lethal or partially lethal to the host cell. In some cases, the growth temperature of the strain should be reduced to 30 ° C., or even room temperature. is there. This is shown in FIG. Temperature increases clone phenotypic stability After deciding to make a difference, apply all plasmid-based clones. Further experiments are performed at 26 ° C., generally for 48 hours. Including X-acetate Escherichia coli cells are spread on a medium containing Detect the expression and degree of segregation within or between primary colonies. this As such, growing transformed cells at a temperature that reduces the activity of the cloned esterase Length is important for effective isolation of the resulting plasmid.   In certain cases, each phage clone Picking up 8 bacterial colonies to be led from a plate without X-acetate To 100 ml LB supplemented with 40 mg / ml Km in 96 well plate Transfer and grow overnight. The progeny of these colonies were transformed with X-acetate-containing agar. Analyze by the spot test used. Light blue halo and minimal amount of Estella Derived from each phage by picking up what produces a solid Some of the resulting plasmid clones are selected for further study.   Selection of stable plasmid variants-plasmid based with esterase gene Because these vectors have often been determined to be unstable, A stable variant of the mid is isolated. One method for such isolation is as follows. It is something. E. coli cells with the excised plasmid were Was purified using an LB plate supplemented with a small amount of X-acetate, Any potential negative growth impact from the production of deadly indole products Reduce. Colonies (generally giving a moderate growth rate and a strong blue color) Selected by their phenotype and in a 15 ml test in 2 ml LB with Km 48 hours, about 0.1 OD600Growing until reaching 12,000g And centrifuged for 1 minute. Transfer cell pellet to 500 ml 0.1 M Resuspended in acid buffer pH 7.0, Sonics & Materials Vibra Se Sonicate at 4 ° C. using a 375 watt sonicator. Ultrasonic treatment This is performed using a microtip, a maximum capacity of 40%, and a pulse of 50% for 45 seconds. Dissolution Centrifuge the lysate at 12,000 g for 5 minutes and test for its relative esterase activity. I do. Variants with highest activity for next growth And select for analysis. The application and then the growth and activity assay in liquid medium were performed in 3 To confirm the stability of the clone.   This procedure allows specific esterase activity between variants from the same plasmid line. Can be reduced from a factor of more than 100 to a factor of 3. Active Stabilization generally occurs at a level corresponding to the highest activity value detected at the beginning of stabilization. I will. This does not merely suppress the activity of the cloned toxic gene, Mutations in the E. coli host that allow for higher resistance of Could be shown.   Physical characterization of plasmid clones-standard alkaline lysis method or Extract plasmid DNA from E. coli by other procedures known in the field (37). I do. This DNA is transformed into a series of restriction endonucleases such as EcoRI, Ba digested with mHI, HindIII, PstI, EcoRV, and XbaI, Establish the digestion pattern of the clone and determine the size of the cloned DNA fragment You. The physical map pattern of the 24 selected product clones is shown in FIG. You. From this data, the size of the insert for each clone was calculated. It is summarized in.   Generation of tag sequences for PCR identification of esterases containing inserts   The DNA sequence at the end of the insert fragment carrying the esterase gene was cloned. Using standard T7 and S6 primers to generate unique tags for It can be determined by sequencing the ends of the insert. Sequence analysis Independently amplifies DNA inserts from both clones and host microorganisms It can be done to design possible PCR primers. These tags are To generate this DNA fragment from the chromosome of the microorganism to be studied using RPC technology Can be used potentially.   Screening of cosmid libraries using oligonucleotide probes -Other methods are used to clone enzymes that cannot be cloned due to activity. It is. Prepare a denatured probe for the N-terminus of the protein and Hybridize with the plaque from the ink. Alternatively, the protein content of the enzyme N-terminal sequence of the internal protein fragment obtained after digestive digestion, -A modified PCR amplification probe can be prepared using the sequence obtained from the terminal. Wear. Using these sequences, the N-terminal and internal fragment or two internal fragment sequences Probe from the amplification region between Carrying clones can be identified. Embodiment 18 FIG. Esterase overproduction and overexpression   Production of Recombinant Esterase-The producer strains used are listed in Table 8. clone The enzyme is produced from E. coli strain XLOLR. Alternatively, any suitable E. coli Inn The main can be used, including HB101, C600, TG1 and X L1-blue, but is not limited to these.   Several types of media can be used for the production of cloned esterases. LB ( 10 gm / 1 tryptone, 5 gm / l yeast extract and 10 gm / l NaCl) And Terrific broth (after autoclaving. 17M KHTwoPOFour, 0.72M KTwoHPOFour100 ml of sterile solution of 12 gm / l tryptone, 24 gm / l yeast extract and 4 gm / l glycero Have been tested and the results from the optimal growth conditions for the producing strains are listed in Table 9 below. Have been. Each medium is supplemented with 10-50 μg / ml kanamycin.   The optimal production medium depends on many factors, including the cost of the medium and the specific activity of the purified protein. Depends on. TB medium is a richer medium and is therefore more expensive. For example, in the case of CE009, a single fermentation operation produces more total units However, it does not produce enough to justify the higher cost of this medium. In addition Thus, the specific activity is higher for the preparation of LB medium.   Fermentation production is performed at 30 ° C. in a 17 L fermenter (15 L effective volume / LH fermentation). , 600 RPM, and an airflow of 0.5 vvm. The seed procedure is as follows Establish. Production culture in a 250 ml Erlenmeyer flask using a full cup of frozen production culture Inoculate 50 ml of ground. Incubate the flask at 30 ° C. for 2 days (250 RPM). After incubating, inoculate a 1 liter flask containing 250 ml of production medium. Used. The flask is incubated at 30 ° C. and 250 RPM for 1 day. This 1 liter frus Inoculate the fermenter using a coconut.   Production of a substantially purified preparation from cell paste of a recombinant enzyme producing strain The synthesis was performed according to the method described in Example 4 and the native tamper in Examples 14-34. This is done in the same way as the specific protocol described for quality.  Optimization of Esterase Production-Further optimization of esterase production is achieved by shaking Study the medium in the flask, then on a 1-20 liter scale This is done by further optimization. Depending on the enzyme, the final fermentation conditions may be intermittent feed (fed- batch) or a continuous fermentation process. Estella to analyze Because the activity of the enzyme is intracellular, it must be defined or defined as in TT medium. It is necessary to use a fresh medium. Grow the microorganisms of interest and Collect by centrifugation. The pellets were broken by sonication, and Examples 3 and 4 Using standard techniques for ion exchange and gel permeation chromatography described in Element can be purified. Growth conditions, including medium composition, pH, and temperature, are Keeps the highest enzyme levels on scale (eg, shake flasks, and 1 liter fermenters) While optimizing for the highest cell density.   Isolation of high producing mutants-using some simple mutagenesis schemes, High production mutants with different activities are addressed and isolated. These include U Mutagenesis with V light and ethylmethane sulfonate (EMS) or N-methyl-N ' Includes chemical mutagenesis such as -nitro-N-nitrosoguanidine (MNNG) It is. Following the method described in Miller (38), cells were mutagenized at various concentrations. Treat with the original (or various exposure times to UV light). Different mutations in different microorganisms The optimum concentration of the stock varies. Generally, 80% survival for EMS, MNNG About 50% survival for UV light or 10-50% for UV light Is desirable. The mutagenized culture is then grown and the mutagen washed Rinse and apply to solid medium.   Mutants by applying esterase plate screening to cells Identify. For examples relating to esterase screening, see 5-bromo- 4-chloro-3-indolyl acetate or 4-methylumbelliferyl acetate An agar overlay containing a colorimetric or fluorogenic substrate such as a plate is applied. Base Colonies that show a significant increase in activity due to quality hydrolysis are identified.   Next, the candidate variants are analyzed by native polyacrylamide gel electrophoresis, Compare with parent strain. Next, the standard assay method described in Example 2 or Example 12 Apply the described rapid esterase / lipase screen to determine enzyme activity Can be identified. If the increase in generation level is large, After massy staining, the gels are either buffered on native or SDS polyacrylamide gels. May increase. Strains with multiple activities are also distinguished in this way, One can also confirm that the increase is in the enzyme of interest. Next Confirm that the variants have the same kinetic and substrate properties as the parent enzyme . Most of the mutants identified by this approach involve promoter regions, A gene that can be isolated either in the presser molecule, or in other regulatory elements. It is the current mutant. Most mutations in enzyme structural genes inactivate the enzyme However, enhanced activity can also be isolated. Mutation is desired Increase the activity of the protein band in the Coomassie stained gel If it is clear that the strength does not increase, the variant is re-characterized and Determine if it is a more efficient biocatalyst. Embodiment 19 FIG. Esterase screening kit   Packaging a large subset of enzymes for easy analysis of many enzymes at once An easy-to-use screening kit can be obtained. These kits can Configured to eliminate as many potential errors as possible, each enzyme If so, it is provided in a lyophilized form close to its optimal buffer and reaction conditions.   Various sizes of mys composed of different plastic materials from glass vials Many different kit formats are possible, up to crotiter plates. handling Microtiter plates are preferred because of their ease of operation. Most microphones Rotator plates are made of polystyrene, which is compatible with most organic solvents. Not resistant to. For experiments with aqueous solvents, polystyrene is no problem. No. Utilizing other more durable plastics like polypropylene Yes, it is ideal for this kit. Can test 3ml samples (This allows enough sample for multiplex TLC or HPLC analysis) A 24-well microtiter plate has been developed. Other formats are also different May be useful for applications.   Stir bar, buffer (0.1 M Na phosphate pH 7.0) and 1 U of each enzyme For each well of a 24-well polypropylene tray (Tomtec) Each kit is prepared by adding. Enzymes have equivalent activity provided for comparison. Aliquots into each well or vial in a set volume to ensure that I do. Thereafter, the entire kit is freeze-dried, sealed with a heat-sealed foil (3M), and sealed. Attach the bell. In separate experiments, earlier experiments comparing glass to plastic Suggested by experiment Even if the protein is freeze-dried in the tray of this kit, the enzyme activity is large. It has been found that it is not compromised. In addition to enzymes, each of the kits contains 6-9 4 control wells comprising a buffer of pH. This is the Some qualities have a tendency to become unstable in buffered solutions, Positive reactions and autohydrolysis were found to be confusing. You. Instructions, datasheets, sample preparation vials, glassware An eye device and a plastic eye drop device. This kit uses solvent and substrate for each well. It is configured so that it only needs to be added to the well. Described in Example 12. A rapid screening indicator dye method can be included in each well or vial. is there. This makes the preliminary qualitative determination of the effectiveness of the enzyme simple and fast. Embodiment 20 FIG. Cloning and characterization of recombinant proteins   Derived from the strain isolate producing the native isolated protein (listed in Table 1) Cloning and characterization of the recombinant protein was performed as described in Example 37. Was. The lambda expression vector was isolated as described above (the specific isolate named Are shown in Table 7). Escherichia coli containing the excised phage-plasmid Guided loan to be summarized in Table 7 and finalized by subsequent screening After three rounds of stabilization procedure, selectively for esterase activity Activity units per mg of total cell protein were estimated. Positive phage library -Estella used to screen candidates for recombinant proteins Fig. 12 Which also allowed the identification of alternative recombinant proteins. Recombinant The production of protein was performed using TB in the culture medium, and in Example 4, the native (non-recombinant) ) Purification of the enzyme as described for the protein and described in Example 38. To do so. Embodiment 21 FIG. Sequencing of recombinant proteins   By isolating and cloning the gene encoding the enzyme of the present invention, DNA A segment is obtained, and the translated protein amino acid is added to the DNA segment. Find open reading frames (ORFs) corresponding to sequences . Arrangement of a DNA insert having a corresponding nucleic acid sequence encoding the protein enzyme; Column determination can be done by hand or by the usual method using automated equipment. it can.   Once obtained, the presence of alternative start codons can be determined by analyzing the nucleic acid sequence. (This is a recognized phenomenon in the art) However, the encoded protein contains at least the nucleoprotein ORF. FIG. 16A shows the isolated nucleic acid sequence corresponding to the ORF of the E001 enzyme and the translated The alternative amino acid sequence is shown with the alternative start codon underlined. FIG. 16B , Is the isolated cloned amino acid sequence containing the ORF of E001. FIG. C is the isolated nucleic acid sequence corresponding to the ORF of the E009 enzyme, and the translated The amino acid sequence is shown, with alternative start codons underlined. FIG. 16D shows E0 9 is an isolated cloned amino acid sequence containing the 09 ORF. FIG. 16E An isolated nucleic acid sequence corresponding to the ORF of the E011 enzyme and translated amino acids Shows the sequence, with alternative start codons Underlined. FIG. 16F shows an isolated clone containing the E011 ORF. This is an amino acid sequence. FIG. 16G shows the isolated corresponding to the ORF of the E101 enzyme. Nucleic acid sequence and translated amino acid sequence, with the alternative start codons underlined Is attached. FIG. 16H shows an isolated cloned clone containing the E101 ORF. Amino acid sequence.

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Claims (1)

【特許請求の範囲】 1.好熱性微生物から単離される商業グレードの酵素調製品であって、E001 、E002、E003、E004、E005、E006、E007、E008、 E009、E010、E011、E012、E013、E014、E015、E 016、E017b、E018、E019、E020、E021、E022、E 023、E024、E025、E026、E027、E028、E029、E0 30、E100、E101、E102、E103、E104、E105、及びE 106からなる群より選択される、エステラーゼ活性、温度の概要、タンパク質 安定性の概要、pHの概要を特徴とする酵素調製品。 2.実質的に純粋な酵素調製品であって、E001、E002、E003、E0 04、E005、E006、E007、E008、E009、E010、E01 1、E012、E013、E014、E015、E016、E017b、E01 8、E019、E020、E021、E022、E023、E024、E025 、E026、E027、E028、E029、E030、E100、E101、 E102、E103、E104、E105、及びE106からなる群より選択さ れる、エステラーゼ活性、温度の概要、タンパク質安定性の概要、pHの概要及 び見かけの分子量を特徴とする酵素調製品。 3.E001、E002、E003、E004、E005、E006、E007 、E008、E009、E010、E011、E012、E013、E014、 E015、E016、E017b、E018、E019、E020、E021、 E022、E023、E024、E025、E026、E027、E028、E 029、E0 30、E100、E101、E102、E103、E104、E105、及びE 106からなる群より選択される、エステラーゼ活性を特徴とし、宿主細胞にお ける組換えDNAの発現によって生成される酵素。 4.E001、E002、E003、E004、E005、E006、E007 、E008、E009、E010、E011、E012、E013、E014、 E015、E016、E017b、E018、E019、E020、E021、 E022、E023、E024、E025、E026、E027、E028、E 029、E030、E100、E101、E102、E103、E104、E1 05、及びE106からなる群より選択されるタンパク質を生成する細胞。 5.E001、E002、E003、E004、E005、E006、E007 、E008、E009、E010、E011、E012、E013、E014、 E015、E016、E017b、E018、E019、E020、E021、 E022、E023、E024、E025、E026、E027、E028、E 029、E030、E100、E101、E102、E103、E104、E1 05、及びE106からなる群より選択されるタンパク質をコードする核酸ベク ター構築体。 6.細菌単離体における試験基質に対する酵素活性を迅速にスクリーニングする ための方法であって、細菌単離体に由来する酵素含有試料をpH依存性の色変化 を有する指示染料の存在下において試験基質と接触させ、かつ色変化を観察する ことにより指示染料を含む溶液におけるpH変化を検出することを包含し、該p H依存性の色変化が酵素活性の程度を示す方法。 7.特定の基質での酵素活性を迅速に同定するためのキ ットであって、反応容器に配置された酵素のパネルを具備し、該反応容器は予め 緩衝された酵素粉末又は溶液、任意に指示薬溶液を収容し;該反応容器はポリプ ロピレン又は他の方法で有機溶媒耐性である材料であり、これは反応溶液の同時 磁気撹拌を可能にするものであり;それにより、試験しようとする酵素基質及び 適切な溶媒を該反応容器に加えて同時にインキュベートし;かつ該基質が試験酵 素によって反応しているかどうかを検出するキット。 8.前記任意の指示薬溶液が、該反応容器内の溶液における色変化を検出するこ とより該反応が測定されることを考慮するものであり、該色変化が酵素活性を示 すものである、請求の範囲第7項のキット。[Claims] 1. A commercial grade enzyme preparation isolated from a thermophilic microorganism, comprising E001 , E002, E003, E004, E005, E006, E007, E008, E009, E010, E011, E012, E013, E014, E015, E 016, E017b, E018, E019, E020, E021, E022, E 023, E024, E025, E026, E027, E028, E029, E0 30, E100, E101, E102, E103, E104, E105, and E Esterase activity, temperature profile, protein selected from the group consisting of 106 An enzyme preparation characterized by a summary of stability and a summary of pH. 2. A substantially pure enzyme preparation comprising E001, E002, E003, E0 04, E005, E006, E007, E008, E009, E010, E01 1, E012, E013, E014, E015, E016, E017b, E01 8, E019, E020, E021, E022, E023, E024, E025 , E026, E027, E028, E029, E030, E100, E101, Selected from the group consisting of E102, E103, E104, E105, and E106. Summary of esterase activity, temperature, protein stability, pH An enzyme preparation characterized by its apparent molecular weight. 3. E001, E002, E003, E004, E005, E006, E007 , E008, E009, E010, E011, E012, E013, E014, E015, E016, E017b, E018, E019, E020, E021, E022, E023, E024, E025, E026, E027, E028, E 029, E0 30, E100, E101, E102, E103, E104, E105, and E 106, characterized by an esterase activity selected from the group consisting of Enzymes produced by the expression of recombinant DNA in plants. 4. E001, E002, E003, E004, E005, E006, E007 , E008, E009, E010, E011, E012, E013, E014, E015, E016, E017b, E018, E019, E020, E021, E022, E023, E024, E025, E026, E027, E028, E 029, E030, E100, E101, E102, E103, E104, E1 05, and a cell that produces a protein selected from the group consisting of E106. 5. E001, E002, E003, E004, E005, E006, E007 , E008, E009, E010, E011, E012, E013, E014, E015, E016, E017b, E018, E019, E020, E021, E022, E023, E024, E025, E026, E027, E028, E 029, E030, E100, E101, E102, E103, E104, E1 05, and a nucleic acid vector encoding a protein selected from the group consisting of E106 Structure. 6. Rapid screening for enzymatic activity on test substrates in bacterial isolates A pH-dependent color change of an enzyme-containing sample derived from a bacterial isolate. Contact with the test substrate in the presence of an indicator dye having a color and observe the color change Detecting a change in pH in the solution containing the indicator dye, A method wherein the H-dependent color change indicates the degree of enzyme activity. 7. Keys to quickly identify enzymatic activity on specific substrates A panel of enzymes disposed in a reaction vessel, wherein the reaction vessel is The reaction vessel contains a buffered enzyme powder or solution, optionally an indicator solution; A material that is ropylene or otherwise resistant to organic solvents, Magnetic stirring; whereby the enzyme substrate to be tested and An appropriate solvent is added to the reaction vessel and incubated at the same time; A kit that detects whether it is reacting with element. 8. The optional indicator solution detects a color change in the solution in the reaction vessel. And the color change indicates enzyme activity. The kit according to claim 7, which is a kit.
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