JP2003310270A - 変異アルカリセルラーゼ - Google Patents
変異アルカリセルラーゼInfo
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Abstract
の相同性を有するセルラーゼについて、上記アミノ酸配
列の343位〜377位又はこれに相当する位置のアミ
ノ酸残基から選ばれる1以上を欠失させ、当該欠失部分
にアミノ酸残基数2〜15のペプチド残基を挿入した変
異アルカリセルラーゼ;これをコードする遺伝子。 【効果】 本発明の変異アルカリセルラーゼは、洗濯液
中のpH(pH10.5付近)に近い最適pHを有し、
洗剤用酵素として有用である。
Description
可能な変異アルカリセルラーゼに関する。
洗剤使用時における洗濯液中のpHは、殆どがpH10
〜11までのアルカリ性領域にある。従って、衣料用洗
剤に配合される酵素は、アルカリ性至適で且つアルカリ
性環境下で安定なものが要求されてきた。
セルラーゼとしては、Bacillus属に属するBa
cillus sp. KSM−635由来のアルカリ
セルラーゼ(特公昭60−23158号公報、特公平6
−030578号公報、米国特許第4945053号明
細書等)、Bacillus sp. KSM−64由
来のアルカリセルラーゼ(Shikata et al. Agric.Biol.
Chem.,54,91-96,1990、Sumitomo et al.,Biosci. Biote
chnol.Biochem.,56,872-877,1992)、中温性の好アルカ
リ性菌 Bacillus sp. KSM−S237
(FERM−BP7875)により生産される耐熱性ア
ルカリセルラーゼ(特開平10−313859号公
報)、Bacillus sp. KSM−N257由
来のアルカリセルラーゼ(特願平12−281378
号)、Bacillus sp. KSM−N131由来
のアルカリセルラーゼ(特願平12−373859号)
等が知られているが、これらはカルボキシメチルセルロ
ース(CMC)を基質とした場合の最適反応pHがいず
れも9付近であり、洗濯に対して最適なpHを有するも
のではない。
応pHを変化させるという研究としては、好アルカリ性
Bacillus由来のアルカリセルラーゼ(NK1)
とBacillus subtilis由来の中性セル
ラーゼ(BSC)のキメラタンパク質を構築し、そのp
H特性を変化させた例が報告されているが、これは、最
適pHをアルカリ性から中性にシフトさせたものである
(Park et al.,Protein Eng.,6,921-926,1993)。
reesei由来のセロビオヒドロラーゼ(Cel7
A)に関し、その活性中心近傍のアミノ酸を置換するこ
とで、野性型と比較してより最適pHを上昇させた報告
がなされているが(Beker et al,Biochem. J.,356,19-3
1,2001)、これは野生型酵素の最適pHが酸性領域にあ
り、その変異体の最適pHは1pHユニット以内の上昇
にすぎない。このように、糖質分解酵素においては、そ
の最適反応pHをアルカリ性側にシフトさせた報告例は
殆ど無いのが実情である。
改変することによって、洗剤用酵素として最適のpHを
有する変異アルカリセルラーゼを提供することを目的と
する。
1に示すアルカリセルラーゼ(Egl−237)につい
て、その活性ドメインを中心に立体構造を予測し、部位
特異的変異法により種々の変異を導入することにより目
的の酵素を探索した結果、ループ構造の一部を構成する
特定領域のアミノ酸残基を欠失させ、当該部位に新たな
ペプチド残基を挿入することで、CMC分解活性におけ
る最適反応pHを上昇できることを見出した。
アミノ酸配列又はこれと90%以上の相同性を有するセ
ルラーゼについて、配列番号1の343位〜377位又
はこれに相当する位置のアミノ酸残基から選ばれる1以
上を欠失させ、当該欠失部分にアミノ酸残基数2〜15
のペプチド残基を挿入した変異アルカリセルラーゼ、及
びそれをコードする遺伝子を提供するものである。
ー、該ベクターを含有する形質転換体を提供するもので
ある。
は、配列番号1で示されるアミノ酸配列又はこれと90
%以上の相同性を有するセルラーゼを変異の対象となる
セルラーゼ(以下、「親アルカリセルラーゼ」ともい
う)とし、当該配列番号1の343位〜377位又はこ
れに相当する位置のアミノ酸残基から選ばれる1以上を
欠失させ、当該欠失部分にアミノ酸残基数2〜15のペ
プチド残基を挿入してなるものであり、これらは野生型
の変異体或いは人為的に変異を施した変異体であっても
よい。
番号1に示すアミノ酸配列と90%以上の相同性を有す
るセルラーゼとしては、当該アミノ酸配列と95%以上
の相同性を示すものがより好ましく、98%以上の相同
性を示すものがさらに好ましく、これらは野生型又は野
生型の変異体であってもよい。尚、アミノ酸配列の相同
性はGENETYX−WINのマキシマムマッチングや
サーチホモロジー等のプログラム(ソフトウェア開発)
を用いて計算することができる。
酸配列と90%以上の相同性を有するセルラーゼは、ホ
モロジーモデリングの手法を用い、3D−1D、XPL
ORE及びPROCHECKプログラムによりセルラー
ゼの分子構造を予測した場合に、配列番号1において4
2番目のロイシンから404番目のバリンまでの活性ド
メイン領域と70%以上、好ましくは80%以上、より
好ましくは90%以上、さらに好ましくは95%以上、
特に好ましくは98%以上の相同性を有し、且つ配列番
号1における343番目のアスパラギンから377番目
のロイシンに相当するアミノ酸配列がセルラーゼ分子内
においてループ構造を有しているものが好ましい。尚、
この場合のアミノ酸配列の相同性は、例えばLipma
n−Pearson法(Science,227,14
35,1985)等に準じて計算することができる。
酸ナトリウムポリアクリルアミドゲル電気泳動(SDS
−PAGE)法あるいはゲル濾過法により得られる分子
量が86,000±2,000である、カルボキシメチ
ルセルロースを基質とした場合の最適反応pHが7.5
〜9.0の間にある、最適反応温度が40〜50℃の範
囲にある、等の性質を有しているのが好ましく、更にカ
ルボキシメチルセルロースのほかにリケナンを良好に分
解することが好ましく、pH9で50℃、10分間の処
理においても充分に安定であることが好ましい。特に、
分子量が86,000±2,000(SDS−PAGE
あるいはSephacryl S200カラムによるゲル濾過
法)、最適反応pHが8.6〜9.0、最適反応温度が
50℃、カルボキシメチルセルロースのほかにリケナン
を良好に分解し、pH9、5mM塩化カルシウム存在下
で50℃、10分間の処理を行った場合95%以上(3
0℃、10分間処理時の残存活性を100%とする)の
残存活性を認めるような性質を有するものが好ましい。
ラーゼとしては、配列番号1に示すアルカリセルラーゼ
の他、上記段落〔0012〕で示したアミ酸配列上の特
徴を有するもの及び/又は段落〔0013〕で示した酵
素学的性質を有するもの、特に段落〔0012〕で示し
たアミ酸配列上の特徴を有し且つ段落〔0013〕で示
した酵素学的性質を有するものであり、配列番号1に示
すアミノ酸配列と90%以上、好ましくは95%以上、
更に好ましくは98%以上の相同性を示すものが好まし
い。
ノ酸配列を有するアルカリセルラーゼ」であるEgl−
237[バチルス エスピーKSM−S237(FER
MBP−7875)由来、Hakamadaら,Biosci. Biotec
hnol. Biochem., 64, 2281-2289, 2000]、バチルス
エスピー 1139株由来のアルカリセルラーゼ(Eg
l−1139)(Fukumori ら,J. Gen, Microbiol, 13
2, 2329-2335)(相同性91.4%)、バチルス エス
ピー KSM−64株由来のアルカリセルラーゼ(Eg
l−64)(Sumitomo ら,Biosci. Biotechnol. Bioch
em., 56, 872-877, 1992)(相同性91.9%)、バチ
ルス エスピー KSM−N131株由来のセルラーゼ
(Egl−N131b)(特願2000−47237
号)(相同性95.0%)等が挙げられる。
親アルカリセルラーゼにおいて、配列番号1の343位
〜377位又はこれに相当する位置のアミノ酸残基から
選ばれる1以上を欠失させ、当該欠失部分にアミノ酸残
基数2〜15のペプチド残基を挿入してなるものであ
る。欠失させるアミノ酸残基は、配列番号1の343位
〜377位における任意の連続又は非連続の1〜35個
のアノ酸残基であればよく、好ましくは350位〜37
7位中、より好ましくは355位〜365位中、更に好
ましくは357位〜362位中のアノ酸残基である。特
に、343位〜377位中の任意の1〜27残基、2〜
15残基又は3〜10残基、355位〜377位中の任
意の1〜8残基、3〜6残基又は全てのアミノ酸残基、
357位〜362位中の任意の2残基、2〜5残基又は
全てのアミノ酸残基が好ましい。
アミノ酸領域は、ホモロジーモデリングによる立体構造
解析(Ozawa et al.,Protein Eng.,14,501-504,2001)
によれば、Egl−237の活性中心から比較的離れた
位置に存在し、自由度が高く、且つセルラーゼ構造の維
持に深く関与している考えられるループ構造の一部を形
成する領域であると推定される。
相当する位置のアミノ酸残基」を特定する方法として
は、例えばリップマン−パーソン法等の公知のアルゴリ
ズムを用いてアミノ酸配列を比較し、各アルカリセルラ
ーゼのアミノ酸配列中に存在する保存アミノ酸残基に最
大の相同性を与えることにより行うことができる。セル
ラーゼのアミノ酸配列をこのような方法で整列させるこ
とにより、アミノ酸配列中にある挿入、欠失にかかわら
ず、相同アミノ酸残基の各セルラーゼにおける配列中の
位置を決めることが可能である(図1)。相同位置は、
三次元構造中で同位置に存在すると考えられ、対象のセ
ルラーゼの特異的機能に関して類似した効果を有するこ
とが推定できる。例えば、配列番号1で示されるアミノ
酸配列を有するアルカリセルラーゼ(Egl−237)
の357位〜362位に相当する位置を、前述したEg
l−1139、Egl−64、Egl−N131bにつ
いて示せば、下記表1のとおりである。
としては、20種類の必須アミノ酸のいずれから構成さ
れていていもよいが、アラニン、グリシン、ヒスチジ
ン、アルギニンを含むものが好ましく、特にアラニンと
グリシン、アラニンとヒスチジン、アラニンとアルギニ
ンを含むものが好ましい。また、ペプチド残基を構成す
るアミノ酸残基の数としては、2〜15個であるのが好
ましく、酵素活性の点から、2〜10個、更には2〜6
個であるのが好ましく、特に3個であるのが好ましい。
例えばアスパラギン−スレオニン−アラニン−バリン−
グリシン−イソロイシン、アラニン−セリン−メチオニ
ン−ロイシン−フェニルアラニン−グルタミン酸、シス
テイン−ロイシン−グリシン−ヒスチジン−セリン、チ
ロシン−グルタミン−リジン−アラニン−アラニン、ア
スパラギン酸−メチオニン−イソロイシン−バリン、イ
ソロイシン−スレオニン−プロリン−リジン、グリシン
−ロイシン−システイン、セリン−バリン−フェニルア
ラニンが挙げられるが、中でも両末端にアラニン残基を
有する3〜6残基のぺプチド残基が好ましく、アラニン
−任意の1個のアミノ酸−アラニンがより好ましく、ア
ラニン−グリシン−アラニン、アラニン−ヒスチジン−
アラニン又はアラニン−アルギニン−アラニンが特に好
ましい。
は、アルカリセルラーゼ活性並びに改変された特性を失
わない限り、上記の変異とは別に、アミノ酸配列中にお
いて1〜数個のアミノ酸残基が欠失、置換又は付加され
たものも包含する。
ルカリセルラーゼに対し目的の変異を導入すればよく、
例えば以下の方法により行われる。すなわち、親アルカ
リセルラーゼを培養して得られた培養液から遠心分離に
より菌体を分離し、該菌体からのアルカリセルラーゼ遺
伝子を含んだ染色体DNAを調製[例えば、マーマーの
方法(J.Mol.Biol.,3,208-212,1961)や斎藤と三浦の方
法(Biochim.Biophys.Acta,72,619-629,1963)]し、シ
ョットガンクローニング法やPCR法を用いて親アルカ
リセルラーゼ(例えば配列番号1で示されるアミノ酸配
列を有するアルカリセルラーゼ)をコードする遺伝子
(配列番号2)をクローニングすることができる。クロ
ーニングされた遺伝子に対し変異を導入し、変異遺伝子
を含むプラスミドを用いて適当な宿主菌を形質転換し、
形質転換株を培養することによってその培養物から本発
明の変異アルカリセルラーゼを得ることができる。
に変異を導入する方法としては、部位特異的変異法等を
用いることができる。例えばTakara社のSite
−Directed Mutagenesis Sys
tem Mutan−Super Express K
m kit等を使用することができる。変異が導入され
たアルカリセルラーゼ遺伝子は適当なベクターに組込む
ことができる。
菌内で複製維持可能であり、アルカリセルラーゼ遺伝子
を発現させることができ、組込まれた該遺伝子を安定に
保持できれば如何なるものも使用可能である。例えば、
Bacillus属細菌を宿主とする場合、pUB11
0やpHY300PLK等が挙げられ、大腸菌を宿主と
する場合、pUC18、pUC19、pBR322或い
はpHY300PLK等が挙げられる。
宿主菌を形質転換するにはプロトプラスト法、コンピテ
ントセル法、エレクトロポレーション法等を用いて行う
ことができる。宿主菌としては特に制限されないがBa
cillus属(枯草菌)等のグラム陽性菌、Esch
erichia coli(大腸菌)等のグラム陰性
菌、Streptomyces属(放線菌)、Sacc
haromyces属(酵母)、Aspergillu
s属(カビ)等の真菌が挙げられる。
源、窒素源、金属塩、ビタミン等を含む培地を用いて適
当な条件下で培養すればよい。かくして得られた培養液
から、一般的な方法によって酵素の分取や精製を行い、
凍結乾燥、噴霧乾燥、結晶化により必要な酵素形態を得
ることができる。
の最適反応pHは、親アルカリセルラーゼの値よりも高
く、好ましくは、pH9.0〜9.5、より好ましくは
pH9.5〜10.0まで高アルカリ側にシフトしてい
るものである。さらに変異アルカリセルラーゼの最適反
応pH以外の諸性質は、段落〔0013〕に示した親ア
ルカリセルラーゼの諸性質を保持していることが好まし
い。
変 Egl−237の分子モデルは、既に結晶構造が解析さ
れているCelKの解析データを基にホモロジーモデリ
ングにより構築し、モデル構造の精密化は、3D−1
D、XPLORE及びPROCHECKプログラムによ
り行った。次いで、得られた情報を基にループ構造内の
一部のアミノ酸(357番グリシンから362番スレオ
ニン)を欠失させると同時にアラニン−グリシン−アラ
ニン、アラニン−ヒスチジン−アラニン及びアラニン−
アルギニン−アラニンを新たに導入した。このループ領
域の変異には、それぞれ変異導入プライマー1、2及び
3(配列番号3、4及び5)を用い、アンチセンスプラ
イマーには変異導入プライマー4(配列番号6)を用い
た。アラニン−グリシン−アラニン変異導入においては
鋳型DNAとしてpHY300PLK中に組換えられた
Egl−237遺伝子を用いた。アラニン−ヒスチジン
−アラニン及びアラニン−アルギニン−アラニン変異導
入には鋳型DNAにpHY300PLK中に組換えられ
たアラニン−グリシン−アラニン変異体プラスミドを用
いた。具体的には、鋳型DNAプラスミド0.5μL
(10ng)、変異導入用プライマー20μL(1μ
M)、アンチセンスプライマー20μL(1μM)、1
0倍濃度のPCR用緩衝液10μL、10 mM デオキ
シヌクレオチド3リン酸(dNTP)混液8μL、Pyr
obestDNAポリメラーゼ0.5μL(2.5 un
its、タカラ)及び脱イオン水39.5μLを混合し
た後、gene amp PCR system9700
(アマシャムファルマシア)でPCRを行った。反応条
件は、94℃2分間の熱変性後、94℃1分間、60℃
1分間、72℃1.5分間(30サイクル)及び72℃
3分間で行った。得られたPCR産物をGFX PCR
DNA and gel band purificati
on kit(アマシャムファルマシア)で精製後(4
3.5μL)、5.5μLの10倍濃度のリン酸化用緩
衝液及びpolynucleotide kinase
1μL(10units)を加え、37℃で1時間リン酸
化反応を行った後、精製した。リン酸化されたPCR産
物25μLに、鋳型プラスミドを2μL(20ng)、1
0倍濃度のPCR用緩衝液10μL、10 mM dNT
P混液8μL、PyrobestDNAポリメラーゼ1
μL(5units)及び脱イオン水54μLを混合した
後、PCRを行った。反応条件は、94℃2分間の熱変
性後、94℃1分間、58℃1分間、72℃6分間(3
0サイクル)及び72℃12分間で行った。得られたP
CR産物を精製後(43.5μL)、5.5μLの10
倍濃度のリン酸化用緩衝液及びポリヌクレオチドキナー
ゼ1μL(10units)を加え、37℃で1時間リン
酸化反応を行った。エタノール沈澱により回収された1
0μLのDNA溶液をligation kit ve
r.2(タカラ)を用いて16℃で18時間ライゲーシ
ョン反応を行い、自己閉環した後、再度エタノール沈殿
によりDNA混液を回収した。
llus subtilis ISW1214株に導入し
て形質転換体を取得した(Chang and Cohen,Mol.Gen.Ge
nt.,168,111,1979)。この方法により得られたプロトプ
ラストをテトラサイクリン(15μg/mL、シグマ)
を含むDM3再生寒天培地[0.8%(w/v) 寒天
(和光純薬)、0.3M コハク酸二ナトリウム6水和
物、0.5% カザミノ酸テクニカル(ディフコ)、
0.5% 酵母エキス、0.35%KH2PO4、0.
15% K2HPO4、0.5% グルコース、0.4%
MgCl2・6H2O、0.01% 牛血清アルブミン
(シグマ)、0.5% CMC(関東科学)、0.00
5% トリパンブルー(メルク)及びアミノ酸混液 (ロ
イシン、メチオニン10μg/mL)]上に塗抹し、30
℃で72時間培養して形質転換体を得た。DM3再生寒
天平板培地上で、ハローを形成した形質転換体をテトラ
サイクリン(15μg/mL)を含んだポリペプトン培
地(3% ポリペプトンS、3% マルトース、0.5%
魚肉エキス(和光純薬)、0.1%酵母エキス、0.
1% KH2PO4、0.02% MgSO4・7H
2O)で、30℃、15時間振とう培養を行い、集菌
後、micro prep plasmid purif
ication kit(アマシャムファルマシア)に
よりプラスミドを回収、精製した。取得したプラスミド
中に挿入されたセルラーゼ遺伝子の変異配列の確認は、
377DNAシークエンサー(アプライドバイオシステ
ム)を用いて行なった。変異導入近辺の領域を解読でき
るような適当なシークエンス用プライマーを用いて塩基
配列解析を行い、目的の変異が導入されているプラスミ
ドを選別した。
養は、3% ポリペプトン S(日本製薬製)、0.5%
魚肉エキス、0.05% 酵母エキス、0.1%KH2
PO4、0.02 %MgSO4・7H2O、テトラサ
イクリン(15μg/mL)及び5% マルトースを含
んだ培地を用いて、30℃で72時間行った。各種変異
体を培養した結果、ループ領域変異体アラニン−グリシ
ン−アラニンのセルラーゼ活性量は36800U/L、
アラニン−ヒスチジン−アラニンの活性量は34700
U/L及びアラニン−アルギニン−アラニンの活性量は
32400U/Lであった。
サリチル酸(DNS)法により測定した。即ち、0.2
mLの0.5M グリシン−水酸化ナトリウム緩衝液
(pH9.0)、0.4mLの2.5%(w/v)カル
ボキシメチルセルロース(A01MC;日本製紙)、
0.3mLの脱イオン水から成る反応液に0.1mLの
適当に希釈した酵素液を加え40℃、20分間反応させ
た後、1mLのジニトロサリチル酸試薬(0.5% ジ
ニトロサリチル酸、30% ロッシェル塩、1.6% 水
酸化ナトリウム水溶液)を添加し、沸水中で5分間還元
糖の発色を行った。氷水中で急冷し、4mLの脱イオン
水を加え535nmにおける吸光度を測定し還元糖の生
成量を求めた。ブランクは酵素液を加えずに処理した反
応液にジニトロサリチル酸試薬を加えた後、酵素液を添
加し、同様に発色させたものを用意した。酵素1単位
(1U)は、上記反応条件下において1分間に1μmo
lのグルコース相当の還元糖を生成する量とした。
の精製 組換えセルラーゼループ改変体の培養上清液を脱イオン
水にて10倍に希釈した後、予め、10mM トリス塩
酸緩衝液(pH8.0)で平衡化したDEAEトヨパー
ル(東ソー)カラム(2.5cm×5cm)に添着し
た。同緩衝液でカラムを洗浄した後、同緩衝液中0〜
0.4Mの塩化ナトリウム400mLによる直線濃度勾
配によりタンパク質を溶出させた。目的の組換えセルラ
ーゼループ改変体は、塩化ナトリウム濃度0.25M付
近で、電気泳動的にほぼ単一な成分として溶出された。
脱塩濃縮は、限外濾過膜(PM10、ミリポア)を用い
て行った。
の最適反応pH 実施例4の如く調製して得られた組換えセルラーゼルー
プ改変体の精製標品を用いて、最適反応pHを調べた。
グリシン−水酸化ナトリウム緩衝液(pH8.2〜1
0.9)を用いて最適反応pHを調べた結果、組換え野
生型セルラーゼの最適反応pHは、pH9.0であるの
に対し、アラニン−グリシン−アラニン変異体のセルラ
ーゼの最適反応pHは、pH10と1pHユニット高ア
ルカリ性側にシフトすることが判った(図1)。また、
アラニン−ヒスチジン−アラニン変異体及びアラニン−
アルギニン−アラニン変異体の最適反応pHは、9.6
付近であり、さらにpH8.8からpH9.9の活性は
最適pH9.6での活性を100%とした場合、相対値
95%以上と親セルラーゼやアラニン−グリシン−アラ
ニン変異体に比べ高くなっていることも判った(図2、
3)。
濯液中のpH(pH10.5付近)に近い最適pHを有
し、洗剤用酵素として有用である。
上の相同性を有するセルラーゼのアミノ酸配列を整列さ
せた図である。
応pHを示す図である。
反応pHを示す図である。
反応pHを示す図である。
Claims (9)
- 【請求項1】 配列番号1で示されるアミノ酸配列又は
これと90%以上の相同性を有するセルラーゼについ
て、配列番号1の343位〜377位又はこれに相当す
る位置のアミノ酸残基から選ばれる1以上を欠失させ、
当該欠失部分にアミノ酸残基数2〜15のペプチド残基
を挿入した変異アルカリセルラーゼ。 - 【請求項2】 配列番号1の357位〜362位又はこ
れに相当する位置のアミノ酸残基から選ばれる1以上を
欠失させ、当該欠失部分にアミノ酸残基数2〜5のペプ
チド残基を挿入した請求項1記載の変異アルカリセルラ
ーゼ。 - 【請求項3】 配列番号1の357位〜362位又はこ
れに相当する位置のアミノ酸残基を全て欠失させ、当該
欠失部分にアミノ酸残基数3のペプチド残基を挿入した
請求項1又は2記載の変異アルカリセルラーゼ。 - 【請求項4】 挿入するペプチド残基が、アラニン及び
グリシン、アラニン及びヒスチジン、又はアラニン及び
アルギニンのいずれかを構成アミノ酸残基として含むも
のである請求項1〜3のいずれか1項記載の変異アルカ
リセルラーゼ。 - 【請求項5】 挿入するペプチド残基が、アラニン−グ
リシン−アラニン、アラニン−ヒスチジン−アラニン又
はアラニン−アルギニン−アラニンである請求項1〜4
のいずれか1項記載の変異アルカリセルラーゼ。 - 【請求項6】 請求項1〜5記載の変異アルカリセルラ
ーゼをコードする遺伝子。 - 【請求項7】 請求項6記載の遺伝子を含む組換えベク
ター。 - 【請求項8】 請求項7記載の組換えベクターを含む形
質転換体。 - 【請求項9】 宿主が微生物である請求項8記載の形質
転換体。
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