JP2005102625A - Method for producing d-lactic acid - Google Patents

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Terubumi Wada
光史 和田
Toshihiro Oikawa
利洋 及川
Hiroshi Mochizuki
大資 望月
Junko Tokuda
淳子 徳田
Miyuki Kawashima
美由貴 川嶋
Tadashi Araki
安楽城  正
Reiko Abe
玲子 阿部
Jinki Miyake
仁基 三宅
Hitoshi Takahashi
均 高橋
Hideki Sawai
秀樹 澤井
Takashi Mimizuka
孝 耳塚
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for producing D-lactic acid containing decreased amount of pyruvic acid accumulated as an impurity organic acid and difficult to be removed from a medium containing the produced and accumulated D-lactic acid and provide a method for producing D-lactic acid having high optical purity in high efficiency. <P>SOLUTION: D-lactic acid is produced by the aeration culture of an Escherichia coli prepared by transferring a gene encoding D-lactic acid dehydrogenase (excluding the gene encoding D-lactic acid dehydrogenase derived from Escherichia coli). The production method of D-lactic acid comprises the culture of the Escherichia coli in a medium under aeration to form and accumulate D-lactic acid in the medium. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は大腸菌を培養して、培地にD−乳酸を生成蓄積させることを特徴とするD−乳酸の製造法に関し、詳しくは純度が高い、特にピルビン酸の生成蓄積量が少ないD−乳酸の効率的な製造法に関わる。更に詳しくは本発明はD−乳酸デヒドロゲナーゼ(以下、ldhと略することがある)をコードする遺伝子(但し、大腸菌由来のD−乳酸デヒドロゲナーゼ(以下、ldhAと略することがある)をコードする遺伝子は除く。)を挿入した大腸菌であって、通気条件下で培養するとD−乳酸を生産することを特徴とする大腸菌、及び該大腸菌を培養することによりD−乳酸を製造する方法に関する。   The present invention relates to a method for producing D-lactic acid characterized by culturing Escherichia coli and producing and accumulating D-lactic acid in a medium. Specifically, the D-lactic acid has a high purity, particularly a low amount of pyruvic acid produced and accumulated. Involved in efficient manufacturing methods. More specifically, the present invention relates to a gene encoding a D-lactate dehydrogenase (hereinafter sometimes abbreviated as ldh) (hereinafter, referred to as D-lactate dehydrogenase derived from E. coli (hereinafter abbreviated as ldhA)). The present invention relates to Escherichia coli in which D-lactic acid is produced when cultured under aerated conditions, and a method for producing D-lactic acid by culturing the Escherichia coli.

生分解性ポリマーであるポリ乳酸は、CO2問題・エネルギー問題の顕在化とともにサスティナビリティー(持続可能性)、LCA(ライフサイクルアセスメント)対応型製品として強い注目を浴びており、その原料である乳酸には効率的で安価な製造法が求められている。 Polylactic acid, which is a biodegradable polymer, has attracted strong attention as a product that supports sustainability and LCA (life cycle assessment) along with the emergence of CO 2 and energy problems. There is a demand for an efficient and inexpensive production method for lactic acid.

ちなみに現在生産されているポリ乳酸はL−乳酸ポリマーであるが、乳酸にはL−乳酸(以下、L体と略することがある)とD−乳酸(以下、D体と略することがある)の2種類の光学異性体があり、D体についてもポリマー原料や農薬、医薬の中間体として近年注目が集まりつつある。但しいずれの用途においても、原料たるL体、D体には高い純度要求されるのが事実である。   Incidentally, currently produced polylactic acid is an L-lactic acid polymer, but lactic acid may be abbreviated as L-lactic acid (hereinafter abbreviated as L-form) and D-lactic acid (hereinafter abbreviated as D-form). ), And the D form has recently been attracting attention as an intermediate for polymer raw materials, agricultural chemicals, and pharmaceuticals. However, in any application, high purity is required for the L-form and D-form as raw materials.

自然界には乳酸菌などの乳酸を効率良く生産する細菌が存在し、それらを用いた乳酸製造法の中には既に実用化されているものもある。例えば、L体を効率良く生産させる細菌としてLactbacillus delbrueckiiなどがあり、D体を効率良く生産させる細菌としてSporolactobacillus属の微生物などが知られている。いずれの場合も嫌気培養で乳酸の蓄積量は高いレベルに達しているが、培養液中に含まれる乳酸以外の副生物、例えば酢酸、エタノール、アセトイン、ピルビン酸といった化合物が精製過程で除けずに、最終産物である乳酸の品質低下につながることがある。   In nature, there are bacteria that efficiently produce lactic acid such as lactic acid bacteria, and some lactic acid production methods using these bacteria have already been put into practical use. For example, Lactobacillus delbrueckii and the like are known as bacteria that efficiently produce L-form, and microorganisms belonging to the genus Sporolactobacillus are known as bacteria that produce D-form efficiently. In either case, the amount of lactic acid accumulated in anaerobic culture has reached a high level, but by-products other than lactic acid contained in the culture solution, such as acetic acid, ethanol, acetoin, and pyruvic acid, must be removed during the purification process. The quality of the final product, lactic acid, may be reduced.

そのような乳酸の純度低下を回避するには、細菌によって生産される副生物の量を低減化させることが最も効果的である。近年発展してきた遺伝子組換え技術を利用して微生物の特定遺伝子を破壊すれば、狙った副生物の生産を特異的に阻害することが可能となってきた。ただ現状的には、遺伝子破壊法がどのような細菌にでも容易に適応できる訳ではなく、乳酸菌など元来乳酸を高生産できる細菌での適応は困難である。なぜなら乳酸菌はゲノム情報が必ずしも十分とは言えず、遺伝子組換えの宿主としても汎用されていないからである。   In order to avoid such a decrease in the purity of lactic acid, it is most effective to reduce the amount of by-products produced by bacteria. If a specific gene of a microorganism is destroyed by using a genetic recombination technique that has been developed in recent years, it has become possible to specifically inhibit the production of a target by-product. However, at present, the gene disruption method is not easily adaptable to any bacteria, and it is difficult to adapt to bacteria that can originally produce lactic acid, such as lactic acid bacteria. This is because lactic acid bacteria do not necessarily have sufficient genome information and are not widely used as genetic recombination hosts.

それに対しゲノム情報が豊富で、遺伝子組換え宿主としての実績が十分にある細菌として大腸菌が挙げられる。   On the other hand, Escherichia coli can be mentioned as a bacterium with abundant genome information and a sufficient track record as a genetically modified host.

ゾウら〔Zhou,S., Appl Environ Microbiol (2003) 69 399-407〕の報告によれば、ピルベートホルメートリアーゼ(pflB)、フマル酸レダクターゼ(frdABCD)(以下frdと略すことがある)、アルコール/アルデヒドデヒドロゲナーゼ(以下adhEと略すことがある)、およびアセテートキナーゼ(以下ackAと略すことがある)の4重破壊大腸菌を5%のグルコースを含む無機塩培地で嫌気条件下にて168時間培養することによって、48.5g/LのD体が生産され、培地中のコハク酸、蟻酸、酢酸、エタノールといった副生物量が顕著に低減化されている。しかしながら、ピルビン酸については言及がなく、ピルビン酸生産能の低減化効果については不明である。ピルビン酸はD体の代謝反応前駆体であるため、例えばホスホエノールピルビン酸からピルビン酸への反応を触媒する酵素を破壊すると、ピルビン酸蓄積量は低下するであろうが同時にD体蓄積量も低下するといった好ましからざる結果を招くことが予想される。一般にピルビン酸が乳酸モノマー原料に不純物として含まれた場合には、ポリマー重合率が低下する等の好ましからざる問題が生じることは当業者には良く知られた事実であり、その意味からもピルビン酸はぜひとも低減化すべき副生物の一つである。にも拘わらずD体蓄積量を低下させることなく、ピルビン酸蓄積量を低下させることに成功したという報告は過去になされていない。   According to a report by Zou et al. [Zhou, S., Appl Environ Microbiol (2003) 69 399-407], pyruvate formate lyase (pflB), fumarate reductase (frdABCD) (hereinafter abbreviated as frd), Alcohol / aldehyde dehydrogenase (hereinafter sometimes abbreviated as adhE) and acetate kinase (hereinafter sometimes abbreviated as ackA) fourfold disrupted E. coli were cultured in an inorganic salt medium containing 5% glucose for 168 hours under anaerobic conditions. As a result, 48.5 g / L of D-form is produced, and the amount of by-products such as succinic acid, formic acid, acetic acid and ethanol in the medium is significantly reduced. However, there is no mention of pyruvic acid, and the effect of reducing the ability to produce pyruvic acid is unknown. Since pyruvic acid is a precursor of metabolic reaction of D-form, for example, if the enzyme that catalyzes the reaction from phosphoenolpyruvate to pyruvic acid is destroyed, the amount of pyruvic acid accumulated will decrease, but at the same time the amount of D-form accumulated It is expected to cause undesirable results, such as a decline. In general, when pyruvic acid is contained as an impurity in the lactic acid monomer raw material, it is well known to those skilled in the art that undesirable problems such as a decrease in the polymer polymerization rate occur. Is one of the by-products that should be reduced. Nevertheless, no report has been made in the past that the pyruvic acid accumulation amount has been successfully reduced without reducing the D body accumulation amount.

コンタグら〔Contag, PR., Appl Environ Microbiol (1990) 56 3760-3765〕はクロストリジウム・アセトブチリカム由来のD−乳酸デヒドロゲナーゼの遺伝子をクローニングするため、嫌気条件下では増殖できないFMJ39という大腸菌株を宿主とした発現実験を行っている。FMJ39にクロストリジウム・アセトブチリカム由来ldh遺伝子を導入して発現させた株は、嫌気条件下でも増殖できるようになるため、この性質を利用してldh遺伝子をクローニングしている訳である。彼らはこの実験で、クロストリジウム・アセトブチリカム由来のldh遺伝子断片が組み込まれた2種類の発現プラスミドpPC37とpPC58を、それぞれFMJ39に導入した株の乳酸生産濃度とldh活性を開示している。その結果はldh活性はFMJ39(pPC37)がFMJ39(pPC58)よりも高いにもかかわらず、乳酸生産量はFMJ39(pPC37)の方が低くなっていた。すなわち 、コンタグらはクロストリジウム・アセトブチリカム由来のldh遺伝子を大腸菌で発現させてはいるものの、そのことにより乳酸の生産性が向上したことを示してはおらず、またそのことには全く言及もしていない。また、副生物であるピルビン酸についても全く言及していない。   Contag et al. (Contag, PR., Appl Environ Microbiol (1990) 56 3760-3765) clones the gene for D-lactate dehydrogenase derived from Clostridium acetobutylicum, and therefore uses E. coli strain FMJ39 that cannot grow under anaerobic conditions as a host. We are conducting expression experiments. Strains obtained by introducing the ldh gene derived from Clostridium acetobutylicum into FMJ39 can be grown under anaerobic conditions, so the ldh gene is cloned using this property. In this experiment, they disclosed lactic acid production concentrations and ldh activity of strains into which two types of expression plasmids pPC37 and pPC58, each incorporating an Ldh gene fragment derived from Clostridium acetobutylicum, were introduced into FMJ39, respectively. As a result, although the ldh activity was higher in FMJ39 (pPC37) than in FMJ39 (pPC58), the amount of lactic acid produced was lower in FMJ39 (pPC37). That is, although Contag et al. Expressed the Ldh gene derived from Clostridium acetobutylicum in Escherichia coli, it did not show that the productivity of lactic acid was improved, and nothing was mentioned about it. Also, there is no mention of pyruvic acid, which is a by-product.

またコンタグらとは別の細菌由来ldhを大腸菌に過剰発現させた例としては、Lactobacillus helveticus由来ldhの発現例としてはコッカーら〔Kochhar,S., Eur. J. Biochem., (1992) 208, 799-805〕やLactobacillus bulgaricus由来ldhの発現例としてコッカーら〔Kochhar,S., Biochem. Biophys. Res. Commun., (1992) 185, 705-712〕が挙げられるが、いずれの例も発現させた酵素の物理化学的性質を調べたものであって、D体やピルビン酸の蓄積量についての言及は皆無である。   Moreover, as an example of overexpression of ldh derived from bacteria different from Contag et al. In Escherichia coli, as an example of Ldh derived from Lactobacillus helveticus, Cocker et al. (Kochhar, S., Eur. J. Biochem., (1992) 208, 799-805] and Lactobacillus bulgaricus-derived ldh expression examples include Cocker et al. (Kochhar, S., Biochem. Biophys. Res. Commun., (1992) 185, 705-712). The physicochemical properties of the enzyme were examined, and there is no mention of the accumulated amount of D-form or pyruvic acid.

つまるところ、過去において大腸菌以外の乳酸デヒドロゲナーゼを大腸菌に過剰発現させた例はあるものの、乳酸の生産時に通気条件下で発現させ、乳酸の高生産と同時にピルビン酸蓄積量を有意に低下させることに成功したものは無かった。   In other words, in the past, there was an example of overexpression of lactate dehydrogenase other than E. coli in Escherichia coli, but it was expressed under aeration conditions during the production of lactic acid and succeeded in significantly reducing pyruvate accumulation at the same time as high production of lactic acid. There was nothing I did.

トランスポゾンを用いたピルベートデヒドロゲナーゼ(以下pdhと略することがある)の変異及び/または変異剤を用いたピルベートホルメートリアーゼに関する変異を有する変異株については1983年にチャンら〔Chang,YY., J. Bacteriol., (1983) 154,756-762〕により取得されており、公知である。またこれらの株を利用したD体の生産例は報告されていない。   A mutant having a mutation in pyruvate dehydrogenase (hereinafter abbreviated as pdh) using a transposon and / or a mutation related to pyruvate formate lyase using a mutation agent was introduced in 1983 by Chang et al. [Chang, YY. , J. Bacteriol., (1983) 154,756-762] and is well known. Moreover, the production example of D body using these strains has not been reported.

大腸菌を用いて乳酸発酵させる場合、一般には酸素の存在は好ましくないと考えられている。なぜなら酸素のような電子受容体が存在すると、大腸菌は発酵ではなく呼吸を行うからである。酸素のような電子受容体が無い場合に限り、大腸菌は基質レベルのリン酸化のみによりエネルギー(ATP)を得、解糖系で得られた還元力(NADH)を用いて乳酸などの還元性有機酸を生産する。そのような理由から、従来の大腸菌によるD体発酵は殆ど嫌気培養で行われている。まれに培養の前半を通気し、後半を嫌気培養するという二相培養が行われる場合もあるが、これは前半の通気培養によって十分な菌体量を確保するのが目的であり、最終的な乳酸発酵はやはり嫌気で行っている訳である。しかし実際の工業生産を想定した場合、培地に添加する安価なアミノ酸源であるコーンスティープリカー(以下CSLと略すことがある)等の中には不純物となる有機酸だけでなく、D体、L体両方の乳酸が含まれるが、嫌気培養だとL体が資化されず、培地中に残存したままとなる。L体からピルビン酸を生成する反応の触媒酵素であるL-乳酸デヒドロゲナーゼは通気条件下で発現することが知られているので、もし通気条件下でも効率良くD−乳酸発酵させる方法があれば、その方法を用いることで培地中に含まれるL体を菌体に資化させ、光学的にも高い純度のD体を生産させることが可能となるものと期待されるが、これまでそれを実現する技術は存在しなかった。
ゾウら、アプライド アンド エンバイロンメンタル マイクロバイオロジー、アメリカ合衆国、(2003) 69 399−407〔Zhou,S., Appl Environ Microbiol, United States (2003) 69 399-407〕 コンタグら、アプライド アンド エンバイロンメンタル マイクロバイオロジー、アメリカ合衆国、(1990) 56 3760−3765〔Contag, PR., Appl Environ Microbiol, United States (1990) 56 3760-3765〕 コッカーら、ヨーロピアン ジャーナル オブ バイオケミストリー、ドイツ (1992) 208, 799−805〔Kochhar,S., Eur. J. Biochem., Germany (1992) 208, 799-805〕 コッカーら、バイオケミカル アンド バイオフィジカル リサーチ コミュニケーションズ、アメリカ合衆国 (1992) 185, 705−712〔Kochhar,S., Biochem. Biophys. Res. Commun., (1992) 185, 705-712〕 チャンら、ジャーナル オブ バイオテクノロジー、アメリカ合衆国、(1983) 154 756−762〔Chang,YY., J. Bacteriol. (1983) 154 756-762〕
In the case of lactic acid fermentation using Escherichia coli, it is generally considered that the presence of oxygen is not preferable. This is because in the presence of an electron acceptor such as oxygen, E. coli breathes, not fermented. Only when there is no electron acceptor such as oxygen, E. coli obtains energy (ATP) only by phosphorylation at the substrate level, and reductive organic substances such as lactic acid using the reducing power (NADH) obtained in glycolysis. Produce acid. For this reason, conventional D-form fermentation by Escherichia coli is mostly carried out by anaerobic culture. In rare cases, the first half of the culture is aerated and the second half is anaerobically cultured, but this is intended to ensure a sufficient amount of cells by aeration culture in the first half. Lactic acid fermentation is still anaerobic. However, assuming actual industrial production, corn steep liquor (hereinafter sometimes abbreviated as CSL), which is an inexpensive amino acid source added to the medium, includes not only organic acids that are impurities, but also D-form, L-form. Both bodies contain lactic acid, but in anaerobic culture, the L form is not assimilated and remains in the medium. Since L-lactate dehydrogenase, which is a catalytic enzyme for the reaction of generating pyruvic acid from L-form, is known to be expressed under aeration conditions, if there is a method for efficient D-lactic acid fermentation under aeration conditions, By using this method, it is expected that the L-form contained in the medium will be assimilated into the microbial cells, and it will be possible to produce optically high-purity D-form. There was no technology to do.
Zou et al., Applied and Environmental Microbiology, United States, (2003) 69 399-407 [Zhou, S., Appl Environ Microbiol, United States (2003) 69 399-407] Contag et al., Applied and Environmental Microbiology, United States, (1990) 56 3760-3765 [Contag, PR., Appl Environ Microbiol, United States (1990) 56 3760-3765] Cocker et al., European Journal of Biochemistry, Germany (1992) 208, 799-805 [Kochhar, S., Eur. J. Biochem., Germany (1992) 208, 799-805] Cocker et al., Biochemical and Biophysical Research Communications, USA (1992) 185, 705-712 [Kochhar, S., Biochem. Biophys. Res. Commun., (1992) 185, 705-712] Chang et al., Journal of Biotechnology, United States, (1983) 154 756-762 [Chang, YY., J. Bacteriol. (1983) 154 756-762]

本発明の第1の目的は、不純物有機酸として従来より微生物によりD−乳酸を生成蓄積させた培地中からの除去が容易ではなかったピルビン酸の蓄積量を低減化させたD-乳酸生産法を提供することにある。そして本発明の第2の目的は光学純度の高いD−乳酸を効率的に生産するD−乳酸の生産方法を提供することである。   A first object of the present invention is a method for producing D-lactic acid in which the amount of pyruvic acid that has not been easily removed from a medium in which D-lactic acid is conventionally produced and accumulated by microorganisms as an impurity organic acid has been reduced. Is to provide. The second object of the present invention is to provide a method for producing D-lactic acid that efficiently produces D-lactic acid having high optical purity.

発明者らは、これら上記の課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、D−乳酸デヒドロゲナーゼ遺伝子(但し、大腸菌由来のものは除く)を導入した大腸菌であって、グルコースが存在する培地で通気培養下でも野生型よりD−乳酸デヒドロゲナーゼ遺伝子が有意に多く発現する様に工夫された大腸菌、さらに好ましくは上記に加えてピルベートホルメートリアーゼ(pfl)、または/及びピルベートデヒドロゲナーゼ(pdh)の活性が低下若しくは消失した大腸菌を培地で培養してD−乳酸を生成蓄積すると、D−乳酸の生成に同伴して培地中に生成蓄積する不純物であるピルビン酸の濃度が顕著に低下し、従来より短時間に高濃度にD−乳酸を生産し、培地中に光学異性体のL−乳酸が含まれていても光学純度99.9%ee以上のD−乳酸を生産することを見出だし本発明に到達した。   As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the inventors have introduced Escherichia coli into which a D-lactate dehydrogenase gene (excluding those derived from Escherichia coli) has been introduced and aerated in a medium containing glucose. E. coli devised to express significantly more D-lactate dehydrogenase gene than wild type even in culture, more preferably pyruvate formate lyase (pfl), and / or pyruvate dehydrogenase (pdh). When E. coli whose activity has been reduced or disappeared is cultured in a medium and D-lactic acid is produced and accumulated, the concentration of pyruvic acid, which is an impurity produced and accumulated in the medium accompanying the production of D-lactic acid, is significantly reduced. Even if D-lactic acid is produced at a high concentration in a shorter time and the optical isomer L-lactic acid is contained in the medium, the optical purity is 99.9% ee or more. - it has reached the onsets present invention viewed to produce lactic acid.

すなわち本発明は以下のとおりである。
[1] D−乳酸デヒドロゲナーゼをコードする遺伝子(但し、大腸菌(Escherichia coli)由来のD−乳酸デヒドロゲナーゼをコードする遺伝子は除く)を導入した大腸菌であって、通気条件下で培養するとD−乳酸を生産することを特徴とする大腸菌。
[2] (嫌気性条件下で培養した場合に)ピルビン酸を(培地中に)蓄積する性質を有する大腸菌にD−乳酸デヒドロゲナーゼをコードする遺伝子(但し、大腸菌(Escherichia coli)由来のものは除く)を導入して得られることを特徴とする[1]に記載の大腸菌。
[3] リポ酸要求性を有することを特徴とした[1]又は[2]に記載の大腸菌。
[4] ピルベートホルメートリアーゼの機能を欠失したことを特徴とする[1]〜[3]のいずれか一項に記載の大腸菌。
[5] D−乳酸デヒドロゲナーゼをコードする遺伝子が解糖系、核酸生合成系又はアミノ酸生合成系に関わる蛋白質の発現を司る遺伝子のプロモーターと連結されていることを特徴とする[1]〜[4]のいずれか一項に記載の大腸菌。
[6] D−乳酸デヒドロゲナーゼをコードする遺伝子が乳酸菌由来であることを特徴とする[1]〜[5]のいずれか一項に記載の大腸菌。
[7] D−乳酸デヒドロゲナーゼをコードする遺伝子がラクトバチルス・プランタラム(Lactobacillus plantarum)、および/またはペディオコッカス・アシディラクティシ(Pediococcus acidilactici)、由来であることを特徴とする請求項[1]〜[5]のいずれかに記載の大腸菌。
[8] [1]〜[7]のいずれか一項に記載の大腸菌を、培地を用いて通気条件下で培養し、該培地中にD−乳酸を生成蓄積せしめることを特徴とするD−乳酸製造法。
[9] 培養の際の培地のpHを4〜8とすることを特徴とする[8]に記載のD−乳酸製造法。
[10] 培養の際の培地のpHを6〜7とすることを特徴とする[9]に記載のD−乳酸製造法。
[11] 培養を培養槽を用いて行い、その際の通気条件が酸素移動容量係数kLaが1h-1以上400h-1以下となるような運転条件で温度30℃の水に空気を常圧下の培養槽に供給したときに達成し得る酸素供給量と同等の条件であることを特徴とする[8]〜[10]の何れか一項に記載のD−乳酸製造方法。
That is, the present invention is as follows.
[1] Escherichia coli introduced with a gene encoding D-lactate dehydrogenase (excluding a gene encoding D-lactate dehydrogenase derived from Escherichia coli), and when cultured under aerated conditions, D-lactate E. coli characterized by producing.
[2] A gene encoding D-lactate dehydrogenase in Escherichia coli having the property of accumulating pyruvate (in culture medium) (when cultured under anaerobic conditions) (except for those derived from Escherichia coli) The Escherichia coli according to [1], which is obtained by introducing
[3] The Escherichia coli according to [1] or [2], which has lipoic acid requirement.
[4] E. coli according to any one of [1] to [3], wherein the function of pyruvate formate lyase is deleted.
[5] The gene encoding D-lactate dehydrogenase is linked to a promoter of a gene responsible for expression of a protein involved in glycolysis, nucleic acid biosynthesis or amino acid biosynthesis [1] to [ [4] The Escherichia coli according to any one of [4].
[6] The E. coli according to any one of [1] to [5], wherein the gene encoding D-lactate dehydrogenase is derived from lactic acid bacteria.
[7] The gene encoding D-lactate dehydrogenase is derived from Lactobacillus plantarum and / or Pediococcus acidilactici [1] ] E. coli according to any one of [5] to [5].
[8] The D-, characterized in that the E. coli according to any one of [1] to [7] is cultured using a medium under aerated conditions, and D-lactic acid is produced and accumulated in the medium. Lactic acid production method.
[9] The method for producing D-lactic acid according to [8], wherein the pH of the medium during culture is 4 to 8.
[10] The method for producing D-lactic acid according to [9], wherein the pH of the medium during the culture is 6 to 7.
[11] The culture was performed using the culture tank, atmospheric air to a temperature 30 ° C. water at operating conditions as aeration conditions at that time is the volumetric oxygen transfer coefficient k L a a 1h -1 or 400h -1 or less The method for producing D-lactic acid according to any one of [8] to [10], wherein the conditions are equivalent to an oxygen supply amount that can be achieved when the culture tank is supplied under pressure.

本発明により、ピルビン酸の生成量が少ないD−乳酸を生成する大腸菌が提供される。そして、本発明により作成された菌体を培養し、D−乳酸を生産することにより既存の方法に比較してより経済的に化学的純度及び光学純度の高いD−乳酸を生産することが可能となる。   The present invention provides Escherichia coli that produces D-lactic acid with a small amount of pyruvate. And it is possible to produce D-lactic acid with higher chemical purity and optical purity more economically than existing methods by culturing the cells prepared according to the present invention and producing D-lactic acid. It becomes.

以下、本発明を詳細に説明する。まずはじめに本発明の大腸菌に関して以下に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail. First, the E. coli of the present invention will be described below.

本発明におけるD−乳酸デヒドロゲナーゼをコードする遺伝子(ldh)とは、ピルビン酸およびNADHより乳酸およびNADを生成する酵素をコードする大腸菌由来以外の遺伝子であり、大腸菌に由来するもの以外の遺伝子であればその由来に特に制限はない。そのようなものとして具体的にはタグチ ら〔Taguchi, H.,J Biol Chem 5;266(19):12588-94(1991)〕が取得したラクトバチルス・プランタラム(Lactobacillus plantarum)、および/またはジャミンら〔Garmyn D., J Bacteriol 177(12):3427-37(1995)〕が取得したペディオコッカス・アシディラクティシ(Pediococcus acidilactici)、その他乳酸菌由来のD−乳酸デヒドロゲナーゼ遺伝子を例示することができる。   The gene (ldh) encoding D-lactate dehydrogenase in the present invention is a gene other than E. coli that encodes an enzyme that produces lactic acid and NAD from pyruvate and NADH, and may be a gene other than those derived from E. coli. There are no particular restrictions on its origin. As such, specifically, Lactobacillus plantarum obtained by Taguchi et al. [Taguchi, H., J Biol Chem 5; 266 (19): 12588-94 (1991)], and / or Illustrate Pediococcus acidilactici obtained by Jamin et al. [Garmyn D., J Bacteriol 177 (12): 3427-37 (1995)] and other D-lactic acid dehydrogenase genes derived from lactic acid bacteria. Can do.

また、また、このような遺伝子組み換えに用いるD−乳酸デヒドロゲナーゼをコードする遺伝子には、D−乳酸デヒドロゲナーゼをコードする遺伝子を大腸菌以外の菌株から単離した後に変異を施し、変異前の遺伝子がコードするD−乳酸デヒドロゲナーゼに対して1個若しくは数個のアミノ酸が欠失、置換、付加若しくは挿入された変異体で、D−乳酸デヒドロゲナーゼ活性を有するものをコードする遺伝子のようなものも含む。該変異体は、たとえば、1個もしくは数個の塩基の付加、欠失もしくは他の塩基への置換を行うことにより作ることができる。1個もしくは数個の塩基の付加、欠失もしくは他の塩基への置換の手段は自体は公知であり、例えば、ランダム変異導入法、部位特異的変異導入法、遺伝子相同組換え法、またはポリメラーゼ連鎖増幅法(PCR)を単独または適宜組み合わせて行うことができる。例えば亜硫酸水素ナトリウムを用いた化学的な処理によりシトシン塩基をウラシル塩基に置換する方法や、マンガンを含む反応液中でPCRを行い、DNA合成時のヌクレオチドの取り込みの正確性を低くする方法、部位特異的変異導入のための市販されている各種キットを用いることもできる。例えばサムブルック等編[モレキュラークローニング、ア ラボラトリーマニュアル 第2版]コールドスプリングハーバーラボラトリー、1989、村松正實編[ラボマニュアル遺伝子工学]丸善株式会社、1988、エールリッヒ、HE.編[PCRテクノロジー、DNA増幅の原理と応用]ストックトンプレス、1989等の成書に記載の方法に準じて、あるいはそれらの方法を改変して実施することができる。   Moreover, the gene encoding D-lactate dehydrogenase used for such genetic recombination is subjected to mutation after isolation of the gene encoding D-lactate dehydrogenase from a strain other than E. coli, and the gene before mutation is encoded. In addition, a gene encoding a mutant having one or several amino acids deleted, substituted, added or inserted into D-lactate dehydrogenase and having D-lactate dehydrogenase activity is also included. Such mutants can be made, for example, by adding, deleting or substituting one or several bases. Means for addition, deletion or substitution with one or several bases are known per se, such as random mutagenesis, site-directed mutagenesis, gene homologous recombination, or polymerase The chain amplification method (PCR) can be performed alone or in appropriate combination. For example, a method of replacing cytosine base with uracil base by chemical treatment using sodium bisulfite, a method of performing PCR in a reaction solution containing manganese, and reducing the accuracy of nucleotide incorporation during DNA synthesis, site Various commercially available kits for introducing specific mutations can also be used. For example, edited by Sambrook et al. [Molecular Cloning, Laboratory Manual 2nd Edition] Cold Spring Harbor Laboratory, 1989, edited by Masami Muramatsu [Lab Manual Genetic Engineering] Maruzen Co., Ltd., 1988, Ehrlich, HE. Chapter [PCR Technology, Principles and Applications of DNA Amplification] It can be carried out according to the method described in the book of Stockton Press, 1989, etc., or by modifying those methods.

本発明の大腸菌は、ヘテロ乳酸醗酵により乳酸を生産し得る大腸菌に、上記のD−乳酸デヒドロゲナーゼをコードする遺伝子を導入して得ることができる大腸菌であり、通気条件下で培養するとD−乳酸を生産することを特徴とする。ここにおいて、D−乳酸デヒドロゲナーゼをコードする遺伝子(但し、大腸菌(Escherichia coli)由来のものは除く)を導入したとは、大腸菌の染色体上および/または自己複製するベクター上にD−乳酸デヒドロゲナーゼをコードする遺伝子が挿入され、大腸菌内に大腸菌由来以外のD−乳酸デヒドロゲナーゼをコードする遺伝子が発現可能に存在することを示す。   The Escherichia coli of the present invention is an Escherichia coli that can be obtained by introducing the gene encoding the above-mentioned D-lactic acid dehydrogenase into Escherichia coli that can produce lactic acid by heterolactic fermentation. It is characterized by producing. Here, the introduction of a gene encoding D-lactate dehydrogenase (except for those derived from Escherichia coli) means that D-lactate dehydrogenase is encoded on the chromosome of Escherichia coli and / or on a self-replicating vector. It is shown that a gene encoding D-lactate dehydrogenase other than that derived from E. coli is present in E. coli so that it can be expressed.

また、通気条件下で培養するとD−乳酸を生産するとは、導入したD−乳酸デヒドロゲナーゼをコードする遺伝子が通気培養条件下で発現し、該遺伝子を導入する前と比較して大腸菌のD−乳酸生産時のD−乳酸の蓄積量が向上する能力を有することを示す。   In addition, when cultured under aerated conditions, D-lactic acid is produced when the gene encoding the introduced D-lactate dehydrogenase is expressed under aerated culture conditions and compared with that before introduction of the gene. It shows that it has the capability to improve the accumulated amount of D-lactic acid during production.

本発明の大腸菌は、D−乳酸の生産に伴って培地にピルビン酸を蓄積することがあるが、その場合には従来知られているような微生物を用いた乳酸生産において培地中に生成するピルビン酸の量に比べて遥かに少ない。   The Escherichia coli of the present invention may accumulate pyruvic acid in the medium along with the production of D-lactic acid. In that case, pyrubin produced in the medium during lactic acid production using microorganisms as conventionally known. Much less than the amount of acid.

本発明におけるピルビン酸を蓄積することを特徴とするとは、通気条件でグルコースを含む培地で培養を行った際、大腸菌野生株MG1655株(ATCC47076)もしくはW3110株(ATCC39936)と比較し有意に多くピルビン酸を蓄積する大腸菌を意味し、具体的には例えば大腸菌W1485lip2(ATCC25645)株、大腸菌MT−10934株、任意の大腸菌野生株のピルベートデヒドロゲナーゼをコードする遺伝子を破壊した菌株が例示できる。   It is characterized by accumulating pyruvic acid in the present invention that, when cultured in a medium containing glucose under aeration conditions, the amount of pyrubin is significantly larger than that of E. coli wild strain MG1655 (ATCC 47076) or W3110 (ATCC 39936). It means Escherichia coli that accumulates acid, and specific examples include Escherichia coli W1485lip2 (ATCC25645) strain, Escherichia coli MT-10934 strain, and strains in which the gene encoding pyruvate dehydrogenase of any Escherichia coli wild strain is disrupted.

ピルベートデヒドロゲナーゼ(pdh)とはピルビン酸からアセチルCoAを生成する酵素を指す。ピルベートデヒドロゲナーゼは、その活性を発現するためにリポ酸を要求する。したがってリポ酸の生合成能力を失ったリポ酸要求性株は培地より供給されるリポ酸により、その活性をコントロールすることが可能である。本発明におけるリポ酸要求性とは、リポ酸を含まない培地では生育できないが、リポ酸を培地に加えることで生育が可能となることで、そのような大腸菌は、具体的にはW1485lip2株(ATCC25645)が例示できる。以上のような理由から、本発明の大腸菌は、リポ酸要求性を有することがある。   Pyruvate dehydrogenase (pdh) refers to an enzyme that produces acetyl CoA from pyruvate. Pyruvate dehydrogenase requires lipoic acid to express its activity. Therefore, the lipoic acid-requiring strain that has lost the ability to biosynthesize lipoic acid can be controlled in its activity by lipoic acid supplied from the medium. The lipoic acid requirement in the present invention is that growth is not possible in a medium not containing lipoic acid, but growth is possible by adding lipoic acid to the medium. Such Escherichia coli is specifically W1485lip2 strain ( ATCC 25645). For the reasons described above, the Escherichia coli of the present invention may have lipoic acid requirement.

本発明の大腸菌は、更にピルベートホルメートリアーゼの機能を欠失したものであってもよい。ピルベートホルメートリアーゼはピルビン酸からギ酸を生成する酵素を指す。なお、ピルベートホルメートリアーゼは、pflA遺伝子とpflB遺伝子の2つの遺伝子の産物により構成されている。両者を区別する必要がない場合は単にpflと記載し、pflB遺伝子のみを指す場合はpflBと記載する。   The Escherichia coli of the present invention may further lack the pyruvate formate lyase function. Pyruvate formate lyase refers to an enzyme that produces formic acid from pyruvate. Note that pyruvate formate lyase is composed of two gene products, the pflA gene and the pflB gene. When it is not necessary to distinguish the two, it is simply written as pfl, and when only the pflB gene is pointed out, it is written as pflB.

本発明においてピルベートホルメートリアーゼの機能を欠失したとは、大腸菌野生株MG1655株もしくはW3110株と比較し有意にピルベートホルメートリアーゼ活性が低下した菌株であり、活性がまったく消失したものも含む。具体的には大腸菌MT−10934株および任意の大腸菌野生株のピルベートホルメートリアーゼ(pflB)をコードする遺伝子を破壊した菌株が例示できる。   In the present invention, the lack of the function of pyruvate formate lyase is a strain in which the activity of pyruvate formate lyase is significantly reduced compared to the E. coli wild strain MG1655 strain or W3110 strain. Including. Specifically, strains in which the gene encoding pyruvate formate lyase (pflB) of Escherichia coli MT-10934 strain and any wild strain of Escherichia coli is disrupted can be exemplified.

MT−10934はすでにピルベートデヒドロゲナーゼがトランスポゾンを用いた変異で完全破壊され、ピルベートホルメートリアーゼは変異剤によりその活性が低下しているため、これを用いて容易に本発明を実施することが可能である。本菌株は、FERM P−19092の寄託番号で、茨城県つくば市東1丁目1番1号中央第6の、独立行政法人産業技術総合研究所 特許生物寄託センターに平成14年11月8日より寄託されている。   MT-10934 has already been completely destroyed by pyruvate dehydrogenase mutation using a transposon, and pyruvate formate lyase is reduced in its activity by a mutagen. Therefore, the present invention can be easily used to carry out the present invention. Is possible. This strain is the deposit number of FERM P-19092 and has been deposited on November 8, 2002 at the Patent Organism Depositary, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), 1-1-1, Higashi 1-1-1, Tsukuba, Ibaraki Has been.

本発明の大腸菌は、D−乳酸デヒドロゲナーゼをコードする遺伝子が解糖系、核酸生合成系又はアミノ酸生合成系に関わる蛋白質の発現を司る遺伝子のプロモーターと連結されていることもできる。   In the Escherichia coli of the present invention, a gene encoding D-lactate dehydrogenase can be linked to a promoter of a gene that controls expression of a protein involved in glycolysis, nucleic acid biosynthesis, or amino acid biosynthesis.

本発明における解糖系、核酸生合成系又はアミノ酸生合成系に関わる蛋白質の発現を司る遺伝子のプロモーターとは、恒常的に大腸菌内で機能する強力なプロモーターで且つグルコース存在下でも発現の抑制を受けにくいプロモーターで、具体的にはグリセルアルデヒド3リン酸デヒドロゲナーゼのプロモーター(GPA)やセリンヒドロキシメチルトランスフェラーゼ(glyA)プロモーターが例示できる。   In the present invention, the promoter of a gene that controls the expression of a protein involved in glycolysis, nucleic acid biosynthesis, or amino acid biosynthesis is a strong promoter that functions constantly in E. coli and suppresses expression even in the presence of glucose. Specific examples of promoters that are not easily received include glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase promoter (GPA) and serine hydroxymethyltransferase (glyA) promoter.

本発明における乳酸菌とは糖を発酵的に分解して生産される有機酸の50%以上が乳酸に変換される微生物で具体的にはラクトバチルス・プランタラム(Lactobacillus plantarum)、ペディオコッカス・アシディラクティシ(Pediococcus acidilactici)が例示できる。   The lactic acid bacterium in the present invention is a microorganism in which 50% or more of an organic acid produced by fermentatively degrading sugar is converted to lactic acid. Specifically, Lactobacillus plantarum (Lactobacillus plantarum), Pediococcus reed An example is Pediococcus acidilactici.

本発明の大腸菌は、50g/L以上のグルコース存在下で発現するように設計されており、50g/L以上のD−乳酸を生産するときに導入する前と比較して10%以上D−乳酸の蓄積量が向上し、同時に生産されるピルビン酸が有意に減少する能力を持つように設計され導入されていることが好ましい。具体的にはラクトバチルス・プランタラムの乳酸デヒドロゲナーゼを導入したMT−10934/pGLPldh株、ペディオコッカス・アシディラクティシの乳酸デヒドロゲナーゼを導入したMT−10934/pGPAldh株が例示できる。   The Escherichia coli of the present invention is designed to be expressed in the presence of 50 g / L or more of glucose, and is 10% or more of D-lactic acid as compared to before introduction when producing 50 g / L or more of D-lactic acid. It is preferable that the amount of pyruvic acid is improved and the pyruvic acid produced at the same time is designed and introduced so that it has the ability to significantly decrease. Specific examples include MT-10934 / pGLPldh strain into which lactobacillus plantarum lactate dehydrogenase has been introduced, and MT-10934 / pGPAldh strain into which lactate dehydrogenase from Pediococcus acidilacticis has been introduced.

次に、本発明に係る大腸菌の培養方法並びにD−乳酸の製造法に関して説明する。   Next, the method for culturing Escherichia coli and the method for producing D-lactic acid according to the present invention will be described.

本発明における乳酸生産のための培養とは、培地を用いて本発明に係る大腸菌を培養することである。その際、使用される培地としては作成された菌体がD−乳酸を生産するために必要な栄養源を含むものであれば特に制限されない。このような栄養源としては、炭素源、窒素源、無機イオン、菌体が要求する有機微量元素、核酸及びビタミン類等が挙げられ、これらから適宜選択したものを利用して培地を調製することができる。   The culture for lactic acid production in the present invention means culturing Escherichia coli according to the present invention using a medium. At that time, the medium to be used is not particularly limited as long as the prepared microbial cells contain a nutrient source necessary for producing D-lactic acid. Examples of such nutrient sources include carbon sources, nitrogen sources, inorganic ions, organic trace elements required by cells, nucleic acids, vitamins, and the like. Can do.

より好ましい結果を得るためには、2種以上のアミノ酸を含む培地が好ましい。このようなアミノ酸の添加の形態としては、天然のアミノ酸の2種以上の組合わせや、酵母エキス、カザミノ酸、ペプトン、ホエー、廃糖蜜、コーンスティープリカー等の複数のアミノ酸を混合物として含有する天然物や天然物抽出物の加水分解物を挙げることができる。酵母エキス、ペプトン、ホエー、廃糖蜜、コーンスティープリカー等より選ばれる少なくとも1種類、もしくはそれらの混合物の総量が0.5質量%から20質量%含む培地がより好ましく、1質量%から10質量%ではさらに好ましい。特にコーンスティープリカーや酵母エキス添加はペプトン、カザミノ酸添加よりもさらに大きな効果が得られ、このとき硫酸アンモニウムなどの塩は添加しないほうがむしろよい結果となる。培地は通常液体培地である。   In order to obtain more preferable results, a medium containing two or more amino acids is preferable. As the form of addition of such amino acids, a combination of two or more kinds of natural amino acids, a natural extract containing a plurality of amino acids such as yeast extract, casamino acid, peptone, whey, molasses, corn steep liquor, etc. as a mixture And hydrolysates of natural product extracts. A medium containing at least one kind selected from yeast extract, peptone, whey, molasses, corn steep liquor, etc., or a mixture thereof is more preferably 0.5% by mass to 20% by mass, more preferably 1% by mass to 10% by mass. Then, it is more preferable. In particular, the addition of corn steep liquor or yeast extract is more effective than the addition of peptone or casamino acid. At this time, it is better to add no salt such as ammonium sulfate. The medium is usually a liquid medium.

培養はフラスコ等を用いて、その中に液体培地を入れてしんとう培養してもよいが、通常は液体培地を培養槽に入れて、温度調節及び攪拌しながら行う。   The culture may be carried out using a flask or the like and a liquid medium in the flask for culturing. Usually, the liquid medium is placed in a culture tank and the temperature is adjusted and stirred.

培養条件としては作成された大腸菌菌体の種類や、培養装置により適宜変更可能であるが、大腸菌の培養に適した条件であり、10〜40℃、好ましくは20〜40℃で、pH4〜8、好ましくは6〜7である。   The culture conditions can be appropriately changed depending on the type of E. coli cells produced and the culture apparatus, but are suitable conditions for culturing E. coli. , Preferably 6-7.

例えばピルベートホルメートリアーゼ活性が低下しているMT−10934を使用する場合は培養温度は20℃から40℃、より好ましくは25℃から35℃で培養することが好ましく、pHはNaOH、NH3等で4.0から8.0、より好ましくは6から7で調整し、培養することが好ましい。 For example, when MT-10934 having a reduced pyruvate formate lyase activity is used, the culture temperature is preferably 20 ° C. to 40 ° C., more preferably 25 ° C. to 35 ° C., and the pH is NaOH, NH 3. It is preferable to adjust and culture at 4.0 to 8.0, more preferably 6 to 7, etc.

本発明の通気条件下とは必ずしも培養液中を空気が通過する必要はなく、培養槽の形状によっては適度に培養液を撹拌しながら培養液上の空気層が換気されるような上面通気も含み、培養槽の内部に酸素を含む気体を流入させた状態を意味する。   The aeration condition of the present invention does not necessarily require air to pass through the culture medium, and depending on the shape of the culture tank, the top surface ventilation may be used to ventilate the air layer above the culture liquid while stirring the culture liquid appropriately. It means a state in which a gas containing oxygen is introduced into the inside of the culture tank.

本発明の培養時の通気条件は、通気を全く行わなくともD−乳酸を生産することは可能であるが、不純物の低減、光学純度の向上などより好ましい結果を得るために通気を行った方がよい。   The aeration conditions during culturing of the present invention can produce D-lactic acid without aeration at all. However, aeration is performed to obtain more favorable results such as reduction of impurities and improvement of optical purity. Is good.

培養槽内の培養液中に通気する場合は培養槽の内圧、撹拌羽根位置、撹拌羽根形状、撹拌速度の組み合わせにより溶存酸素濃度が変化するためにD−乳酸の生産性およびD−乳酸以外の有機酸量を指標に次のように最適条件を求めることができる。 例えば上記大腸菌をABLE社製培養装置BMJ−01等の比較的小型の培養槽で培養する場合は、500gの培養液を使用した際、空気を常圧で0.01vvm〜1vvm、撹拌速度50rpm〜500rpm、より好ましくは、常圧で0.1vvm〜0.5vvm、撹拌速度100rpm〜400rpmで達成し得る通気条件で好ましい結果を得ることができる。   When aerated in the culture solution in the culture tank, the dissolved oxygen concentration changes depending on the combination of the internal pressure of the culture tank, the position of the stirring blade, the shape of the stirring blade, and the stirring speed. The optimum conditions can be obtained as follows using the amount of organic acid as an index. For example, when culturing the above E. coli in a relatively small culture vessel such as the culturing apparatus BMJ-01 manufactured by ABLE, when using 500 g of culture solution, the air is 0.01 vvm to 1 vvm at normal pressure, and the stirring speed is 50 rpm. Favorable results can be obtained under aeration conditions that can be achieved at 500 rpm, more preferably 0.1 vvm to 0.5 vvm at normal pressure and a stirring speed of 100 rpm to 400 rpm.

以上のような通気条件は通気撹拌条件が温度30℃の水を対象とした場合常圧で酸素移動速度係数kLaが1h-1以上400 h-1以下より好ましくは1h-1以上200 h-1以下となる条件で達成し得る酸素供給を可能とする条件である。また、最適な通気条件の別の指標としてはMT−10934が嫌気培養で通常生産するギ酸、酢酸、コハク酸、グリセロール、エタノール等が5.0g/L以下、さらに好ましくは1.0g/L以下になり且つ、D−乳酸が生産されるような通気量、撹拌速度により達成される通気条件である。また、最適な通気条件の別の指標としてはMT−10934によるD−乳酸の生産時に0.3%の光学異性体であるL−乳酸を含む培養液で培養した際に10〜100時間以内にL−乳酸の濃度が0.02質量%以下に低下するような通気量、攪拌速度である。 The above aeration conditions are such that when the aeration and stirring conditions are for water at a temperature of 30 ° C., the oxygen transfer rate coefficient k L a is 1 h −1 to 400 h −1 and more preferably 1 h −1 to 200 h at normal pressure. It is a condition that enables oxygen supply that can be achieved under conditions of −1 or less. In addition, as another index of optimum aeration conditions, formic acid, acetic acid, succinic acid, glycerol, ethanol, etc. that MT-10934 normally produces in anaerobic culture is 5.0 g / L or less, more preferably 1.0 g / L or less. And the aeration condition achieved by the aeration rate and the stirring speed at which D-lactic acid is produced. Further, another index of optimum aeration conditions is that within 10 to 100 hours when cultured in a culture solution containing 0.3% optical isomer L-lactic acid during the production of D-lactic acid by MT-10934. The aeration amount and the stirring speed are such that the concentration of L-lactic acid is reduced to 0.02% by mass or less.

上述した通気条件は培養初期から終了まで一貫して行う必要はなく、培養工程の一部で行うことでも好ましい結果を得ることができる。   The aeration conditions described above do not need to be consistently performed from the beginning of the culture to the end, and preferable results can be obtained by performing it in part of the culture process.

本発明における培養物とは、上述した方法により生産された菌体、菌体を含む培養液、菌体が除去されている培養液、及びそれらの処理物を指す。   The culture in the present invention refers to the microbial cells produced by the above-described method, a culture solution containing the microbial cells, a culture solution from which the microbial cells have been removed, and a processed product thereof.

以上のようにして得られた培養液等の培養物からD−乳酸を回収する方法は、通常知られた方法が利用でき、例えば、培養物を酸性化した後直接蒸留する方法、乳酸のラクチドを形成させて蒸留する方法、アルコールと触媒を加え乳酸をエステル化した後蒸留する方法、有機溶媒中に乳酸を抽出する方法、イオン交換カラムで乳酸を分離する方法、電気透析により乳酸を濃縮分離する方法などやそれらを組み合わせた方法が採用できる。   As a method for recovering D-lactic acid from a culture such as the culture solution obtained as described above, a conventionally known method can be used. For example, a method of acidifying the culture and then directly distilling the lactate lactate A method in which lactic acid is formed and distilled, a method in which lactic acid is esterified by adding an alcohol and a catalyst, a method in which distillation is performed, a method in which lactic acid is extracted into an organic solvent, a method in which lactic acid is separated with an ion exchange column, and lactic acid is concentrated and separated by electrodialysis A method of combining them or a method of combining them can be adopted.

以下に実施例により本発明の一例を示すが、これらは本発明を何ら制限するものではない。なお、特に記載しない限りは「%」は質量基準である。
実施例1(D−乳酸デヒドロゲナーゼ発現ベクターおよびD−乳酸生産菌の構築)
セリンヒドロキシメチルトランスフェラーゼ(serine hydroxymethyltransferase)(glyA)プロモーターを取得するため大腸菌ゲノムDNAをテンプレートに用いて配列番号1、及び配列番号2によりPCR法で増幅し、得られたDNAフラグメントを制限酵素EcoRIで消化することで約850bpのglyAプロモーターをコードするフラグメントを得た。さらにD−乳酸デヒドロゲナーゼ構造遺伝子(ldhA)を取得するために大腸菌ゲノムDNA(ATCC47076株から定法により抽出して取得した)をテンプレートに用いて配列番号3、及び配列番号4によりPCR法で増幅し、得られたDNAフラグメントを制限酵素EcoRI及びHindIIIで消化することで約1.0kbpのD−乳酸デヒドロゲナーゼ構造遺伝子(ldhA)フラグメントを得た。
Although an example of the present invention is shown below by an example, these do not limit the present invention at all. Unless otherwise specified, “%” is based on mass.
Example 1 (Construction of D-lactate dehydrogenase expression vector and D-lactate producing bacterium)
In order to obtain the serine hydroxymethyltransferase (glyA) promoter, the Escherichia coli genomic DNA was used as a template, amplified by PCR with SEQ ID NO: 1 and SEQ ID NO: 2, and the resulting DNA fragment was digested with the restriction enzyme EcoRI. As a result, a fragment encoding the glyA promoter of about 850 bp was obtained. Furthermore, in order to obtain the D-lactate dehydrogenase structural gene (ldhA), Escherichia coli genomic DNA (obtained by extraction from the ATCC 47076 strain by a conventional method) was used as a template and amplified by the PCR method with SEQ ID NO: 3 and SEQ ID NO: 4. The obtained DNA fragment was digested with restriction enzymes EcoRI and HindIII to obtain an about 1.0 kbp D-lactate dehydrogenase structural gene (ldhA) fragment.

上記の2つのDNAフラグメントとプラスミドpUC18を制限酵素EcoRI及びHindIIIで消化することで得られるフラグメントを混合し、リガーゼを用いて結合した後、大腸菌(DH5α株)に形質転換することによりプラスミドpGlyldhAを得た。   The above two DNA fragments and the fragment obtained by digesting plasmid pUC18 with restriction enzymes EcoRI and HindIII are mixed, ligated with ligase, and transformed into E. coli (DH5α strain) to obtain plasmid pGlydhA. It was.

同様にLactobacillus plantarum(ATCC8041)より得たゲノムDNAを鋳型とし、配列番号5および配列番号6を用いてLactobacillus plantarum由来D−乳酸デヒドロゲナーゼ遺伝子をコードするDNAフラグメントを増幅し、発現プラスミドpGLPldhを得た。さらに大腸菌ゲノムDNAを鋳型とし、配列番号1および配列番号9を用いてPCR法により得られたDNAフラグメントのEcoRI、SacI切断フラグメントおよびPediococcus acidilactici(ATCC)より得たゲノムDNAを鋳型とし、配列番号7、配列番号8を用いてPCR法により得られたDNAフラグメントのSacI、HindIII切断フラグメント及びプラスミドpUC18を制限酵素EcoRI及びHindIIIで消化することで得られるフラグメントを連結し、Pediococcus acidilactici由来D−乳酸デヒドロゲナーゼ発現プラスミドpGPAldhを得た。   Similarly, a genomic DNA obtained from Lactobacillus plantarum (ATCC8041) was used as a template, and a DNA fragment encoding a Lactobacillus plantarum-derived D-lactate dehydrogenase gene was amplified using SEQ ID NO: 5 and SEQ ID NO: 6 to obtain an expression plasmid pGLPldh. Furthermore, Escherichia coli genomic DNA was used as a template, EcoRI and SacI cleaved fragments of DNA fragments obtained by PCR using SEQ ID NO: 1 and SEQ ID NO: 9 and genomic DNA obtained from Pediococcus acidilactici (ATCC) were used as templates, and SEQ ID NO: 7 SacI, HindIII digestion fragment of DNA fragment obtained by PCR method using SEQ ID NO: 8 and fragment obtained by digesting plasmid pUC18 with restriction enzymes EcoRI and HindIII were ligated to express P-diococcus acidilactici-derived D-lactate dehydrogenase Plasmid pGPAldh was obtained.

以上のようにして得られた3種のプラスミドpGlyldhA、pGLPldh,pGPAldhを大腸菌W1485lip2(ATCC25645)および大腸菌MT−10934に形質転換することによりD−乳酸生産菌としてW1485lip2/pGlyldhA、W1485lip2/pGLPldh、W1485lip2/pGPAldh、MT−10934/pGlyldhA, MT−10934/pGLPldh, MT−10934/pGPAldhの6株の形質転換体を得た。   The three plasmids pGlyldA, pGLPldh, and pGPAldh obtained as described above were transformed into E. coli W1485lip2 (ATCC25645) and E. coli MT-10934 as D-lactic acid-producing bacteria. Six transformants of pGPAldh, MT-10934 / pGlyldA, MT-10934 / pGLPldh, MT-10934 / pGPAldh were obtained.

尚、W1485lip2株はアメリカンタイプカルチャーコレクションよりATCC25645として入手できる。ベクタープラスミドpUC18はアメリカンタイプカルチャーコレクションより入手できるATCC37253から定法により抽出することにより得られる。また、MT−10934株は、先に記載したとおり、独立行政法人産業技術総合研究所 特許生物寄託センターに寄託されている。   W1485lip2 strain is available as ATCC25645 from American Type Culture Collection. The vector plasmid pUC18 is obtained by extraction from ATCC 37253 available from the American Type Culture Collection by a conventional method. In addition, MT-10934 strain is deposited at the Patent Organism Depositary, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, as described above.

実施例2(D−乳酸生産菌W1485lip2/pGlyldhA株、W1485lip2/pGLPldh株、W1485lip2/pGPAldh株によるD−乳酸生産)   Example 2 (D-lactic acid production by D-lactic acid-producing bacteria W1485lip2 / pGlydhA strain, W1485lip2 / pGLPldh strain, W1485lip2 / pGPAldh strain)

Figure 2005102625
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LB Broth, Miller培養液(Difco244620)25mlを100mlのバッフル付き三角フラスコに入れたものを複数個用意し、D−乳酸生産菌W1485lip2、およびW1485lip2/pGlyldhA、W1485lip2/pGLPldh、W1485lip2/pGPAldhをそれぞれ別々に植菌し、一晩120rpmで撹拌培養を行って前培養液を調製した。   Prepare a plurality of LB Broth, Miller culture medium (Difco244620) 25 ml in a 100 ml Erlenmeyer flask with baffle. After inoculation, stirring culture was performed overnight at 120 rpm to prepare a preculture solution.

ABLE社製培養装置BMJ−01の培養槽に(表1)に記載の組成の培地475gを入れたもの4基に別々に前培養液全量を植菌した。培養は大気圧下、通気量0.5vvm、撹拌速度600rpm、培養温度37℃、pH7.3(NaOHで調整)で24時間行った。培養終了後、培養液中のD−乳酸の定量および光学純度の測定はHPLCで定法に従って行った。結果を表2に示す。尚、それぞれの培養液中の蟻酸、酢酸、コハク酸の濃度は何れも0.3g/L以下であった。   The total amount of the preculture was separately inoculated into 4 culture mediums having 475 g of the composition described in (Table 1) in the culture tank of the culture device BMJ-01 manufactured by ABLE. Culturing was carried out under atmospheric pressure for 24 hours at an aeration rate of 0.5 vvm, a stirring speed of 600 rpm, a culture temperature of 37 ° C., and a pH of 7.3 (adjusted with NaOH). After completion of the culture, quantification of D-lactic acid in the culture and measurement of optical purity were performed by HPLC according to a conventional method. The results are shown in Table 2. The concentrations of formic acid, acetic acid, and succinic acid in each culture solution were all 0.3 g / L or less.

Figure 2005102625
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実施例3(D−乳酸生産菌MT−10934/pGlyldhA株、MT−10934/pGLPldh株、MT−10934/pGPAldh株によるD−乳酸生産(カザミノ酸の添加効果))
前培養として三角フラスコにLB Broth, Miller培養液(Difco244620)25gを入れたものを複数用意した。これにD−乳酸生産菌MT−10934株、MT−10934/pGlyldhA株、MT−10934/pGLPldh株、MT−10934/pGPAldh株の3種類の菌株を別々に植菌し、一晩、30℃、120rpmで撹拌培養を行って前培養液とした。
Example 3 (D-lactic acid production by D-lactic acid-producing bacteria MT-10934 / pGlyldA strain, MT-10934 / pGLPldh strain, MT-10934 / pGPAldh strain (addition effect of casamino acid))
A plurality of Erlenmeyer flasks containing 25 g of LB Broth, Miller culture solution (Difco244620) were prepared as precultures. Three strains of D-lactic acid producing strain MT-10934 strain, MT-10934 / pGlyldA strain, MT-10934 / pGLPldh strain, MT-10934 / pGPAldh strain were inoculated separately, and overnight at 30 ° C. Agitation culture was performed at 120 rpm to obtain a preculture solution.

1L容の培養槽(ABLE社製培養装置BMJ−01)4基に(表3)に示す培地475gを入れたものに先に調製した前培養液をそれぞれ全量植菌した。本培養は大気圧下、通気量0.5vvm、撹拌速度200rpm、培養温度31℃、pH6.8(NaOHで調整)で120時間行った。培養終了後、得られた本培養液中のD−乳酸の定量はHPLCで定法に従って測定した結果を表4に示す。   All the preculture liquids prepared previously were inoculated into 4 L culture vessels (cultivation apparatus BMJ-01, manufactured by ABLE) containing 475 g of the medium shown in (Table 3). The main culture was performed at atmospheric pressure for 120 hours at an aeration rate of 0.5 vvm, a stirring speed of 200 rpm, a culture temperature of 31 ° C., and a pH of 6.8 (adjusted with NaOH). Table 4 shows the results of quantification of D-lactic acid in the obtained main culture solution after completion of the culture, as determined by HPLC according to a conventional method.

Figure 2005102625
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実施例4(D−乳酸生産菌MT−10934/pGlyldhA, MT−10934/pGLPldh, MT−10934/pGPAldhによるD−乳酸生産(コーンスティープリカーの添加効果))
本培養の培地組成中、カザミノ酸5.0g/Lに代えてコーンスティープリカー50.0g/Lを添加し、本培養の培養時間を50時間とする以外は実施例3と同様に行った。結果を表5に示す。尚、本培養の培地にはコーンスティープリカー由来の酸加水分解後の還元糖0.34%、D−乳酸0.31%、L−乳酸0.31%、遊離アミノ酸0.33%及び微量の各種有機酸が含まれる。
Example 4 (D-lactic acid production by D-lactic acid producing bacteria MT-10934 / pGlyldA, MT-10934 / pGLPldh, MT-10934 / pGPAldh (addition effect of corn steep liquor))
In the medium composition of the main culture, corn steep liquor 50.0 g / L was added instead of casamino acid 5.0 g / L, and the culture time of the main culture was set to 50 hours. The results are shown in Table 5. The main culture medium contains 0.34% reducing sugars derived from corn steep liquor, 0.31% D-lactic acid, 0.31% L-lactic acid, 0.33% free amino acid, and a trace amount. Various organic acids are included.

Figure 2005102625
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Claims (11)

D−乳酸デヒドロゲナーゼをコードする遺伝子(但し、大腸菌(Escherichia coli)由来のD−乳酸デヒドロゲナーゼをコードする遺伝子は除く)を導入した大腸菌であって、通気条件下で培養するとD−乳酸を生産することを特徴とする大腸菌。   Escherichia coli introduced with a gene encoding D-lactate dehydrogenase (except for a gene encoding D-lactate dehydrogenase derived from Escherichia coli), which produces D-lactic acid when cultured under aerated conditions. E. coli characterized by ピルビン酸を培地中に蓄積する性質を有する大腸菌にD−乳酸デヒドロゲナーゼをコードする遺伝子(但し、大腸菌(Escherichia coli)由来のものは除く)を導入して得られることを特徴とする請求項1に記載の大腸菌。   2. The method according to claim 1, which is obtained by introducing a gene encoding D-lactate dehydrogenase (excluding those derived from Escherichia coli) into Escherichia coli having the property of accumulating pyruvic acid in the medium. The described E. coli. リポ酸要求性を有することを特徴とした請求項1又は請求項2に記載の大腸菌。   The Escherichia coli according to claim 1 or 2, which has lipoic acid requirement. ピルベートホルメートリアーゼの機能を欠失したことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の大腸菌。   The Escherichia coli according to any one of claims 1 to 3, wherein the function of pyruvate formate lyase is deleted. D−乳酸デヒドロゲナーゼをコードする遺伝子が解糖系、核酸生合成系又はアミノ酸生合成系に関わる蛋白質の発現を司る遺伝子のプロモーターと連結されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の大腸菌。   The gene encoding D-lactate dehydrogenase is linked to a promoter of a gene that controls expression of a protein involved in glycolysis, nucleic acid biosynthesis, or amino acid biosynthesis. E. coli according to one item. D−乳酸デヒドロゲナーゼをコードする遺伝子が乳酸菌由来であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の大腸菌。   The E. coli according to any one of claims 1 to 5, wherein the gene encoding D-lactate dehydrogenase is derived from lactic acid bacteria. D−乳酸デヒドロゲナーゼをコードする遺伝子がラクトバチルス・プランタラム(Lactobacillus plantarum)、および/またはペディオコッカス・アシディラクティシ(Pediococcus acidilactici)、由来であることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の大腸菌。   6. The gene encoding D-lactate dehydrogenase is derived from Lactobacillus plantarum (Lactobacillus plantarum) and / or Pediococcus acidilactici. E. coli according to any one of the above. 請求項1〜7のいずれか一項に記載の大腸菌を、培地を用いて通気条件下で培養し、該培地中にD−乳酸を生成蓄積せしめることを特徴とするD−乳酸製造法。   A method for producing D-lactic acid, comprising culturing E. coli according to any one of claims 1 to 7 under aeration conditions using a medium, and producing and accumulating D-lactic acid in the medium. 培養の際の培地のpHを4〜8とすることを特徴とする請求項8に記載のD−乳酸製造法。   The method for producing D-lactic acid according to claim 8, wherein the pH of the medium during the culture is 4 to 8. 培養の際の培地のpHを6〜7とすることを特徴とする請求項9に記載のD−乳酸製造法。   The method for producing D-lactic acid according to claim 9, wherein the pH of the medium during the culture is 6-7. 培養を培養槽を用いて行い、その際の通気条件が酸素移動容量係数kLaが1h-1以上400h-1以下となるような運転条件で温度30℃の水に空気を常圧下の培養槽に供給したときに達成し得る酸素供給量と同等の条件であることを特徴とする請求項8〜10の何れか一項に記載の乳酸製造方法。 The cells were cultured using a culture tank, the culture aeration conditions the volumetric oxygen transfer coefficient k L a is 1h -1 or 400h -1 or less become like air water temperature 30 ° C. In operating conditions normal pressure at that time The lactic acid production method according to any one of claims 8 to 10, wherein the lactic acid production conditions are equivalent to the oxygen supply amount that can be achieved when the tank is supplied.
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