JP2007037452A - Gene for producing 2-pyrone-4,6-dicarboxylic acid from gallic acid, transformant transferred with the gene or the like, and method for producing 2-pyrone-4,6-dicarboxylic acid from gallic acid using the transformant - Google Patents

Gene for producing 2-pyrone-4,6-dicarboxylic acid from gallic acid, transformant transferred with the gene or the like, and method for producing 2-pyrone-4,6-dicarboxylic acid from gallic acid using the transformant Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To utilize gallic acid-containing agricultural and forestry wastes including woody wastes such as barks and used tea leaves as new biomass resources by stably and efficiently producing at low cost PDC (2-pyrone-4,6-dicarboxylic acid) of high value as an industrial material from gallic acid found in large quantities as conjugates with tannins and/or catechins in such agricultural and forestry wastes to put PDC on the market. <P>SOLUTION: PDC is ensured to effect mass production stably from gallic acid by the action of transgenic microorganisms through offering a protein having a specific amino acid sequence and having 4-carboxy-2-hydroxymuconate cyclolase enzyme activity and, in association with the protein, a gene encoding the protein and having a specific base sequence. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本願発明は、ガリック酸から2−ピロン−4,6−ジカルボン酸の生成に関与する4-カルボキシ-2-ヒドロキシムコン酸シクロラーゼ酵素活性を有するタンパク質、それをコードする遺伝子、その遺伝子等が導入された形質転換体、この形質転換体に前記遺伝子等を導入するベクターに関し、詳しくは4-カルボキシ-2-ヒドロキシムコン酸シクロラーゼ酵素活性を有するタンパク質をガリック酸から生成した4-カルボキシ-2-ヒドロキシムコン酸に作用させて2−ピロンー4,6−ジカルボン酸を安定的かつ効率的に工業生産するための製造技術に関するものである。   In the present invention, a protein having 4-carboxy-2-hydroxymuconate cyclolase enzyme activity involved in the production of 2-pyrone-4,6-dicarboxylic acid from gallic acid, a gene encoding the same, the gene thereof, and the like are introduced. The transformant, and a vector for introducing the gene or the like into the transformant, more specifically, 4-carboxy-2-hydroxymucone produced from gallic acid as a protein having 4-carboxy-2-hydroxymuconate cyclolase enzyme activity. The present invention relates to a production technique for industrially producing 2-pyrone-4,6-dicarboxylic acid stably and efficiently by acting on an acid.

発明の背景Background of the Invention

2−ピロンー4,6−ジカルボン酸(以下、PDCと略)は分子内にカルボキシル基と1つのラクトン骨格を有する化合物であるが、従来の石油化学的方法や有機合成では製造が困難な特異な化学的特徴を有している。この化合物を原料として精緻な物理化学的特性が要求される種々の高機能性プラスチックの生産が可能である。 2-pyrone-4,6-dicarboxylic acid (hereinafter abbreviated as PDC) is a compound having a carboxyl group and one lactone skeleton in the molecule, but it is a unique compound that is difficult to produce by conventional petrochemical methods and organic synthesis. Has chemical characteristics. Using this compound as a raw material, it is possible to produce various highly functional plastics that require precise physicochemical properties.

PDCの製造については、従来天然芳香族高分子化合物であるリグニンの酸化分解で得られるバニリン酸、シリンガ酸から形質転換微生物細胞を用いてのPDC高生産が試みられている。 しかしながら、リグニンの酸化分解によるバニリン酸、シリンガ酸の収量はきわめて低く、したがってリグニンという木質原料の効率的利用を実現できないばかりかコスト上も問題がある。 As for the production of PDC, high production of PDC using vanillic acid and syringic acid obtained by oxidative degradation of lignin, which is a natural aromatic polymer compound, using transformed microbial cells has been attempted. However, the yields of vanillic acid and syringic acid due to oxidative degradation of lignin are extremely low. Therefore, efficient use of the wood raw material of lignin cannot be realized and there is a problem in cost.

一方、各種の植物体中には天然ポリフェノール類の1つであるガリック酸(没食子酸、3,4,5-Trihydroxy-bezoic acid)がタンニンやカテキンとの複合体として多量に存在しているが、その効果的な利用は実現していない。 すなわち、例えば茶葉、発酵茶葉中にもカテキンとの複合体として存在しており、その量は乾燥茶葉中の約10%を占めるとされている。
この成分は茶を煎じることにより約30%が可溶化して飲用されるが残りの70%はそのまま廃棄されてしまうのが現状である。しかし、この残りの70%からガリック酸を取り出すことは容易である。したがって、ガリック酸を有用物質に変換できれば、これまでガリック酸を多量に有しながら有効利用されていない植物系材を新たなバイオマス資源として利用することができる。しかしながら、これまでのところガリック酸から工業原料となりえるPDCを安定的に高生産する技術は実現していない。
On the other hand, gallic acid (gallic acid, 3,4,5-Trihydroxy-bezoic acid), one of the natural polyphenols, is present in a large amount in various plants as a complex with tannin and catechin. The effective use has not been realized. That is, for example, it exists as a complex with catechins in tea leaves and fermented tea leaves, and the amount is said to occupy about 10% in dry tea leaves.
About 30% of this component is solubilized and drunk when tea is roasted, but the remaining 70% is discarded as it is. However, it is easy to extract gallic acid from the remaining 70%. Therefore, if gallic acid can be converted into a useful substance, a plant-based material that has a large amount of gallic acid and has not been effectively used so far can be used as a new biomass resource. However, so far, no technology has been realized to stably produce PDC that can be an industrial raw material from gallic acid.

なお、本願発明に関連して次のような文献が開示されている。
特開2004−256747 「PDCヒドロラーゼ遺伝子のシーケンシングと発現」原田 利之(岐阜大学生命工学科丸山研究室1999年度卒論要旨) 「PDCヒドロラーゼ遺伝子のシーケンシングと発現」武宮 新二(岐阜大学生命工学科丸山研究室2000年度卒論要旨) 「CHMSデヒドロゲナーゼ遺伝子のクローニングと大腸菌での発現」市川 晶貴(岐阜大学生命工学科丸山研究室2003年度卒論要旨)
The following documents are disclosed in relation to the present invention.
JP 2004-256747 A “Sequencing and expression of PDC hydrolase gene” Toshiyuki Harada (Abstracts of 1999 Graduate School of Biotechnology, Maruyama Laboratory) "Sequencing and Expression of PDC Hydrolase Gene" Shinji Takemiya (Abstracts of 2000 Graduate School of Biotechnology, Maruyama Laboratory) “Cloning of CHMS dehydrogenase gene and its expression in E. coli” Akitaka Ichikawa (Graduation thesis, Maruyama Laboratory, Department of Biotechnology, Gifu University)

樹皮、茶殻等の農林産廃棄物にタンニンやカテキンとの複合体として多量に存在するガリック酸から、工業原料として価値の高いPDCを高効率かつ低廉なコストの下に安定的に生産して市場に提供することで樹皮等の木質廃棄物や茶殻等のガリック酸を有する農林産廃棄物を新たなバイオマス資源として有効活用する。 A market that stably produces high-efficiency, low-cost PDCs that are highly valuable as industrial raw materials from gallic acid, which is abundant as a complex with tannin and catechin, in agricultural and forestry waste such as bark and tea shells. By using this technology, we will effectively utilize woody waste such as bark and agricultural and forestry waste containing gallic acid such as tea shells as new biomass resources.

特定のアミノ酸配列を有する4-カルボキシ-2-ヒドロキシムコン酸シクロラーゼ酵素活性を有する新規タンパク質を提供して、ガリック酸からPDCを安定的に高生産可能にして上記従来の課題を解決しようとするものである。   A novel protein having a 4-amino-2-hydroxymuconate cyclolase enzyme activity having a specific amino acid sequence is provided to enable stable and high production of PDC from gallic acid to solve the above-mentioned conventional problems It is.

また、本願発明は 上記4-カルボキシ-2-ヒドロキシムコン酸シクロラーゼ酵素活性を有するタンパク質に関連してこれをコードし特定の塩基配列を有する遺伝子を提供して、遺伝子工学的にガリック酸からPDCを安定的に高生産可能にして上記従来の課題を解決しようとするものである。 The present invention also provides a gene having a specific base sequence that encodes the protein having the 4-carboxy-2-hydroxymuconate cyclolase enzyme activity described above, and genetically engineered PDC from gallic acid. It aims to solve the above-mentioned conventional problems by enabling high production stably.

さらに、本願発明は、ガリック酸に作用して4-カルボキシ-2-ヒドロキシムコン酸を生成する3,4−ジオキシゲナーゼをコードする遺伝子と前記遺伝子とを連結する制御遺伝子を提供して遺伝子組み換え技術によるガリック酸からのPDC生産を容易にする。 Furthermore, the present invention provides a gene for recombination by providing a gene encoding 3,4-dioxygenase that acts on gallic acid to produce 4-carboxy-2-hydroxymuconic acid and linking the gene to the gene recombination technique Facilitates PDC production from gallic acid.

上記制御遺伝子において、3,4−ジオキシゲナーゼに替えて4,5−ジオキシゲナーゼをコードする遺伝子となすことがある。 In the above control gene, it may be a gene encoding 4,5-dioxygenase instead of 3,4-dioxygenase.

また、本願発明は、上記の各遺伝子を含むベクターを提供してDNA組み換えによるガリック酸からのPDC生産に資する。 The present invention also provides a vector containing each of the above genes and contributes to PDC production from gallic acid by DNA recombination.

さらに、本願発明は上記ベクターの宿主細胞への導入により得られる形質転換体および形質転換方法を提供して組換え微生物の産生する酵素により安定的かつ高収率の下にガリック酸からのPDC生産を可能にする。 Furthermore, the present invention provides a transformant obtained by introducing the above vector into a host cell and a transformation method, and enables PDC production from gallic acid in a stable and high yield by an enzyme produced by a recombinant microorganism. Enable.

本願発明はまた、上記形質転換体を培養してなる4-カルボキシ-2-ヒドロキシムコン酸シクロラーゼ酵素活性を有するタンパク質の製造方法を提供して、安定的かつ高収率の下にガリック酸からのPDC生産を可能にする。 The present invention also provides a method for producing a protein having 4-carboxy-2-hydroxymuconate cyclolase enzyme activity obtained by culturing the above transformant, which can be stably and efficiently produced from gallic acid in a high yield. Enables PDC production.

そして、本願発明はガリック酸に3,4−ジオキシゲナーゼもしくは4,5−ジオキシゲナーゼを作用させて4-カルボキシ-2-ヒドロキシムコン酸を生成し、この4-カルボキシ-2-ヒドロキシムコン酸に4-カルボキシ-2-ヒドロキシムコン酸シクロラーゼ酵素活性を有するタンパク質を作用させて2−ピロンー4,6−ジカルボン酸を安定的に高生産する技術、すなわち、以下の工程を要旨とする2−ピロンー4,6−ジカルボン酸製造技術を実現して上記従来の課題を解決する。
1:4-カルボキシ-2-ヒドロキシムコン酸シクロラーゼ(chmc)遺伝子の単離
2:上記chmc遺伝子の塩基配列及びその配列から推定されるアミノ酸配列の決定
3:chmc遺伝子と4,5-ジオキシゲナーゼ(3,4-ジオキシゲナーゼでも可)の連結プラスミドpBchmcligABの作成
4:広宿主域プラスミドへchmc及びligA,ligB連結遺伝子を挿入することによる広宿主域プラスミドpKchmcligABの作成
5:Pseudomonas 属細菌へpKchmcligABプラスミドの導入
6:形質転換細胞を用いたガリック酸からの2-ピロンー4,6-ジカルボン酸の生産
7:生産した2-ピロンー4,6-ジカルボン酸の発酵液からの単離
In the present invention, 3,4-dioxygenase or 4,5-dioxygenase is allowed to act on gallic acid to produce 4-carboxy-2-hydroxymuconic acid. -Technology for stably producing high yield of 2-pyrone-4,6-dicarboxylic acid by allowing a protein having carboxy-2-hydroxymuconate cyclolase enzyme activity to act, that is, 2-pyrone-4 having the following steps as a gist A 6-dicarboxylic acid production technique is realized to solve the above-mentioned conventional problems.
1: Isolation of 4-carboxy-2-hydroxymuconate cyclolase (chmc) gene 2: Determination of the base sequence of the chmc gene and the amino acid sequence deduced from the sequence 3: chmc gene and 4,5-dioxygenase ( Preparation of ligation plasmid pBchmcligAB of 3,4-dioxygenase) 4: Preparation of broad host range plasmid pKchmcligAB by inserting chmc and ligA, ligB ligation genes into a broad host range plasmid 5: PKchmcligAB plasmid to Pseudomonas spp. Introduction 6: Production of 2-pyrone-4,6-dicarboxylic acid from gallic acid using transformed cells 7: Isolation of produced 2-pyrone-4,6-dicarboxylic acid from fermentation broth

本願発明にあっては、以上述べた構成作用により次のような効果を奏する。すなわち、樹皮、茶殻等の農林産廃棄物にタンニンやカテキンとの複合体として多量に存在するガリック酸から、工業原料として価値の高いPDCを遺伝子組み換え技術により高効率かつ低廉なコストの下に安定的に生産して市場に提供することが可能となり、樹皮等の木質廃棄物や茶殻等のガリック酸を有する農林産廃棄物の新たなバイオマス資源としての有効活用に資するところが大きい。   In the present invention, the following effects can be achieved by the above-described configuration and operation. In other words, from gallic acid that is present in large quantities as a complex with tannin and catechin in agricultural and forestry wastes such as bark and tea husk, PDC, which is highly valuable as an industrial raw material, is stabilized at high cost with low cost by genetic recombination technology. It can be produced and provided to the market and contributes to effective utilization of woody waste such as bark and agricultural and forestry waste containing gallic acid such as tea shells as new biomass resources.

以下、本発明を詳細に説明する。本発明に係る酵素活性を有するタンパク質は、ガリック酸もしくはプロトカテキュ酸などから4,5-ジオキシゲナーゼもしくは3,4-ジオキシゲナーゼにより生産される4-カルボキシ-2-ヒドロキシムコン酸を2-ピロン-4,6-ジカルボン酸に変換するものである。すなわち4-カルボキシ-2-ヒドロキシムコン酸シクロラーゼ酵素活性を有するタンパク質である。 Hereinafter, the present invention will be described in detail. The protein having the enzyme activity according to the present invention comprises 4-carboxy-2-hydroxymuconic acid produced from 4,5-dioxygenase or 3,4-dioxygenase from gallic acid or protocatechuic acid, as 2-pyrone-4 , Which converts to 6-dicarboxylic acid. That is, it is a protein having 4-carboxy-2-hydroxymuconate cyclolase enzyme activity.

上記のタンパク質(酵素)を得るには、各請求項に記載のコードする遺伝子を取得する必要がある。具体的には本発明におけるガリック酸から2-ピロン-4,6-ジカルボン酸(以下PDCと略すことがある)を生産するためには4,5-ジオキシゲナーゼもしくは3,4-ジオキシゲナーゼをコードする遺伝子と4-カルボキシ-2-ヒドロキシムコン酸シクロラーゼをコードする遺伝子(以下chmc遺伝子と略すことがある)が必要である。
これらのうち、4,5-ジオキシゲナーゼおよび3,4-ジオキシゲナーゼをコードする遺伝子は公知でありすでに遺伝子も取得されている。
In order to obtain the above protein (enzyme), it is necessary to obtain the gene encoded in each claim. Specifically, in order to produce 2-pyrone-4,6-dicarboxylic acid (hereinafter sometimes abbreviated as PDC) from gallic acid in the present invention, 4,5-dioxygenase or 3,4-dioxygenase is encoded. And a gene encoding 4-carboxy-2-hydroxymuconate cyclolase (hereinafter sometimes abbreviated as chmc gene) are required.
Among these, genes encoding 4,5-dioxygenase and 3,4-dioxygenase are known and genes have already been obtained.

4-カルボキシ-2-ヒドロキシムコン酸シクロラーゼをコードする遺伝子(chmc遺伝子)
は、例えば組み換えDNA技術を利用して次のように取得することが出来る。
すなわちDNA供与体として4-カルボキシ-2-ヒドロキシムコン酸シクロラーゼを生産する能力を有する微生物を用い、該微生物からゲノムDNAを抽出し、制限酵素などにより切断しDNA断片を作成する。
他方、ファージ、プラスミド等のベクターDNAを制限酵素等を用いて、ゲノム断片が挿入可能な制限酵素末端を作成する。これらゲノムDNA断片と直鎖上にしたベクターDNAをDNAリガーゼを用いて結合させ組み換えベクターを得る。
該組み換えベクターを宿主細胞に移入し、目的の組み換えベクターを保持する形質転換細胞を選択し、該形質転換細胞より目的の組み換えベクターを分離することにより製造される。
Gene encoding 4-carboxy-2-hydroxymuconate cyclolase (chmc gene)
Can be obtained, for example, using recombinant DNA technology as follows.
That is, using a microorganism capable of producing 4-carboxy-2-hydroxymuconate cyclolase as a DNA donor, genomic DNA is extracted from the microorganism and cleaved with a restriction enzyme or the like to prepare a DNA fragment.
On the other hand, restriction enzyme ends into which genome fragments can be inserted are prepared from vector DNA such as phages and plasmids using restriction enzymes. These genomic DNA fragments and linearized vector DNA are combined using DNA ligase to obtain a recombinant vector.
The recombinant vector is produced by transferring the recombinant vector into a host cell, selecting a transformed cell carrying the target recombinant vector, and isolating the target recombinant vector from the transformed cell.

上記手法に加えさらに、既にchmc遺伝子の全配列もしくは一部配列が明らかになっている場合は、公知のPCR法による方法でも取得することが可能である。
該遺伝子の分離のDNA供与体としては、4-カルボキシ-2-ヒドロキシムコン酸を2-ピロン-4,6-ジカルボン酸に変換する4-カルボキシ-2-ヒドロキシムコン酸シクロラーゼを生産する能力を有する微生物であれば特に制限されない。
In addition to the above method, if the entire sequence or a partial sequence of the chmc gene has already been clarified, it can also be obtained by a known PCR method.
As a DNA donor for separation of the gene, it has the ability to produce 4-carboxy-2-hydroxymuconic acid cyclolase that converts 4-carboxy-2-hydroxymuconic acid into 2-pyrone-4,6-dicarboxylic acid If it is microorganisms, it will not restrict | limit in particular.

該微生物からのゲノムDNAの抽出は、該微生物の培養菌体を集菌し、例えばプロテアーゼKにて菌体を溶菌した後、フェノール抽出による除タンパク質処理、プロテアーゼ処理、リボヌクレアーゼ処理、アルコールによるゲノムDNAの沈殿、遠心分離などの方法を適宜組み合わせて行うのが好ましい。分離されたゲノムDNAを断片化するには、例えば該ゲノムDNAの制限酵素の消化により行われる。 Extraction of genomic DNA from the microorganism involves collecting cultured cells of the microorganism, lysing the cells with protease K, for example, deproteinization treatment with phenol extraction, protease treatment, ribonuclease treatment, genomic DNA with alcohol It is preferable to appropriately combine methods such as precipitation and centrifugation. For fragmenting the separated genomic DNA, for example, digestion with a restriction enzyme of the genomic DNA is performed.

ベクターとしては、宿主微生物内で自立的に増殖しうるファージ又はプラスミドから組み換えベクターを目的として構築されたものを用いるのが好ましい。プラスミドとしては、例えば大腸菌を宿主とするpUC18、pUC19、pUC118、pUC119、ブルースクリプト、pKT230MC等が好ましい。これらのベクターは、例えば制限酵素を用いてDNA断片が挿入可能な制限酵素末端を作成し、必要に応じてその末端を脱リン酸処理した後に用いられる。ゲノムDNA断片とベクターDNA断片の結合は、公知のDNAリガーゼ、例えばT4DNAリガーゼ等を用いて行うのが好ましい。 As the vector, it is preferable to use a vector constructed for the purpose of a recombinant vector from a phage or plasmid capable of growing independently in a host microorganism. As the plasmid, for example, pUC18, pUC19, pUC118, pUC119, Bluescript, pKT230MC and the like using Escherichia coli as a host are preferable. These vectors are used after, for example, creating restriction enzyme ends into which DNA fragments can be inserted using restriction enzymes and dephosphorylating the ends as necessary. The binding of the genomic DNA fragment and the vector DNA fragment is preferably performed using a known DNA ligase such as T4 DNA ligase.

得られた組み換えベクターを導入させる宿主微生物としては、該組み換えベクターは安定的に且つ自立的に複製可能で、かつ外来遺伝子の性質が安定的に発現するものであれば良いが、例えば大腸菌やPseudomonas
putidaを用いることが出来る。宿主微生物に組み換えベクターを移入する方法としては、例えば接合法、エレクトロポレーション法、コンピテントセル法等の何れの方法も用いることが出来る。
The host microorganism into which the obtained recombinant vector is introduced may be any microorganism as long as the recombinant vector can be stably and autonomously replicated and can stably express the properties of a foreign gene. For example, Escherichia coli and Pseudomonas
You can use putida. As a method for transferring a recombinant vector into a host microorganism, any method such as a conjugation method, an electroporation method, or a competent cell method can be used.

形質転換体の選択は、例えば形質転換体のDNA組み換えにより獲得する薬剤耐性を指標にすることが出来る。これらの形質転換体の中から目的の組み換えベクターを含有する形質転換体の選択は、例えば遺伝子の部分的なDNA断片をプローブとして用いたコロニーハイブリダイゼーション法により行うのが好ましい。このプローブの標識としては例えば放射性同位元素、ジゴキシゲニン、酵素等の何れも用いることが出来る。 The selection of transformants can be based on, for example, drug resistance acquired by DNA recombination of the transformants. Among these transformants, selection of a transformant containing the target recombinant vector is preferably performed, for example, by a colony hybridization method using a partial DNA fragment of a gene as a probe. As a label for this probe, for example, any of radioisotopes, digoxigenin, enzymes and the like can be used.

このようにして選択された形質転換細胞から組み換えベクターを抽出するには、常法により抽出すれば良く、例えばアルカリ溶菌法(Cold Spring Harbor
Laboratory Press, Molecular Cloning Second Edition (1989))を用いることが出来る。
抽出される組み換えベクターは、必要に応じて再びDNA技術を利用して組みかえることが出来る。得られる組み換えベクターから、本発明遺伝子に含まれる4-カルボキシ-2-ヒドロキシムコン酸シクロラーゼをコードする遺伝子(chmc遺伝子)を切り出すには制限酵素等を用いることが出来る。
In order to extract the recombinant vector from the transformed cells selected in this manner, extraction may be performed by a conventional method, for example, alkaline lysis (Cold Spring Harbor
Laboratory Press, Molecular Cloning Second Edition (1989)) can be used.
The extracted recombinant vector can be recombined using DNA technology as necessary. In order to excise the gene (chmc gene) encoding 4-carboxy-2-hydroxymuconate cyclolase contained in the gene of the present invention from the obtained recombinant vector, a restriction enzyme or the like can be used.

このようにして得られる、本発明遺伝子に含まれる4-カルボキシ-2-ヒドロキシムコン酸
シクロラーゼをコードする遺伝子の塩基配列は、例えばダイデオキシ法で解読し、決定することが出来る。
配列表の配列番号1に、4-カルボキシ-2-ヒドロキシムコン酸シクロラーゼをコードする遺伝子の塩基配列を、また、配列表の配列番号2に4-カルボキシ-2-ヒドロキシムコン酸シクロラーゼ酵素活性を有するタンパク質のアミノ酸配列を示す。
The base sequence of the gene encoding 4-carboxy-2-hydroxymuconate cyclolase contained in the gene of the present invention thus obtained can be determined by decoding, for example, by the dideoxy method.
The nucleotide sequence of the gene encoding 4-carboxy-2-hydroxymuconate cyclolase is shown in SEQ ID NO: 1 in the sequence listing, and 4-carboxy-2-hydroxymuconate cyclolase enzyme activity is shown in SEQ ID NO: 2 in the sequence listing. The amino acid sequence of the protein is shown.

このようにして得られた4-カルボキシ-2-ヒドロキシムコン酸シクロラーゼをコードする遺伝子(chmc)と既に得られている4,5-ジオキシゲナーゼ(ligA及びligB)を制限酵素によって切り出し、設計した遺伝子配置に基づきDNAリガーゼで連結して3種類の酵素遺伝子を含む制限酵素切断DNA断片を相互に連結する。これによりガリック酸から2-ピロン-4,6-ジカルボン酸を速やかに大量に発酵生産する多段階反応プロセスの制御遺伝子を作成することが出来る。 A gene designed by cutting out the gene (chmc) encoding 4-carboxy-2-hydroxymuconate cyclolase obtained in this way and the 4,5-dioxygenase (ligA and ligB) already obtained using restriction enzymes. Based on the arrangement, the DNA fragments are ligated with DNA ligase to ligate restriction enzyme-cleaved DNA fragments containing three types of enzyme genes. This makes it possible to create a control gene for a multi-step reaction process that rapidly fermentatively produces 2-pyrone-4,6-dicarboxylic acid from gallic acid in large quantities.

本発明では、配列番号1に示す遺伝子配列をその一部にもつDNA断片を保持する形質
転換プラスミドpBchmcのXbaI siteへpUCligABのXbaI処理によって得られるligA,ligB遺伝子配列を保持するDNA断片を公知のDNAリガーゼを用い挿入した大腸菌発現プラスミドpBchmcligABを作成する(図1参照)。
In the present invention, DNA fragments retaining the ligA and ligB gene sequences obtained by the XbaI treatment of pUCligAB to the XbaI site of the transformation plasmid pBchmc that retains the DNA fragment having the gene sequence shown in SEQ ID NO: 1 as a part thereof are publicly known. E. coli expression plasmid pBchmcligAB inserted using DNA ligase is prepared (see Fig. 1).

図1に示す大腸菌組み換えプラスミドpBchmcligABから、制限酵素ApaLI消化後切断末端を公知のKlenow fragment等を用いて平滑化し、更に制限酵素KpnI消化により得られるLacプロモーター配列、chmc、ligA及びligBを含むDNA断片を、Pseudomonas
putidaにて維持可能な広宿主域プラスミドpKT230MCの制限酵素EcoRI消化後切断末端を公知のKlenow fragment等を用いて平滑化し、更に制限酵素KpnI消化により得られるDNA断片に、公知のDNAリガーゼにより結合させることにより、図2に示すような新たな広宿主域プラスミドpKchmcligABを作成する。
A DNA fragment containing the Lac promoter sequence, chmc, ligA and ligB obtained by digesting the restriction enzyme ApaLI digested fragment from the E. coli recombinant plasmid pBchmcligAB shown in FIG. The Pseudomonas
After digestion with the restriction enzyme EcoRI of the broad host range plasmid pKT230MC that can be maintained with putida, the digested ends are blunted with a known Klenow fragment, etc., and further ligated to a DNA fragment obtained by digestion with the restriction enzyme KpnI with a known DNA ligase. As a result, a new broad host range plasmid pKchmcligAB as shown in FIG. 2 is prepared.

広宿主域プラスミドpKchmcligABはエレクトロポレーション法やコンピテントセル法及び接合伝達法等を用いてPseudomonas putida等に導入されると、その形質転換細胞でLacプロモーター下流に存在する遺伝子から4-カルボキシ-2-ヒドロキシムコン酸シクロラーゼと4,5-ジオキシゲナーゼが強力且つ安定に生産される。 When introduced into Pseudomonas putida, etc. using the electroporation method, competent cell method, conjugation transfer method, etc., the broad-host-range plasmid pKchmcligAB is transformed into 4-carboxy-2 -Hydroxymuconate cyclolase and 4,5-dioxygenase are produced strongly and stably.

様々な宿主域を持つガリック酸から2-ピロンー4,6-ジカルボン酸を生産する組み換えプラスミドpKchmcligAB(図2)は、βラクタマーゼ遺伝子プロモーター及びLacプロモーター下流にガリック酸から2-ピロンー4,6-ジカルボン酸を発酵生産するための多段反応プロセスを構成する酵素をコードした遺伝子配列を含み、Pseudomonas属細菌をはじめとして広い宿主域を持つ。エレクトロポレーション法やコンピテントセル法及び接合伝達法等を用いて当該組み換えプラスミドを導入された形質転換細胞において、4-カルボキシ-2-ヒドロキシムコン酸シクロラーゼと4,5-ジオキシゲナーゼを同調的に発現して、ガリック酸から2-ピロンー4,6-ジカルボン酸を生産することが出来るが、2-ピロンー4,6-ジカルボン酸の高生産のためには、ガリック酸を細胞内に取り込むことが出来るがガリック酸を分解することの出来ない微生物を宿主とした形質転換体を用いる必要がある。なお、ガリック酸を細胞内に取り込むことが出来るがガリック酸を分解することの出来ない微生物として、後述の実施例で示すようにPseudomonas
putida PpY1100を用いることができる。
Recombinant plasmid pKchmcligAB (Fig. 2), which produces 2-pyrone-4,6-dicarboxylic acid from gallic acid with various host ranges, is downstream of β-lactamase gene promoter and Lac promoter from 2-pyrone-4,6-dicarboxylic acid from gallic acid. It contains a gene sequence that encodes an enzyme that constitutes a multistage reaction process for fermentative production of acid, and has a wide host range including Pseudomonas bacteria. Synchronize 4-carboxy-2-hydroxymuconate cyclolase and 4,5-dioxygenase in transformed cells into which the recombinant plasmid has been introduced using the electroporation method, competent cell method, conjugation transfer method, etc. It can be expressed to produce 2-pyrone-4,6-dicarboxylic acid from gallic acid, but for high production of 2-pyrone-4,6-dicarboxylic acid, it is necessary to incorporate gallic acid into cells. It is necessary to use a transformant that uses a microorganism that can digest gallic acid but cannot decompose gallic acid. As a microorganism capable of taking gallic acid into cells but not degrading gallic acid, Pseudomonas as shown in Examples below.
putida PpY1100 can be used.

4-カルボキシ-2-ヒドロキシムコン酸シクロラーゼと4,5-ジオキシゲナーゼ遺伝子を持つ形質転換細胞(以下PDC生産細胞と略すことがある)を用いたガリック酸からの2-ピロンー4,6-ジカルボン酸生産には、例えばジャーファーメンターシステムを用いるのが好ましい。 PDC生産細胞は生育に必要な成分を含む培地にて培養し、十分に生育したところでガリック酸の添加を開始し、ガリック酸から2-ピロンー4,6-ジカルボン酸が生産されることによる培養液の酸性化をアルカリ水溶液例えば5M
NaOH溶液などを添加することにより、中和しながら2-ピロンー4,6-ジカルボン酸の発酵生産を行う。この場合培養液成分は微生物の発育に最適なものであれば限定されないが、例えば公知のLB培地などを用いるのが好ましい。
2-pyrone-4,6-dicarboxylic acid from gallic acid using transformed cells with 4-carboxy-2-hydroxymuconate cyclolase and 4,5-dioxygenase genes (hereinafter sometimes referred to as PDC producing cells) For production, for example, a jar fermenter system is preferably used. PDC-producing cells are cultured in a medium containing the components necessary for growth, and when fully grown, the addition of gallic acid is started, and a culture solution is produced by producing 2-pyrone-4,6-dicarboxylic acid from gallic acid. Acidification of aqueous alkaline solution eg 5M
By adding NaOH solution etc., fermentative production of 2-pyrone-4,6-dicarboxylic acid is performed while neutralizing. In this case, the culture solution components are not limited as long as they are optimal for the growth of microorganisms. For example, it is preferable to use a known LB medium or the like.

発酵終了後は、発酵液に例えば塩酸などを添加して酸性にし、反応を停止させ、更に塩酸などを添加しpH1.0程度に調整した後、減圧濃縮もしくは低温で保存することにより2-ピロンー4,6-ジカルボン酸を沈殿物として回収することが出来る。この時、培養液中に存在する様々な栄養成分等は沈殿しないため、非常に高純度な2-ピロンー4,6-ジカルボン酸として回収することが可能となる。 After fermentation is complete, acidify the fermentation broth by adding, for example, hydrochloric acid, stop the reaction, adjust the pH to about 1.0 by adding hydrochloric acid, etc., and then concentrate under reduced pressure or store at a low temperature. 4,6-dicarboxylic acid can be recovered as a precipitate. At this time, since various nutrient components and the like present in the culture solution do not precipitate, it can be recovered as very high purity 2-pyrone-4,6-dicarboxylic acid.

図面参照の下に本願発明に係る1実施例を説明する。
まず、以下により4-カルボキシ-2-ヒドロキシムコン酸シクロラーゼをコードする遺伝子chmcを取得した。
すなわち、Sphingomonas paucimobilis SYK-6株のゲノムライブラリーから4-カルボキシ-2-ヒドロキシムコン酸シクロラーゼをコードする遺伝子chmcを単離した。そのDNA配列は配列表の配列番号1に示される。 そして、この遺伝子から生産される4-カルボキシ-2-ヒドロキシムコン酸シクロラーゼにより4-カルボキシ-2-ヒドロキシムコン酸は速やかに2-ピロンー4,6-ジカルボン酸へと変換される。
An embodiment according to the present invention will be described with reference to the drawings.
First, a gene chmc encoding 4-carboxy-2-hydroxymuconate cyclolase was obtained as follows.
That is, the gene chmc encoding 4-carboxy-2-hydroxymuconate cyclolase was isolated from the genomic library of Sphingomonas paucimobilis SYK-6 strain. The DNA sequence is shown in SEQ ID NO: 1 in the sequence listing. Then, 4-carboxy-2-hydroxymuconic acid cyclolase produced from this gene quickly converts 4-carboxy-2-hydroxymuconic acid into 2-pyrone-4,6-dicarboxylic acid.

ガリック酸からPDCを生産するための遺伝子構造の構築
Sphingomonas paucimobilis SYK-6株のゲノムライブラリーから単離したchmsをpBluescriptのマルチクローニングサイトに連結したpBchmcを作成した(図1参照)。4,5-ジオキシゲナーゼ酵素をコードするligA,
ligBをマルチクローニングサイト上に保持したプラスミドpUCligAB から制限酵素XbaI 消化により得られるligA-ligB 断片をpBchmc のXbaI
サイトに挿入し、pBchmcligABを作成した(図1参照)。
Construction of gene structure to produce PDC from gallic acid
PBchmc was prepared by linking chms isolated from the genomic library of Sphingomonas paucimobilis SYK-6 strain to the multiple cloning site of pBluescript (see FIG. 1). LigA encoding 4,5-dioxygenase enzyme,
The ligA-ligB fragment obtained by digestion with the restriction enzyme XbaI from the plasmid pUCligAB carrying ligB on the multicloning site was transformed into the XbaI of pBchmc.
Inserted into the site, pBchmcligAB was created (see Figure 1).

次いで、図2に示すように、pBchmcligAB を制限酵素ApaLI消化し、切断部位をKlenow Fragment(TAKARA co.LTD)により平滑化し、更に制限酵素KpnI消化により、Lac
promotorを含むchmc-ligA-ligB断片を得た。
さらに、高範囲宿主ベクターpKT230MCを制限酵素EcoRIにより消化し、Klenow Fragmentによる切断部位の平滑化後、制限酵素KpnIにより切断した遺伝子断片とLac
promotorを含むchmc-ligA-ligB断片をligase(TOYOBO)によりligationし、pKchmcligABを得た(図2)。得られたpKchmcligABは大腸菌DH5α株に導入し、さらに三親接合伝達法によりpKchmcligAB
をPseudomonas putida PpY1100株に導入した。得られた菌体をPseudomonas putida PpY1100
(pKchmcligAB)株と名付けた。
Next, as shown in FIG. 2, pBchmcligAB was digested with restriction enzyme ApaLI, the cleavage site was smoothed with Klenow Fragment (TAKARA co.LTD), and further digested with restriction enzyme KpnI to obtain Lac.
A chmc-ligA-ligB fragment containing promotor was obtained.
Furthermore, after digesting the high-range host vector pKT230MC with the restriction enzyme EcoRI, smoothing the cleavage site with Klenow Fragment, the gene fragment and Lac cleaved with the restriction enzyme KpnI
The chmc-ligA-ligB fragment containing promotor was ligated with ligase (TOYOBO) to obtain pKchmcligAB (Fig. 2). The obtained pKchmcligAB was introduced into Escherichia coli DH5α strain, and pKchmcligAB was further obtained by the triple parental junction transfer method.
Was introduced into Pseudomonas putida PpY1100 strain. Pseudomonas putida PpY1100
(pKchmcligAB) strain.

Pseudomonas putida PpY1100 (pKchmcligAB)株を用いたガリック酸からのPDC生産
Pseudomonas putida PpY1100 (pKchmcligAB)株を、200mlのLB液体培地(25mg/Lのカナマイシンを含む)に接種し28℃で16時間培養し前培養菌体懸濁液とした。
8LのLB液体培地および消泡剤(Antiform A )3mlを10L容量のジャーファーメンター(発酵槽)を用いて調製し、そこに培養したPseudomonas
putida PpY1100 (pKchmcligAB)株の前培養菌体懸濁液200mlを混合し、28℃、500rpm/minの通気攪拌下、OD660=13~14まで培養した(10時間?12時間)。なお、この培養に伴う増殖曲線を図3に示した。
PDC production from gallic acid using Pseudomonas putida PpY1100 (pKchmcligAB)
Pseudomonas putida PpY1100 (pKchmcligAB) strain was inoculated into 200 ml of LB liquid medium (containing 25 mg / L kanamycin) and cultured at 28 ° C. for 16 hours to obtain a precultured cell suspension.
Pseudomonas prepared using 8L LB liquid medium and 3ml antifoam (Antiform A) using 10L jar fermenter (fermentor)
200 ml of a precultured cell suspension of putida PpY1100 (pKchmcligAB) strain was mixed and cultured at 28 ° C. under aeration and agitation at 500 rpm / min until OD660 = 13 to 14 (10 hours to 12 hours). In addition, the growth curve accompanying this culture was shown in FIG.

10L容量のジャーファーメンター(発酵槽)を用いた培養で、OD660=13~14に達した時点で、発酵槽から500mlの培養液を三角フラスコに抜き取り、氷上で保存した(氷冷菌体懸濁液)。OD660=13~14に達した発酵槽の培養液に、基質であるガリック酸80gを含む
0.1N のNAOH溶液(pH8~9) 500mlを、ペリスタポンプを用いて5時間かけて添加した。反応の進行に伴う2?ピロンー4,6?ジカルボン酸の生成により、培養液のpH
が低下する。それを防ぐためpHセンサーに連結したペリスタポンプで0.1N のNaOH溶液を添加して培養液のpHを維持した。
When OD660 = 13-14 was reached in culture using a 10L jar fermenter (fermentor), 500 ml of the culture broth was extracted from the fermentor into an Erlenmeyer flask and stored on ice (ice-cold cell suspension). Suspension). The fermentation broth that reached OD660 = 13-14 contains 80 g of gallic acid as a substrate.
500 ml of 0.1N NaOH solution (pH 8-9) was added over 5 hours using a peristaltic pump. Due to the formation of 2-pyrone-4,6-dicarboxylic acid as the reaction proceeds, the pH of the culture broth
Decreases. To prevent this, the pH of the culture solution was maintained by adding a 0.1N NaOH solution with a peristaltic pump connected to a pH sensor.

反応の進行はThin Layer Chromatography (TLC)によって確認した。ガリック酸添加開始から24時間後、先に調製した氷冷菌体懸濁液500mlを発酵槽の培養液に加えて12時間培養を続けた。反応終了後、発酵槽の培地をプラスチック容器(バケツ)に移し塩酸を加えてpH3として反応を停止させた。
次いで、培養液から遠心分離(6000rpm, 20℃)により菌体成分を沈殿除去し、得られた上清に塩酸を加える事によりpH1.0に低下させ低温で保存する事により2?ピロンー4,6?ジカルボン酸を沈殿として分離した。生成した2?ピロンー4,6?ジカルボン酸は約65gに達し、添加した基質比90%程度の収率で生産されたことになる。
The progress of the reaction was confirmed by thin layer chromatography (TLC). 24 hours after the start of the addition of gallic acid, 500 ml of the ice-cold cell suspension prepared above was added to the culture solution in the fermentor and the culture was continued for 12 hours. After completion of the reaction, the culture medium in the fermenter was transferred to a plastic container (bucket) and hydrochloric acid was added to stop the reaction at pH 3.
Next, the bacterial cell components are precipitated and removed from the culture by centrifugation (6000 rpm, 20 ° C.), and hydrochloric acid is added to the resulting supernatant to lower the pH to 1.0 and stored at a low temperature to obtain 2-pyrone-4. 6-Dicarboxylic acid was isolated as a precipitate. The produced 2-pyrone-4,6-dicarboxylic acid reached about 65 g, which means that it was produced in a yield of about 90% of the added substrate.

製造した2?ピロンー4,6?ジカルボン酸を活性炭処理等によりさらに純度を上げた精製物を分析した。すなわち、上記実施例により生産した2?ピロンー4,6?ジカルボン酸(PDC)を1H-NMRおよび13C-NMRにより分析した。この結果、図4に示すように生産された物質が確かに2?ピロンー4,6?ジカルボン酸(PDC)であり、かつ非常に高純度であることが明らかとなった。
The purified product obtained by further purifying the produced 2-pyrone-4,6-dicarboxylic acid by activated carbon treatment was analyzed. That is, 2-pyrone-4,6-dicarboxylic acid (PDC) produced in the above example was analyzed by 1 H-NMR and 13 C-NMR. As a result, it was clarified that the substance produced as shown in FIG. 4 was indeed 2-pyrone-4,6-dicarboxylic acid (PDC) and very high purity.

大腸菌組み換えプラスミドpBchmcligABの生産過程の模式図である。It is a schematic diagram of the production process of E. coli recombinant plasmid pBchmcligAB. 4,5-ジオキシゲナーゼ(ligAB)遺伝子とchmc遺伝子を機能させるための制御遺伝子を含むベクター作成過程を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the vector preparation process containing the control gene for functioning a 4, 5- dioxygenase (ligAB) gene and a chmc gene. 実施例に係る培養におけるPseudomonas putida PpY1100 (pKchmcligAB)株の増殖状況を示すグラフである。It is a graph which shows the growth condition of Pseudomonas putida PpY1100 (pKchmcligAB) strain | stump | stock in the culture | cultivation which concerns on an Example. 実施例に係る製造方法により生産した2−ピロンー4,6−ジカルボン酸を活性炭処理等によりさらに純度を上げた精製物のNMRスペクトルを示す。The NMR spectrum of the refinement | purification which further raised the purity of 2-pyrone-4,6-dicarboxylic acid produced with the manufacturing method which concerns on an Example by activated carbon treatment etc. is shown.

Claims (14)

配列表の配列番号2に記載されたアミノ酸配列、または配列番号2に記載されたアミノ酸配列から1もしくは複数の欠失、置換若しくは付加されたアミノ酸配列を有して4-カルボキシ-2-ヒドロキシムコン酸シクロラーゼ酵素活性を有するタンパク質。 4-carboxy-2-hydroxymucone having an amino acid sequence described in SEQ ID NO: 2 in the sequence listing, or an amino acid sequence deleted or substituted or added from the amino acid sequence described in SEQ ID NO: 2 A protein having acid cyclolase enzyme activity. 請求項1記載の4-カルボキシ-2-ヒドロキシムコン酸シクロラーゼ酵素活性を有するタンパク質をコードする遺伝子。 A gene encoding a protein having 4-carboxy-2-hydroxymuconate cyclolase enzyme activity according to claim 1. 配列表の配列番号1に記載の塩基配列を有する請求項2記載の遺伝子。 The gene of Claim 2 which has the base sequence of sequence number 1 of a sequence table. 3,4−ジオキシゲナーゼをコードする遺伝子と請求項2又は3いずれか記載の遺伝子とを連結する制御遺伝子。 The control gene which links the gene which codes 3, 4- dioxygenase and the gene in any one of Claim 2 or 3. 4,5−ジオキシゲナーゼをコードする遺伝子と請求項2又は3いずれか記載の遺伝子とを連結する制御遺伝子。 A control gene that links a gene encoding 4,5-dioxygenase and the gene according to claim 2 or 3. 請求項2又は3記載の遺伝子を含むベクター。 A vector comprising the gene according to claim 2 or 3. 請求項6のベクターにおいて、さらに、3,4−ジオキシゲナーゼをコードする遺伝子および請求項4記載の制御遺伝子を含むベクター。 The vector according to claim 6, further comprising a gene encoding 3,4-dioxygenase and a regulatory gene according to claim 4. 請求項6のベクターにおいて、さらに、4,5−ジオキシゲナーゼをコードするコードする遺伝子および請求項5記載の制御遺伝子を含むベクター。 The vector according to claim 6, further comprising a gene encoding 4,5-dioxygenase and a regulatory gene according to claim 5. 請求項7又は8いずれか記載のベクターの宿主細胞への導入により得られる形質転換体。 A transformant obtained by introducing the vector according to claim 7 or 8 into a host cell. 請求項2又は3記載の遺伝子および請求項4又は5記載の遺伝子を含むベクターを宿主細胞に導入することを特徴とする形質転換方法。 A transformation method comprising introducing a gene comprising the gene according to claim 2 or 3 and the gene according to claim 4 or 5 into a host cell. 請求項9記載の形質転換体を培養して、得られる培養物から4-カルボキシ-2-ヒドロキシムコン酸シクロラーゼ酵素活性を有するタンパク質を採取することを特徴とするタンパク質製造方法。 A method for producing a protein, comprising culturing the transformant according to claim 9 and collecting a protein having 4-carboxy-2-hydroxymuconate cyclolase enzyme activity from the obtained culture. 3,4−ジオキシゲナーゼ又は4,5−ジオキシゲナーゼによりガリック酸のベンゼン環を開裂させ4-カルボキシ-2-ヒドロキシムコン酸に変換し、この4-カルボキシ-2-ヒドロキシムコン酸に請求項1記載の4-カルボキシ-2-ヒドロキシムコン酸シクロラーゼ酵素活性を有するタンパク質を作用させて2−ピロンー4,6−ジカルボン酸に変換させることを特徴とする2−ピロンー4,6−ジカルボン酸の製造方法。 The benzene ring of gallic acid is cleaved by 3,4-dioxygenase or 4,5-dioxygenase to convert to 4-carboxy-2-hydroxymuconic acid, and the 4-carboxy-2-hydroxymuconic acid is converted to 4-carboxy-2-hydroxymuconic acid. A process for producing 2-pyrone-4,6-dicarboxylic acid, which comprises converting a protein having 4-carboxy-2-hydroxymuconate cyclolase enzyme activity to 2-pyrone-4,6-dicarboxylic acid. 請求項10に記載の形質転換がなされた微生物を発酵槽中で培養し得られた培養物により、ガリック酸を4-カルボキシ-2-ヒドロキシムコン酸に変換し、この4-カルボキシ-2-ヒドロキシムコン酸をさらに2−ピロンー4,6−ジカルボン酸に変換させることを特徴とする2−ピロンー4,6−ジカルボン酸の製造方法。 A gallic acid is converted into 4-carboxy-2-hydroxymuconic acid by a culture obtained by culturing the transformed microorganism according to claim 10 in a fermenter, and the 4-carboxy-2-hydroxymuconic acid is converted. A process for producing 2-pyrone-4,6-dicarboxylic acid, wherein muconic acid is further converted into 2-pyrone-4,6-dicarboxylic acid. 請求項13において、製造過程終了後発酵槽中の培養液から菌体成分を沈殿除去させた後、pHを所定値に設定するとともに低温下に保持することにより2−ピロンー4,6−ジカルボン酸を沈殿分離するようにしたことを特徴とする2−ピロンー4,6−ジカルボン酸の製造方法。
In Claim 13, 2-pyrone-4,6-dicarboxylic acid is obtained by precipitating and removing bacterial cell components from the culture solution in the fermenter after completion of the production process, and then setting the pH to a predetermined value and keeping it at a low temperature. A method for producing 2-pyrone-4,6-dicarboxylic acid, wherein the precipitate is separated by precipitation.
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