JP2008212144A - Alcohol dehydrogenase, gene encoding the same and method for producing optically active (r)-3-quinuclidinol using the same - Google Patents

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昌 清水
Michihiko Kataoka
道彦 片岡
Fumiki Nomoto
史樹 野本
Junko Uzura
淳子 卯津羅
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a new enzyme for reducing 3-quinuclidinone stereo-selectively to (R)-3-quinuclidinol. <P>SOLUTION: The enzyme having a biochemical properties shown by the following (1) to (3) is provided. (1) To produce (R)-3-quinuclidinol by asymmetrically reducing the 3-quinuclidinone or its salt by using a reduced type nicotinamide adenine dinucleotide (NADH) as a coenzyme; (2) Substrate specificity; It acts on quinuclidinone, p-toluquinone and α-naphthoquinone, and its relative activity is higher in the order of 3-quinuclidinone, p-toluquinone and α-naphtoquinone; and (3) Optimum temperature; In the case of reacting at pH7, the action is optimum at the temperatures of 40 to 45°C. The enzyme may include a specific amino acid sequence or its modified sequences. By utilizing the enzyme, it is possible to produce the optically active (R)-3-quinuclidinol having high optical purity in a high yield. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、医薬および農薬に利用される光学活性な生理活性化合物として有用である(R)−3−キヌクリジノールの製造に関する。より詳細には、アルコール脱水素酵素、該酵素を産生する微生物、該酵素をコードする遺伝子、該酵素の製造方法、そして該酵素を利用した光学活性(R)−3−キヌクリジノールあるいはその塩の製造方法に関する。   The present invention relates to the production of (R) -3-quinuclidinol which is useful as an optically active physiologically active compound used in medicines and agricultural chemicals. More specifically, alcohol dehydrogenase, microorganism producing the enzyme, gene encoding the enzyme, method for producing the enzyme, and production of optically active (R) -3-quinuclidinol or a salt thereof using the enzyme Regarding the method.

現在、生理活性を有する多くの化合物について、その光学異性体の混合物が使用されている。しかし、所望の活性は、一方の光学異性体のみに存在する場合が多い。さらに、所望の活性を有しない他方の光学異性体が、生体に対して毒性を有し得ることも知られている。従って、有効かつ安全な医薬または生理活性化合物を提供するために、その原料または合成中間体として用いられる光学純度の高い光学活性物質の製造方法を開発することが強く要望されている。   Currently, a mixture of optical isomers is used for many compounds having physiological activity. However, the desired activity is often present only in one optical isomer. Furthermore, it is also known that the other optical isomer that does not have the desired activity can be toxic to living organisms. Therefore, in order to provide an effective and safe pharmaceutical or physiologically active compound, it is strongly desired to develop a method for producing an optically active substance having a high optical purity used as a raw material or a synthetic intermediate.

3−キヌクリジノンの還元生成物である3−キヌクリジノールは、スクアレンシンターゼ阻害作用を有する動脈硬化の治療剤、ムスカリン受容体拮抗作用を有する気管支拡張剤、および胃腸運動抑制剤などの合成中間体として知られる化合物である(特許文献1〜5を参照)。   3-quinuclidinol, a reduction product of 3-quinuclidinone, is known as a synthetic intermediate such as a therapeutic agent for arteriosclerosis having a squalene synthase inhibitory action, a bronchodilator having a muscarinic receptor antagonistic action, and a gastrointestinal motility inhibitor. It is a compound (see Patent Documents 1 to 5).

不斉炭素原子を有する3−キヌクリジノールには、光学異性体が存在する。従って、合成中間体として有用な光学活性3−キヌクリジノールを分離する必要があり、現在までにいくつかの試みがなされている。   Optical isomers exist in 3-quinuclidinol having an asymmetric carbon atom. Therefore, it is necessary to isolate optically active 3-quinuclidinol useful as a synthetic intermediate, and several attempts have been made so far.

光学活性3−キヌクリジノールの製法として、これまでに、例えば、1−ベンジル−3−ヒドロキシキヌクリジウムクロライドをD−酒石酸誘導体で光学分割し、(S)−(+)−3−キヌクリジノールを生産する方法(非特許文献1)、およびD−グルコースからの(S)−(+)−3−キヌクリジノールの合成方法(非特許文献2)が報告されている。3−キヌクリジノンのルイス酸付加物を不斉水素化して、光学活性3−キヌクリジノールを製造するために、ロジウム錯化合物(特許文献6)またはテルニウム錯化合物(特許文献7および8)を触媒として用いる方法も報告されているが、いずれも光学純度が低く、実用的な製造方法ではない。   As a method for producing optically active 3-quinuclidinol, for example, 1-benzyl-3-hydroxyquinuclidium chloride is optically resolved with a D-tartaric acid derivative to produce (S)-(+)-3-quinuclidinol. A method (Non-Patent Document 1) and a method for synthesizing (S)-(+)-3-quinuclidinol from D-glucose have been reported (Non-Patent Document 2). A method of using a rhodium complex compound (Patent Document 6) or a ternium complex compound (Patent Documents 7 and 8) as a catalyst to produce an optically active 3-quinuclidinol by asymmetric hydrogenation of a Lewis acid adduct of 3-quinuclidinone However, none of them are practical production methods because of low optical purity.

微生物や酵素を利用する方法として、例えば、(R,S)−キヌクリジニルブチレートに、馬血清ブチルコリンエステラーゼを作用させ、光学活性(S)−(+)−3−キヌクリジニルブチレートを残存させる方法(非特許文献3)、およびバチルス(Bacillus)属に属する微生物由来のプロテアーゼを作用させ、高い光学純度の光学活性(R)−(−)−3−キヌクリジノールを製造する方法(特許文献9)がある。ラセミ体の3−キヌクリジノールエステルを出発物質とする例として、ズブチリシンプロテアーゼを用いて光学活性(R)−3−キヌクリジノールを製造する方法(特許文献10)、アスペルギルス(Aspergillus)属またはシュードモナス(Pseudomonas)属に属する微生物に由来するエステル分解酵素を用いてエステルを加水分解し、光学活性(R)−3−キヌクリジノールおよび光学活性(S)−3−キヌクリジノールを製造する方法(特許文献11)、およびアスペルギルス(Aspergillus)属、リゾプス(Rhizopus)属、キャンディダ(Candida)属、またはシュードモナス(Pseudomonas)属に属する微生物菌体やこれらの微生物に由来する酵素などによる不斉加水分解に基づいて、光学活性3−キヌクリジノールまたは光学活性3−キヌクリジノールエステルを製造する方法(特許文献12)も知られている。   As a method using a microorganism or an enzyme, for example, (R, S) -quinuclidinyl butyrate is allowed to act on horse serum butylcholinesterase to produce optically active (S)-(+)-3-quinuclidinyl butyrate. A method of producing a high optical purity optically active (R)-(−)-3-quinuclidinol by reacting a rate (Non-patent Document 3) and a protease derived from a microorganism belonging to the genus Bacillus ( There exists patent document 9). As an example starting from racemic 3-quinuclidinol ester, a method for producing optically active (R) -3-quinuclidinol using subtilisin protease (Patent Document 10), Aspergillus genus or A method for producing optically active (R) -3-quinuclidinol and optically active (S) -3-quinuclidinol by hydrolyzing an ester using an esterolytic enzyme derived from a microorganism belonging to the genus Pseudomonas (Patent Document 11) ), And asymmetric hydrolysis by microorganisms belonging to the genus Aspergillus, Rhizopus, Candida, or Pseudomonas and enzymes derived from these microorganisms. , Optically active 3-quinuclidinol or optically active 3-quinuclidinol Method for producing ether (Patent Document 12) are also known.

しかし、これらの方法は、生成物の光学純度が低いこと、または合成工程の煩雑さから大量生産が容易でないなどの問題を含む。また、いずれの方法も、ラセミ体の3−キヌクリジノールを光学分割して目的の光学異性体を得る手法であるため、目的としない他方の光学異性体が残存し得る。そのため、これらの方法では、目的としない光学異性体に関して、その不斉炭素の立体配置を反転させて目的の光学異性体へ変換させる工程、あるいは目的としない光学異性体をラセミ化して、再度の光学分割により目的の光学異性体を得る工程を必要とするので、生産コストが高くなるという問題点がある。   However, these methods include problems such as low optical purity of the product or difficulty in mass production due to the complexity of the synthesis process. In addition, any of these methods is a method of optically resolving racemic 3-quinuclidinol to obtain a target optical isomer, and therefore the other optical isomer that is not the target may remain. Therefore, in these methods, for the non-target optical isomer, the configuration of the asymmetric carbon is reversed and converted to the target optical isomer, or the non-target optical isomer is racemized and reused again. Since a process for obtaining the desired optical isomer by optical resolution is required, there is a problem that the production cost increases.

さらに、微生物や酵素による不斉還元反応を利用して3−キヌクリジノンから光学活性3−キヌクリジノールを製造する方法(特許文献13〜16)が知られている。特許文献13には、3−キヌクリジノンから(R)−3−キヌクリジノールを生成する微生物として、ナカザワエア(Nakazawaea)属、キャンディダ(Candida)属、プロテウス(Proteus)属、アースロバクター(Arthrobacter)属、シュードモナス(Pseudomonas)属およびロドスポリジウム(Rhodosporidium)属が含まれることが記載されている。特許文献14には、ロドトルラ(Rhodotorula)属、キャンディダ(Candida)属、スポリジオボルウス(Sporidiobolus)属、ロドスポリジウム(Rhodosporidium)属、シゾサッカロマイセス(Schizosaccharomyces)属、クリプトコッカス(Cryptococcus)属、トリコスポロン(Trichosporon)属、ゴルドナ(Gordona)属、ピキア(Pichia)属およびノカルデイア(Nocardia)属の微生物を用いることが記載されている。また、特許文献15には、アルカリゲネス(Alcaligenes)属、コリネバクテリウム(Corynebacterium)属、アースロバクター(Arthrobacter)属、フィロバシディウム(Filobasidium)属、ロドトルラ(Rhodotorula)属、オーレオバシディウム(Aureobasidium)属またはヤロウィア(Yarrowia)属に属する微生物を用いることが記載されている。特許文献16には、ゲオトリカム(Geotrichum)属、ツカムレラ(Tsukamurella)属、ミクロコッカス(Micrococcus)属、クルチア(Kurthia)属、ミクロバクテリウム(Microbacterium)属、クルイベロマイセス(Kluyveromyces)属、アクレモニウム(Acremonium)属、またはムコール(Mucor)属に属し、かつ3−キヌクリジノンから(R)−3−キヌクリジノールを生成する能力を有する微生物を用いることが記載されている。これらの反応は、野生型の微生物を基質化合物に作用させ、光学活性な化合物を直接的に生成する反応である。反応工程は1段階反応となり、反応工程の簡略化においては、大きく改善されたといえる。しかし依然として、生成物の光学純度が低いこと、また生成物の蓄積濃度が低いことなどの問題がある。   Furthermore, a method (Patent Documents 13 to 16) for producing optically active 3-quinuclidinol from 3-quinuclidinone using an asymmetric reduction reaction by microorganisms or enzymes is known. In Patent Document 13, as microorganisms that produce (R) -3-quinuclidinol from 3-quinuclidinone, the genus Nakazawaea, the genus Candida, the genus Proteus, the genus Arthrobacter, It is described that the genus Pseudomonas and Rhodosporidium are included. Patent Document 14 includes the genus Rhodotorula, the genus Candida, the genus Sporidiobolus, the genus Rhodosporidium, the genus Schizosaccharomyces, and the genus Cryptococcus. The use of microorganisms of the genera Trichosporon, Gordona, Pichia and Nocardia is described. Further, Patent Document 15 includes Alcaligenes, Corynebacterium, Arthrobacter, Filobasidium, Rhodotorula, Aureobasidium ( The use of microorganisms belonging to the genus Aureobasidium or Yarrowia is described. Patent Document 16 includes the genus Geotrichum, the genus Tsukamurella, the genus Micrococcus, the genus Kurthia, the genus Microbacterium, the genus Kluyveromyces, and the acremonium. The use of microorganisms belonging to the genus (Acremonium) or the genus Mucor and having the ability to produce (R) -3-quinuclidinol from 3-quinuclidinone is described. These reactions are reactions in which a wild-type microorganism is allowed to act on a substrate compound to directly generate an optically active compound. The reaction process is a one-step reaction, and it can be said that the simplification of the reaction process is greatly improved. However, there are still problems such as low optical purity of the product and low accumulated concentration of the product.

植物由来の酵素を利用する不斉還元反応によって、3−キヌクリジノンから(R)−3−キヌクリジノールを生成する方法が報告されている(特許文献17)。この方法では、ヨウシュチョウセンアサガオ(Datura stramonium)またはヒヨス(Hyoscyamus niger)に由来するトロンビノン還元酵素−I(TR−I)とグルコース脱水素酵素とを大腸菌で共発現させて、補酵素の再生系と組み合わせた不斉還元反応により3−キヌクリジノンから(R)−3−キヌクリジノールを製造している。   A method for producing (R) -3-quinuclidinol from 3-quinuclidinol by an asymmetric reduction reaction utilizing a plant-derived enzyme has been reported (Patent Document 17). In this method, a thrombinone reductase-I (TR-I) derived from Datura stramonium or Hyosyamus niger and glucose dehydrogenase are co-expressed in Escherichia coli to produce a coenzyme regeneration system. (R) -3-quinuclidinol is produced from 3-quinuclidinone by an asymmetric reduction reaction combined with the above.

非特許文献4には、ヒヨス(Hyoscyamus niger)の培養根からトロンビノン還元酵素−IおよびII(TR−IおよびTR−II)を精製したこと、およびそれらの特徴が記載されている。TR−IおよびTR−IIは、共に還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸(NADPH)依存性の酸化還元酵素であるが、異なる基質特異性を示す。3−キヌクリジノンは、TR−Iの基質として受容されるが、TR−IIの基質としてほとんど受容されない。また、TR−Iは、上記のようにNADPH依存性ではあるが、還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(NADH)も補酵素として利用し得る。   Non-Patent Document 4 describes the purification of thrombinone reductase-I and II (TR-I and TR-II) from cultured roots of Hyoscyamus niger and their characteristics. TR-I and TR-II are both reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADPH) -dependent oxidoreductases, but exhibit different substrate specificities. 3-quinuclidinone is accepted as a substrate for TR-I, but is hardly accepted as a substrate for TR-II. TR-I is NADPH-dependent as described above, but reduced nicotinamide adenine dinucleotide (NADH) can also be used as a coenzyme.

光学活性3−キヌクリジノールの製造のために、3−キヌクリジノンの不斉還元反応を触媒する新規な酵素を見出したことが報告されている(特許文献18)。この酵素は、ミクロバクテリウム(Microbacterium)属に属する微生物により産生され、NADHを補酵素として、3−キヌクリジノンあるいはその塩を還元し、(R)−3−キヌクリジノールを生成する。   It has been reported that a novel enzyme that catalyzes the asymmetric reduction reaction of 3-quinuclidinone has been found for the production of optically active 3-quinuclidinol (Patent Document 18). This enzyme is produced by a microorganism belonging to the genus Microbacterium and reduces 3-quinuclidinone or a salt thereof using NADH as a coenzyme to produce (R) -3-quinuclidinol.

このように、光学活性3−キヌクリジノールを効率よく製造するために、3−キヌクリジノンから(R)−3−キヌクリジノールに不斉還元する作用を有する酵素を発見する試みがなされている。
特開平8−134067号公報 欧州特許出願公開第404737号公報 欧州特許出願公開第424021号公報 国際特許出願公開第92/04346号公報 国際特許出願公開第93/06098号公報 特開平9−194480号公報 特開2005−306804号公報 特開2006−63028号公報 米国特許第5215918号明細書 独国特許出願第19715465号明細書 特開平10−210997号公報 特許第3129663号公報 特開平10−243795号公報 特開平11−196890号公報 特開2000−245495号公報 特開2002−153293号公報 特開2003−230398号公報 特開2003−334069号公報 エイ.カリア(A. Kalir)ら、イスラエル・ジャーナル・オブ・ケミストリー(Israel Journal of Chemistry), 1971年, 9巻, pp.267-268 ジー.ダブリュー.ジェイ.フリート(G. W. J. Fleet)ら、テトラヘドロン・レターズ(Tetrahedron Letters), 1986年, 27巻, pp.3057-3058 エム.レハビ(M. Rehavi)ら、ライフ・サイエンシーズ(Life Sciences), 1977年, 21巻, pp.1293-130 タカシ ハシモト(Takashi Hashimoto)ら、プラント・フィジオロジー(Plant Physiol.), 1992年, 100巻, pp.836-845
Thus, in order to efficiently produce optically active 3-quinuclidinol, attempts have been made to discover an enzyme having an action of asymmetric reduction from 3-quinuclidinone to (R) -3-quinuclidinol.
Japanese Patent Laid-Open No. 8-134067 EP-A-404737 European Patent Application No. 424021 International Patent Application Publication No. 92/04346 International Patent Application Publication No. 93/06098 JP-A-9-194480 JP-A-2005-306804 JP 2006-63028 A US Pat. No. 5,215,918 German Patent Application No. 19715465 Japanese Patent Laid-Open No. 10-210997 Japanese Patent No. 3129663 Japanese Patent Laid-Open No. 10-243795 JP-A-11-196890 JP 2000-245495 A JP 2002-153293 A JP 2003-230398 A JP 2003-334069 A A. A. Kalir et al., Israel Journal of Chemistry, 1971, 9, pp.267-268 Gee. W. Jay. GWJ Fleet et al., Tetrahedron Letters, 1986, 27, pp. 3057-3058 M. M. Rehavi et al., Life Sciences, 1977, 21, pp.1293-130 Takashi Hashimoto et al., Plant Physiol., 1992, 100, pp.836-845

本発明は、3−キヌクリジノンを立体選択的に(R)−3−キヌクリジノールへと還元する新規な酵素、および該酵素を利用し、高い光学純度を有する光学活性(R)−3−キヌクリジノールを効率良く製造する方法を提供することを目的とする。   The present invention provides a novel enzyme that stereoselectively reduces 3-quinuclidinone to (R) -3-quinuclidinol, and optically active (R) -3-quinuclidinol having high optical purity by using the enzyme. It aims at providing the method of manufacturing well.

本発明者らは、3−キヌクリジノンを還元して光学活性な(R)−3−キヌクリジノールを生成する酵素を得ることを目的として、広く自然界より該酵素を生産する微生物を検索した結果、土壌中より純粋分離してアグロバクテリウム・ツメファシエンス(Agrobacterium tumefaciens)NK1と命名した1菌株が、立体選択的に3−キヌクリジノンを還元して光学活性な(R)−3−キヌクリジノールを生成することを見出した。次に、この菌株より目的とする活性を有する酵素を精製し、その性質を明らかにした。この酵素は、NADHを補酵素として3−キヌクリジノンまたはその塩のカルボニル基を立体選択的に還元し、(R)−3−キヌクリジノールを生成する能力を有する(以下において、この酵素を簡単に「3−キヌクリジノン不斉還元酵素」ということがある)。さらに本発明者らは、該酵素をコードする遺伝子をクローニングし、その構造を明らかにして、この遺伝子が新規な遺伝子であることを確認した。この遺伝子を異種の生物で高発現させて、NADHを補酵素として3−キヌクリジノンから立体選択的に(R)−3−キヌクリジノールを生成する形質転換株を得た。そしてこの酵素、あるいは該酵素を産生する細胞などを用いて、3−キヌクリジノンから高収率かつ高光学純度で(R)−3−キヌクリジノールが得られることを見出し、本発明を完成した。   As a result of searching for microorganisms that produce the enzyme from the natural world for the purpose of obtaining an enzyme that reduces 3-quinuclidinone to produce optically active (R) -3-quinuclidinol, It was found that one strain, more purely isolated and named Agrobacterium tumefaciens NK1, stereoselectively reduced 3-quinuclidinone to produce optically active (R) -3-quinuclidinol. . Next, the enzyme having the desired activity was purified from this strain and its properties were clarified. This enzyme has the ability to stereoselectively reduce the carbonyl group of 3-quinuclidinone or a salt thereof using NADH as a coenzyme to produce (R) -3-quinuclidinol (hereinafter, this enzyme is simply referred to as “3 -Sometimes referred to as “quinuclidinone asymmetric reductase”). Furthermore, the present inventors cloned a gene encoding the enzyme, revealed its structure, and confirmed that this gene is a novel gene. This gene was highly expressed in a heterogeneous organism to obtain a transformant that stereoselectively produces (R) -3-quinuclidinol from 3-quinuclidinone using NADH as a coenzyme. The inventors have found that (R) -3-quinuclidinol can be obtained from 3-quinuclidinone with high yield and high optical purity by using this enzyme or cells producing the enzyme, and the present invention has been completed.

本発明は、3−キヌクリジノン不斉還元酵素を提供する。   The present invention provides 3-quinuclidinone asymmetric reductase.

本発明の3−キヌクリジノン不斉還元酵素は、以下の(1)から(3)に示す生化学的性質を有する:
(1)作用:還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(NADH)を補酵素として、3−キヌクリジノンまたはその塩を不斉還元し、(R)−3−キヌクリジノールを生成する;
(2)基質特異性:3−キヌクリジノン、p−トルキノンおよびα−ナフトキノンに作用し、その相対活性が、3−キヌクリジノン、p−トルキノンおよびα−ナフトキノンの順に高い;および
(3)至適温度:pH7で反応させる場合、温度40〜45℃において作用が至適である。
The 3-quinuclidinone asymmetric reductase of the present invention has the biochemical properties shown in the following (1) to (3):
(1) Action: Using reduced nicotinamide adenine dinucleotide (NADH) as a coenzyme, asymmetric reduction of 3-quinuclidinone or a salt thereof produces (R) -3-quinuclidinol;
(2) Substrate specificity: acting on 3-quinuclidinone, p-toluquinone and α-naphthoquinone, the relative activities of which are higher in the order of 3-quinuclidinone, p-toluquinone and α-naphthoquinone; and (3) optimum temperature: When the reaction is carried out at pH 7, the action is optimal at a temperature of 40 to 45 ° C.

1つの実施態様では、上記3−キヌクリジノン不斉還元酵素は、SDS−PAGEで測定した場合のサブユニットの分子量が28,500であり、ゲル濾過クロマトグラフィーで測定した場合の分子量が102,000である。   In one embodiment, the 3-quinuclidinone asymmetric reductase has a subunit molecular weight of 28,500 when measured by SDS-PAGE and a molecular weight of 102,000 when measured by gel filtration chromatography. is there.

本発明の3−キヌクリジノン不斉還元酵素はまた、以下の(a)から(c)のいずれかのアミノ酸配列を有する:
(a)配列番号2に記載のアミノ酸配列;
(b)配列番号2に記載のアミノ酸配列において1もしくは複数個のアミノ酸が置換、欠失、挿入、および/または付加されたアミノ酸配列;または
(c)配列番号2に記載のアミノ酸配列と85%以上の相同性を有するアミノ酸配列。
The 3-quinuclidinone asymmetric reductase of the present invention also has an amino acid sequence of any of the following (a) to (c):
(A) the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2;
(B) an amino acid sequence in which one or more amino acids are substituted, deleted, inserted and / or added in the amino acid sequence described in SEQ ID NO: 2; or (c) 85% of the amino acid sequence described in SEQ ID NO: 2 Amino acid sequence having the above homology.

(a)のアミノ酸配列を有する酵素である場合は、上記の(1)から(3)に示す生化学的性質を備えている。(b)または(c)のアミノ酸配列を有する酵素である場合は、上記の少なくとも(1)の生化学的性質を備えている。   The enzyme having the amino acid sequence (a) has the biochemical properties shown in the above (1) to (3). In the case of an enzyme having the amino acid sequence (b) or (c), the enzyme has at least the biochemical property (1) described above.

1つの実施態様では、上記3−キヌクリジノン不斉還元酵素は、アグロバクテリウム・ツメファシエンス(Agrobacterium tumefaciens)NK1株(FERM P−21144)に由来する。   In one embodiment, the 3-quinuclidinone asymmetric reductase is derived from Agrobacterium tumefaciens strain NK1 (FERM P-21144).

本発明はまた、アグロバクテリウム・ツメファシエンスNK1株(FERM P−21144)を提供する。   The present invention also provides Agrobacterium tumefaciens strain NK1 (FERM P-21144).

本発明はまた、上記3−キヌクリジノン不斉還元酵素をコードするポリヌクレオチドを提供する。   The present invention also provides a polynucleotide encoding the 3-quinuclidinone asymmetric reductase.

1つの実施態様では、上記ポリヌクレオチドは、以下の(i)から(iii)のいずれかである:
(i)配列番号1に記載の塩基配列を有するポリヌクレオチド;
(ii)配列番号1に記載の塩基配列に相補的な塩基配列とストリンジェントな条件下でハイブリダイズし、かつ3−キヌクリジノンを不斉的に還元して(R)−3−キヌクリジノールを生成する活性を有する酵素をコードする、ポリヌクレオチド;または
(iii)配列番号1に記載の塩基配列と少なくとも60%の配列同一性を有する塩基配列を有し、かつ3−キヌクリジノンを不斉的に還元して(R)−3−キヌクリジノールを生成する活性を有する酵素をコードする、ポリヌクレオチド。
In one embodiment, the polynucleotide is any of the following (i) to (iii):
(I) a polynucleotide having the base sequence set forth in SEQ ID NO: 1;
(Ii) hybridizes with a base sequence complementary to the base sequence described in SEQ ID NO: 1 under stringent conditions and asymmetrically reduces 3-quinuclidinone to produce (R) -3-quinuclidinol A polynucleotide encoding an enzyme having activity; or (iii) a base sequence having at least 60% sequence identity with the base sequence set forth in SEQ ID NO: 1, and asymmetrically reducing 3-quinuclidinone A polynucleotide encoding an enzyme having an activity to produce (R) -3-quinuclidinol.

本発明はまた、上記ポリヌクレオチドを含むベクターを提供する。   The present invention also provides a vector comprising the polynucleotide.

1つの実施態様では、上記ベクターはさらに、酸化型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(NAD)をNADHに再生する酵素をコードするポリヌクレオチドを含む。 In one embodiment, the vector further comprises a polynucleotide encoding an enzyme that regenerates oxidized nicotinamide adenine dinucleotide (NAD + ) to NADH.

本発明はまた、上記ベクターを発現可能に保持した形質転換体を提供する。   The present invention also provides a transformant carrying the above vector so that it can be expressed.

本発明はまた、上記ベクターおよびNADをNADHに再生する酵素をコードするポリヌクレオチドを含むベクターをそれぞれ発現可能に保持する形質転換体を提供する。 The present invention also provides a transformant that retains the above vector and a vector containing a polynucleotide encoding an enzyme that regenerates NAD + into NADH so that each vector can be expressed.

1つの実施態様では、上記形質転換体は、宿主が大腸菌である。   In one embodiment, the transformant has an E. coli host.

別の実施態様では、上記NADをNADHに再生する酵素はグルコース脱水素酵素である。 In another embodiment, the enzyme that regenerates NAD + to NADH is glucose dehydrogenase.

本発明はまた、(R)−3−キヌクリジノールまたはその塩の製造方法を提供し、この方法は、上記3−キヌクリジノン不斉還元酵素、該酵素を産生する微生物、上記形質転換体、または該微生物もしくは該形質転換体の培養液もしくは処理物を、3−キヌクリジノンまたはその塩に作用させる工程を含む。   The present invention also provides a process for producing (R) -3-quinuclidinol or a salt thereof, which comprises the 3-quinuclidinone asymmetric reductase, a microorganism producing the enzyme, the transformant, or the microorganism. Alternatively, it includes a step of allowing the culture solution or treated product of the transformant to act on 3-quinuclidinone or a salt thereof.

1つの実施態様では、上記作用工程において、NADHまたはNADがさらに添加される。 In one embodiment, NADH or NAD + is further added in the step of action.

別の実施態様では、上記微生物は、アグロバクテリウム・ツメファシエンスNK1株(FERM P−21144)である。   In another embodiment, the microorganism is Agrobacterium tumefaciens strain NK1 (FERM P-21144).

本発明によれば、3−キヌクリジノンを立体選択的に(R)−3−キヌクリジノールへと還元する新規な酵素および該酵素を生産する微生物が提供される。さらに、本発明によれば、該酵素を利用して光学活性(R)−3−キヌクリジノールあるいはその塩を高収率および高光学純度で製造することができる。   According to the present invention, a novel enzyme that stereoselectively reduces 3-quinuclidinone to (R) -3-quinuclidinol and a microorganism that produces the enzyme are provided. Furthermore, according to the present invention, optically active (R) -3-quinuclidinol or a salt thereof can be produced with high yield and high optical purity using the enzyme.

本発明において、「酵素」とは、精製酵素(ほぼ単一までに精製された酵素)に限定されず、粗精製物、固定化物なども含まれる。例えば、本発明の酵素は、細胞のアセトン処理物および破砕物を用いて、硫安沈澱、イオン交換クロマトグラフィー、疎水性クロマトグラフィーなどの、当業者に周知の方法を用いることにより得られ得る。処理に応じて、種々の精製度の酵素が得られ得る。   In the present invention, the “enzyme” is not limited to a purified enzyme (enzyme purified to almost a single unit), but includes a crude product, an immobilized product, and the like. For example, the enzyme of the present invention can be obtained by using methods well known to those skilled in the art, such as ammonium sulfate precipitation, ion exchange chromatography, hydrophobic chromatography, etc. using cells treated with acetone and disrupted cells. Depending on the treatment, enzymes with various degrees of purification can be obtained.

本発明において、「微生物」とは、野性株、変異株(例えば、紫外線照射などにより誘導される)、あるいは細胞融合もしくは遺伝子組換え法などの遺伝子工学的手法により誘導される組換え体などのいずれの微生物であってもよい。組換え体などの操作された微生物は、例えば、Molecular Cloning A Laboratory Manual、第2版(Sambrook, J.ら編、Cold Spring Harbor laboratory Press, 1989)に記載されるような、当業者に公知の技術を用いて容易に作製され得る。微生物の培養液とは、微生物菌体を含む培養液、および遠心分離などにより微生物菌体を除いた培養液の両方を意味する。微生物の処理物として、例えば、アセトン処理物、超音波処理などの機械的な方法または酵素的方法による細胞破砕物および無細胞抽出物、界面活性剤や有機溶媒などにより処理したもの、それらの固定化物などが含まれる。これらは、当業者に周知の方法により調製され得る。   In the present invention, “microorganism” refers to wild strains, mutant strains (for example, induced by ultraviolet irradiation, etc.), or recombinants induced by genetic engineering techniques such as cell fusion or genetic recombination. Any microorganism may be sufficient. Engineered microorganisms such as recombinants are known to those skilled in the art, for example, as described in Molecular Cloning A Laboratory Manual, 2nd edition (Sambrook, J. et al., Cold Spring Harbor laboratory Press, 1989). It can be easily made using technology. The culture solution of microorganisms means both a culture solution containing microbial cells and a culture solution from which microbial cells have been removed by centrifugation or the like. Examples of processed microorganisms include, for example, acetone-treated products, cell disruptions and cell-free extracts by mechanical methods such as sonication or enzymatic methods, those treated with surfactants and organic solvents, and immobilization thereof. This includes chemicals. These can be prepared according to methods well known to those skilled in the art.

<3−キヌクリジノン不斉還元酵素>
本発明は、3−キヌクリジノン不斉還元酵素を提供する。この酵素は、アルコール脱水素酵素であり、還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(NADH)を補酵素として、3−キヌクリジノンまたはその塩を不斉還元し、(R)−3−キヌクリジノールを生成する能力を有する。本発明の酵素は、NADPHを補酵素として利用しない。補酵素としては、(R)−3−キヌクリジノールの生成能が発揮できれば、NADPHを除きNADH以外の一般に知られているものを併用してもよい。
<3-Quinuclidinone asymmetric reductase>
The present invention provides 3-quinuclidinone asymmetric reductase. This enzyme is an alcohol dehydrogenase and has the ability to asymmetrically reduce 3-quinuclidinone or a salt thereof using reduced nicotinamide adenine dinucleotide (NADH) as a coenzyme to produce (R) -3-quinuclidinol. Have. The enzyme of the present invention does not use NADPH as a coenzyme. As a coenzyme, as long as the ability to produce (R) -3-quinuclidinol can be exhibited, generally known enzymes other than NADH may be used in combination except NADPH.

本発明の3−キヌクリジノン不斉還元酵素としては、例えば、以下に説明するアグロバクテリウム・ツメファシエンスNK1株の天然の酵素が挙げられる。この酵素は、電気泳動条件などにより若干変化し得るが、SDS−PAGE(12.5%(w/v)ポリアクリルアミドゲル)で測定したサブユニットの分子量が約28,500、ゲル濾過クロマトグラフィーで測定した分子量が約102,000である。本酵素は、ホモテトラマーである。   Examples of the 3-quinuclidinone asymmetric reductase of the present invention include natural enzymes of Agrobacterium tumefaciens NK1 described below. This enzyme may change slightly depending on electrophoresis conditions, etc., but the molecular weight of the subunit measured by SDS-PAGE (12.5% (w / v) polyacrylamide gel) is about 28,500. The measured molecular weight is about 102,000. This enzyme is a homotetramer.

また、本酵素は3−キヌクリジノンを基質とした場合の至適pHは、5.5〜8.0、好ましくは、5.5〜7.5の範囲内にある。   In addition, the optimum pH of the enzyme using 3-quinuclidinone as a substrate is in the range of 5.5 to 8.0, preferably 5.5 to 7.5.

本酵素の至適温度は、25〜50℃であり、好ましくは40〜45℃付近である。本酵素は、例えば、1Mリン酸カリウム緩衝液(pH7.0)中で30分間処理した場合、35℃まで安定である。   The optimum temperature of the enzyme is 25 to 50 ° C, preferably around 40 to 45 ° C. This enzyme is stable up to 35 ° C., for example, when treated for 30 minutes in 1M potassium phosphate buffer (pH 7.0).

本発明の3−キヌクリジノン不斉還元酵素の酵素活性は、例えば、以下のようにして確認され得る。酵素溶液を、0.618mMの3−キヌクリジノン・塩酸塩および0.32mMのNADHを含む0.2Mのリン酸カリウム緩衝液(pH7.0)中で37℃でインキュベートし、波長340nmの吸光度の減少を測定する。上記3−キヌクリジノン不斉還元酵素の酵素量は、1分間に1マイクロモルのNADHをNADに変換させる酵素量を1単位(U)として定義される。さらに、本発明の3−キヌクリジノン不斉還元酵素は、上記NADHをNADPHに代えて測定することにより、NADPHを補酵素として利用しないことを確認し得る。 The enzyme activity of the 3-quinuclidinone asymmetric reductase of the present invention can be confirmed, for example, as follows. The enzyme solution was incubated at 37 ° C. in 0.2 M potassium phosphate buffer (pH 7.0) containing 0.618 mM 3-quinuclidinone hydrochloride and 0.32 mM NADH, and the absorbance decreased at a wavelength of 340 nm. Measure. The enzyme amount of the 3-quinuclidinone asymmetric reductase is defined as 1 unit (U), which is the amount of enzyme that converts 1 micromole of NADH to NAD + per minute. Furthermore, the 3-quinuclidinone asymmetric reductase of the present invention can confirm that NADPH is not used as a coenzyme by measuring NADH instead of NADPH.

本発明の3−キヌクリジノン不斉還元酵素は、3−キヌクリジノンに対して基質特異性を示す。本発明の3−キヌクリジノン不斉還元酵素は、p−トルキノンおよびα−ナフトキノンもまた還元し得る。しかし、本発明の3−キヌクリジノン不斉還元酵素は、p−トルキノンおよびα−ナフトキノンよりも、3−キヌクリジノンに対して明らかに高い反応性を示す酵素である。本発明の3−キヌクリジノン不斉還元酵素は、相対活性が、3−キヌクリジノン、p−トルキノンおよびα−ナフトキノンの順に高い。この相対活性は、上記のように測定される酵素活性において、3−キヌクリジノンを基質とした場合を100とし、その相対値で表したものである。   The 3-quinuclidinone asymmetric reductase of the present invention exhibits substrate specificity for 3-quinuclidinone. The 3-quinuclidinone asymmetric reductase of the present invention can also reduce p-toluquinone and α-naphthoquinone. However, the 3-quinuclidinone asymmetric reductase of the present invention is an enzyme that clearly shows higher reactivity with respect to 3-quinuclidinone than p-toluquinone and α-naphthoquinone. The 3-quinuclidinone asymmetric reductase of the present invention has a higher relative activity in the order of 3-quinuclidinone, p-toluquinone and α-naphthoquinone. This relative activity is expressed as a relative value in the enzyme activity measured as described above, assuming that 3-quinuclidinone is used as a substrate, which is 100.

本発明の3−キヌクリジノン不斉還元酵素は、好ましくは、配列番号2の1位から260位までの全長のアミノ酸配列を有するポリペプチドである。本明細書中では、この配列番号2の1位から260位までの全長のアミノ酸配列を、単に「配列番号2に記載のアミノ酸配列」という。本酵素は、3−キヌクリジノン不斉還元酵素活性(特に、3−キヌクリジノンを不斉的に還元して(R)−3−キヌクリジノールを生成する活性)を有する限り、天然型のアミノ酸配列(例えば、配列番号2に記載のアミノ酸配列)に対して1または複数のアミノ酸が、置換、欠失、挿入、および/または付加したアミノ酸配列を有する酵素であってもよい。当業者であれば、例えば、部位特異的変異導入法(Nucleic Acid Res., 1982年, 10巻, pp.6487;Methods in Enzymol., 1983年, 100巻, pp.448;Molecular Cloning : A Laboratory Manual, 第2版, Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor, NY. 1989年;PCR : A Practical Approach, IRL Press, 1991年, pp.200)などを用いて、適宜置換、欠失、挿入、および/または付加変異を導入することにより、タンパク質の構造を改変することができる。本発明において、置換、欠失、挿入、および/または付加することができるアミノ酸残基数は、通常50以下、例えば30以下、あるいは20以下、好ましくは16以下、より好ましくは5以下、さらに好ましくは0〜3である。また、アミノ酸の変異は、自然界においても生じることもあるので、人工的に変異させた酵素のみならず、自然界において変異した酵素も、3−キヌクリジノン不斉還元酵素活性を有する限り、本発明の3−キヌクリジノン不斉還元酵素に含まれる。   The 3-quinuclidinone asymmetric reductase of the present invention is preferably a polypeptide having a full-length amino acid sequence from position 1 to position 260 of SEQ ID NO: 2. In the present specification, the full-length amino acid sequence from position 1 to position 260 of SEQ ID NO: 2 is simply referred to as “amino acid sequence described in SEQ ID NO: 2”. As long as this enzyme has 3-quinuclidinone asymmetric reductase activity (particularly, an activity for asymmetrically reducing 3-quinuclidinone to produce (R) -3-quinuclidinol), for example, a natural amino acid sequence (for example, The enzyme may have an amino acid sequence in which one or more amino acids are substituted, deleted, inserted, and / or added to the amino acid sequence described in SEQ ID NO: 2. A person skilled in the art, for example, site-directed mutagenesis (Nucleic Acid Res., 1982, 10, pp. 6487; Methods in Enzymol., 1983, 100, pp. 448; Molecular Cloning: A Laboratory Manual, 2nd edition, Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor, NY. 1989; PCR: A Practical Approach, IRL Press, 1991, pp. 200), etc. The structure of the protein can be altered by introducing additional mutations. In the present invention, the number of amino acid residues that can be substituted, deleted, inserted, and / or added is usually 50 or less, such as 30 or less, or 20 or less, preferably 16 or less, more preferably 5 or less, even more preferably. Is 0-3. In addition, since amino acid mutations may occur in nature, not only the artificially mutated enzyme but also the naturally mutated enzyme has 3 quinuclidinone asymmetric reductase activity. -Included in quinuclidinone asymmetric reductase.

上記天然型酵素のアミノ酸配列(例えば、配列番号2に記載のアミノ酸配列)に対して相同性を有するアミノ酸配列を有するタンパク質も、3−キヌクリジノン不斉還元酵素活性を有する限り、本発明の3−キヌクリジノン不斉還元酵素に含まれる。本発明の3−キヌクリジノン不斉還元酵素は、好ましくは、配列番号2に記載のアミノ酸配列と少なくとも85%、より好ましくは少なくとも90%、なおより好ましくは少なくとも95%、さらにより好ましくは少なくとも99%の相同性を有するアミノ酸配列を有するタンパク質であり得る。タンパク質の相同性の(ホモロジー)検索は、例えばSWISS-PROT、PIR、DADなどのタンパク質のアミノ酸配列に関するデータベース、またはDDBJ、EMBL、あるいはGene-BankなどのDNAデータベースなどを対象に、BLAST、FASTAなどのプログラムを利用して、例えば、インターネットを通じて行うことができる。タンパク質の活性の確認は、上記に記載の手順を利用して行い得る。   As long as the protein having an amino acid sequence having homology to the amino acid sequence of the natural enzyme (for example, the amino acid sequence described in SEQ ID NO: 2) also has 3-quinuclidinone asymmetric reductase activity, the 3- Included in quinuclidinone asymmetric reductase. The 3-quinuclidinone asymmetric reductase of the present invention is preferably at least 85%, more preferably at least 90%, even more preferably at least 95%, even more preferably at least 99% with the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2. It may be a protein having an amino acid sequence having the homology of Protein homology (homology) searches, for example, databases related to amino acid sequences of proteins such as SWISS-PROT, PIR, DAD, or DNA databases such as DDBJ, EMBL, or Gene-Bank, etc. BLAST, FASTA, etc. This program can be used, for example, via the Internet. Confirmation of the activity of the protein can be performed using the procedure described above.

本発明の3−キヌクリジノン不斉還元酵素の供給源としては特に制限されるものではないが、微生物などの生体細胞から得ることができる。この微生物は、好ましくは、以下に説明するアグロバクテリウム・ツメファシエンスNK1株である。   Although it does not restrict | limit especially as a supply source of 3-quinuclidinone asymmetric reductase of this invention, It can obtain from biological cells, such as microorganisms. This microorganism is preferably Agrobacterium tumefaciens strain NK1 described below.

アグロバクテリウム・ツメファシエンスNK1株は、以下に示すような菌学的性質を有する:
A.形態
(1)細胞の形 桿菌
(2)細胞の大きさ 0.6〜0.7μm×1.5〜2.5μm
(3)運動性の有無 −
(4)グラム染色 −
(5)胞子形成 −
B.標準寒天平板培養における生育状態
クリーム色、光沢有り、正円、スムーズ、低凸状
C.生理学的性質
(1)硝硝酸塩の還元性 −
(2)脱窒反応 −
(3)インドールの生成 −
(4)澱粉の加水分解 −
(5)クエン酸の利用 −
(6)ウレアーゼ活性 +
(7)オキシダーゼ活性 +
(8)カタラーゼ活性 +
(9)生育の範囲
温度:37℃ +;41℃ −;45℃ −
(10)酸素に対する態度 好気性
(11)アミノ酸の分解
リジン −
アルギニン −
オルニチン −
(12)カゼインの分解性 −
(13)ゼラチンの分解性 −
(14)嫌気性培地における発育性 −
(15)マッコンキー培地生育性 +
(16)糖類の利用と生産性
L−アラビノース +
D−キシロース +
D−グルコース +
D−マンノース +
D−フラクトース +
D−ガラクトース +
マルトース +
スクロース +
ラクトース +
トレハロース +
D−マンニット +
イノシット +
エタノール +
(17)エスクリン加水分解 +
(18)グルコン酸の酸化 −
Agrobacterium tumefaciens strain NK1 has the following mycological properties:
A. Form (1) Cell shape Neisseria gonorrhoeae (2) Cell size 0.6-0.7μm × 1.5-2.5μm
(3) Presence or absence of mobility −
(4) Gram staining-
(5) Spore formation-
B. Growth state in standard agar plate culture Cream color, glossy, perfect circle, smooth, low convex Physiological properties (1) Reduction of nitrate nitrate
(2) Denitrification reaction −
(3) Generation of indole −
(4) Starch hydrolysis-
(5) Use of citric acid −
(6) Urease activity +
(7) Oxidase activity +
(8) Catalase activity +
(9) Growth range Temperature: 37 ° C +; 41 ° C-; 45 ° C-
(10) Attitude toward oxygen Aerobic (11) Degradation of amino acids Lysine −
Arginine −
Ornithine −
(12) Casein degradability −
(13) Degradability of gelatin −
(14) Growth in anaerobic medium −
(15) Macconkey medium growth +
(16) Utilization and productivity of sugar L-arabinose +
D-xylose +
D-glucose +
D-Mannose +
D-fructose +
D-galactose +
Maltose +
Sucrose +
Lactose +
Trehalose +
D-man knit +
Inosit +
Ethanol +
(17) Esculin hydrolysis +
(18) Oxidation of gluconic acid-

以上の性質を「バージェーズ・マニュアル・オブ・システマティック・バクテリオロジー」(1984年)より検索した結果、本菌株はアグロバクテリウム・ツメファシエンスに属する菌株と同定され、アグロバクテリウム・ツメファシエンスNK1と命名した。この菌株は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(茨城県つくば市東1−1−1、つくばセンター、中央第6)に寄託され、平成18年12月26日に受託番号FERM P−21144が付与されている。   As a result of searching the above properties from “Burger's Manual of Systematic Bacteriology” (1984), this strain was identified as a strain belonging to Agrobacterium tumefaciens and named Agrobacterium tumefaciens NK1. This strain was deposited at the National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Patent Biological Deposit Center (Tsukuba City East 1-1-1, Tsukuba Center, Chuo No. 6) in Ibaraki Prefecture. On December 26, 2006, the accession number FERM P- 21144 is given.

本発明の酵素は、上記アグロバクテリウム・ツメファシエンスNK1株に由来する酵素に限られるものではなく、本発明の3−キヌクリジノン不斉還元酵素を生産し得る限りいずれの微生物からも取得され得る。   The enzyme of the present invention is not limited to the enzyme derived from the Agrobacterium tumefaciens NK1 strain, and can be obtained from any microorganism as long as it can produce the 3-quinuclidinone asymmetric reductase of the present invention.

本発明の3−キヌクリジノン不斉還元酵素を得るために、本発明の3−キヌクリジノン不斉還元酵素を天然に生産する微生物(例えば、アグロバクテリウム・ツメファシエンスNK1株)およびその天然または人為的変異株、ならびに本発明の3−キヌクリジノン不斉還元酵素の発現に必要な遺伝子断片を人為的に取り出しそしてそれを組み入れた他の微生物(すなわち、遺伝子組換え微生物)を用いることができる。これらの微生物をまとめて、「本発明の酵素を産生する微生物」という。   In order to obtain the 3-quinuclidinone asymmetric reductase of the present invention, microorganisms that naturally produce the 3-quinuclidinone asymmetric reductase of the present invention (for example, Agrobacterium tumefaciens NK1 strain) and natural or artificial mutants thereof , As well as other microorganisms (ie, genetically modified microorganisms) in which a gene fragment necessary for the expression of the 3-quinuclidinone asymmetric reductase of the present invention is artificially extracted and incorporated. These microorganisms are collectively referred to as “microorganisms producing the enzyme of the present invention”.

本発明の酵素を産生する微生物を用いる3−キヌクリジノン不斉還元酵素の製造方法について説明する。上記微生物を適切な培地、例えば、適切な炭素源、窒素源、および無機塩類を含む培地中で培養し、酵素を蓄積させる。ここで、炭素源としては、デンプンおよびデンプン加水分解物、グルコース、スクロースなどの糖類、グリセロールなどのアルコール類、および有機酸(例えば、酢酸およびクエン酸)またはその塩(例えば、ナトリウム塩)などが挙げられる。窒素源としては、酵母エキス、ペプトン、肉エキス、コーンスチープリカー、大豆粉などの有機窒素源、および硫酸アンモニウム、硝酸アンモニウム、尿素などの無機窒素化合物が挙げられる。無機塩類としては、塩化ナトリウム、リン酸1カリウム、硫酸マグネシウム、塩化マンガン、塩化カルシウム、硫酸第1鉄などが挙げられる。これらの栄養成分を適切な量で含む培地を用いて培養する。培地は、液体培地であっても固体培地であっても良いが、生産性の点で液体培地が好ましい。培養温度は、培養される微生物が十分に生育できる温度であり、好ましくは20〜37℃である。培養時間は、上記酵素が十分に生産される時間であり、好ましくは1〜7日間程度である。培養は、好ましくは、好気的な条件下で、例えば、通気攪拌または振盪しながら行われる。   A method for producing 3-quinuclidinone asymmetric reductase using a microorganism that produces the enzyme of the present invention will be described. The microorganism is cultured in a suitable medium, for example, a medium containing a suitable carbon source, nitrogen source, and inorganic salts to accumulate the enzyme. Here, examples of the carbon source include starch and starch hydrolysates, sugars such as glucose and sucrose, alcohols such as glycerol, and organic acids (for example, acetic acid and citric acid) or salts thereof (for example, sodium salt). Can be mentioned. Examples of the nitrogen source include organic nitrogen sources such as yeast extract, peptone, meat extract, corn steep liquor and soybean flour, and inorganic nitrogen compounds such as ammonium sulfate, ammonium nitrate and urea. Examples of inorganic salts include sodium chloride, monopotassium phosphate, magnesium sulfate, manganese chloride, calcium chloride, and ferrous sulfate. Culture is performed using a medium containing these nutrient components in appropriate amounts. The medium may be a liquid medium or a solid medium, but is preferably a liquid medium in terms of productivity. The culture temperature is a temperature at which the cultured microorganism can sufficiently grow, and is preferably 20 to 37 ° C. The culture time is a time during which the enzyme is sufficiently produced, and is preferably about 1 to 7 days. Culturing is preferably performed under aerobic conditions, for example with aeration or shaking.

本発明の酵素を産生する微生物は栄養培地で液体培養することにより、通常該酵素を菌体内に蓄積し得る。培養微生物自体だけでなく、アセトン乾燥または凍結乾燥処理して得られた微生物、機械的または酵素的方法により細胞壁を破砕した無細胞抽出物、界面活性剤、有機溶媒などにより処理した微生物、あるいは適切な担体に固定化したこれらの微生物または無細胞抽出物などとしても、用いることができる。これらをまとめて、本発明の酵素を産生する微生物の「処理物」というが、「処理物」は、酵素産生微生物により生成された酵素を反応に利用できる任意の形態を含む。同様に、微生物の培養液もまた、酵素反応に用いることができる。   Microorganisms producing the enzyme of the present invention can usually accumulate the enzyme in the cells by liquid culture in a nutrient medium. Not only cultured microorganisms themselves, but also microorganisms obtained by acetone-drying or freeze-drying treatment, cell-free extracts with disrupted cell walls by mechanical or enzymatic methods, microorganisms treated with surfactants, organic solvents, etc., or appropriate These microorganisms immobilized on a simple carrier or cell-free extract can also be used. These are collectively referred to as a “processed product” of a microorganism that produces the enzyme of the present invention, but the “processed product” includes any form in which an enzyme produced by the enzyme-producing microorganism can be used for the reaction. Similarly, microbial broth can also be used for enzymatic reactions.

本発明の3−キヌクリジノン不斉還元酵素は、タンパク質の溶解度による分画(有機溶媒による沈澱や硫安などによる塩析など);陽イオン交換、陰イオン交換、ゲル濾過、疎水性などのクロマトグラフィー;キレート、色素、抗体などを用いたアフィニティークロマトグラフィーなどの公知の方法を組み合わせることにより精製することができる。例えば、上記微生物の菌体を破砕して無細胞抽出液を調製した後、硫安沈澱、陰イオン交換クロマトグラフィー、疎水性クロマトグラフィー、ゲル濾過クロマトグラフィー、さらに陰イオン交換クロマトグラフィーを繰り返し行うことにより、ポリアクリルアミドゲル電気泳動(SDS−PAGE)においてほぼ単一のバンドとなるまで精製することができる。上記の分画または精製の途中段階で生じる粗精製酵素を用いてもよいし、精製酵素を用いてもよい。   The 3-quinuclidinone asymmetric reductase of the present invention is fractionated by protein solubility (precipitation with organic solvents, salting out by ammonium sulfate, etc.); chromatography such as cation exchange, anion exchange, gel filtration, hydrophobicity; Purification can be achieved by combining known methods such as affinity chromatography using chelates, dyes, antibodies, and the like. For example, by crushing the cells of the above microorganisms to prepare a cell-free extract, by repeating ammonium sulfate precipitation, anion exchange chromatography, hydrophobic chromatography, gel filtration chromatography, and further anion exchange chromatography It can be purified until it becomes almost a single band in polyacrylamide gel electrophoresis (SDS-PAGE). The crudely purified enzyme generated in the middle of the above fractionation or purification may be used, or a purified enzyme may be used.

本発明の酵素、該酵素を産生する微生物、ならびにその培養液および処理物は、以下に詳述するように、(R)−3−キヌクリジノールまたはその塩の製造に用いられ得る。   The enzyme of the present invention, the microorganism producing the enzyme, and the culture solution and processed product thereof can be used for the production of (R) -3-quinuclidinol or a salt thereof as described in detail below.

<3−キヌクリジノン不斉還元酵素をコードするポリヌクレオチド>
上で説明した本発明の3−キヌクリジノン不斉還元酵素をコードするポリヌクレオチドもまた、本発明に含まれる。本発明のポリヌクレオチドは、DNA、RNAなどの天然のポリヌクレオチドに加え、人工的なヌクレオチド誘導体を含む人工的な分子であり得る。また、本発明のポリヌクレオチドは、DNA−RNAのキメラ分子であり得る。
<3-nucleotide encoding quinuclidinone asymmetric reductase>
Polynucleotides encoding the 3-quinuclidinone asymmetric reductase of the present invention described above are also included in the present invention. The polynucleotide of the present invention may be an artificial molecule including an artificial nucleotide derivative in addition to a natural polynucleotide such as DNA or RNA. The polynucleotide of the present invention may be a DNA-RNA chimeric molecule.

本発明のポリヌクレオチドは、上記精製した酵素の部分アミノ酸配列を決定し、次いで当業者が通常用いる方法、例えば、マルチプライマーを用いるPCRおよびマルチプローブを用いるハイブリダイゼーション、によって取得され得る。   The polynucleotide of the present invention can be obtained by determining the partial amino acid sequence of the purified enzyme, and then by methods commonly used by those skilled in the art, for example, PCR using multiple primers and hybridization using multiple probes.

本発明のポリヌクレオチドは、例えば、配列番号1の1位から783位までの全長の塩基配列で表されるポリヌクレオチドを含む。本明細書中では、配列番号1の1位から783位までの全長の塩基配列を、単に「配列番号1に記載の塩基配列」という。この配列番号1に記載の塩基配列は、配列番号2に記載のアミノ酸配列を含むタンパク質をコードしており、このアミノ酸配列を含むタンパク質は、本発明による3−キヌクリジノン不斉還元酵素の好ましい形態を構成する。本発明のポリヌクレオチドとしては、上記の配列番号2に記載のアミノ酸配列に1または複数のアミノ酸が置換、欠失、挿入、および/または付加したアミノ酸を含み、かつ3−キヌクリジノン不斉還元酵素活性を有するタンパク質をコードするポリヌクレオチドもまた挙げられる。   The polynucleotide of the present invention includes, for example, a polynucleotide represented by a full-length base sequence from position 1 to position 783 of SEQ ID NO: 1. In the present specification, the full-length base sequence from position 1 to position 783 of SEQ ID NO: 1 is simply referred to as “the base sequence described in SEQ ID NO: 1.” The base sequence shown in SEQ ID NO: 1 encodes a protein containing the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2, and the protein containing this amino acid sequence represents a preferred form of the 3-quinuclidinone asymmetric reductase according to the present invention. Constitute. The polynucleotide of the present invention includes an amino acid in which one or more amino acids are substituted, deleted, inserted, and / or added to the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2, and has 3-quinuclidinone asymmetric reductase activity Also included are polynucleotides that encode proteins having:

本発明の3−キヌクリジノン不斉還元酵素をコードするポリヌクレオチドとしては、配列番号2に記載のアミノ酸配列と好ましくは少なくとも85%、より好ましくは少なくとも90%、なおより好ましくは少なくとも95%、さらにより好ましくは99%の相同性を有するアミノ酸配列を有するタンパク質であって、かつ3−キヌクリジノン不斉還元酵素活性を有するタンパク質をコードする、ポリヌクレオチドもまた挙げられる。タンパク質の相同性(ホモロジー)検索は、上で説明したとおりである。   The polynucleotide encoding the 3-quinuclidinone asymmetric reductase of the present invention preferably has at least 85%, more preferably at least 90%, still more preferably at least 95%, even more preferably the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2. A polynucleotide that preferably encodes a protein having an amino acid sequence having 99% homology and having 3-quinuclidinone asymmetric reductase activity is also mentioned. The protein homology search is as described above.

本発明のポリヌクレオチドは、コードするタンパク質が本発明の3−キヌクリジノン不斉還元酵素と実質的に同等の活性(3−キヌクリジノン不斉還元酵素活性)を有する限り、配列番号1に記載の塩基配列を有するポリヌクレオチドに対して1または複数の塩基が置換されていてもよい。   As long as the encoded protein has substantially the same activity as the 3-quinuclidinone asymmetric reductase of the present invention (3-quinuclidinone asymmetric reductase activity), the polynucleotide of the present invention has the nucleotide sequence set forth in SEQ ID NO: 1. One or more bases may be substituted for the polynucleotide having

好ましくは、本発明の3−キヌクリジノン不斉還元酵素をコードするポリヌクレオチドとしては、配列番号1に記載の塩基配列と少なくとも60%、より好ましくは少なくとも70%、さらにより好ましくは少なくとも80%、なおより好ましくは少なくとも90%、さらにより好ましくは少なくとも95%、さらにより好ましくは99%の配列同一性を有する塩基配列を有し、かつ3−キヌクリジノン不斉還元酵素活性を有するタンパク質をコードする、ポリヌクレオチドもまた挙げられる。塩基配列の配列同一性の決定および検索についても、上で説明したとおりである。   Preferably, the polynucleotide encoding the 3-quinuclidinone asymmetric reductase of the present invention has at least 60%, more preferably at least 70%, even more preferably at least 80%, and more preferably the nucleotide sequence set forth in SEQ ID NO: 1. More preferably at least 90%, even more preferably at least 95%, even more preferably 99% of the base sequence having sequence identity and encoding a protein having 3-quinuclidinone asymmetric reductase activity Also included are nucleotides. The determination and search of the sequence identity of the base sequence is also as described above.

本発明のポリヌクレオチドとしては、配列番号1に記載の塩基配列に相補的な塩基配列とストリンジェントな条件でハイブリダイズできるポリヌクレオチドであって、かつ3−キヌクリジノン不斉還元酵素活性を有するタンパク質をコードする、ポリヌクレオチドもまた挙げられる。   The polynucleotide of the present invention is a polynucleotide that can hybridize with a base sequence complementary to the base sequence shown in SEQ ID NO: 1 under stringent conditions and that has a 3-quinuclidinone asymmetric reductase activity. Also included are polynucleotides that encode.

本発明のポリヌクレオチドは、本明細書中に記載した塩基配列情報に基づいて、目的とする遺伝子を、上記の微生物から取得することができる。遺伝子の取得には、PCRやハイブリダイズスクリーニングが用いられる。また、DNA合成によって遺伝子の全長を化学的に合成することもできる。上記塩基配列情報に基づいて、上記以外の生物に由来する上記3−キヌクリジノン不斉還元酵素をコードするポリヌクレオチドを取得することもできる。例えば、上記塩基配列もしくはその一部の塩基配列を用いてプローブを設計し、他の生物から調製したDNAに対してストリンジェントな条件下でハイブリダイゼーションを行うことにより、種々の生物由来の3−キヌクリジノン不斉還元酵素をコードするポリヌクレオチドを単離することができる。上記塩基配列情報に基づいて、DNA Databank of Japan(DDBJ)、EMBL、Gene-BankなどのDNAに関するデータベースに登録されている配列情報を用いてホモロジーの高い領域からPCR用のプライマーを設計することもできる。このようなプライマーを用い、染色体DNAもしくはcDNAを鋳型としてPCRを行うことにより、上記3−キヌクリジノン不斉還元酵素をコードするポリヌクレオチドを種々の生物から単離することもできる。   The polynucleotide of this invention can acquire the target gene from said microorganisms based on the base sequence information described in this specification. PCR and hybridization screening are used for gene acquisition. It is also possible to chemically synthesize the full length of a gene by DNA synthesis. Based on the base sequence information, a polynucleotide encoding the 3-quinuclidinone asymmetric reductase derived from an organism other than the above can also be obtained. For example, by designing a probe using the above base sequence or a part of the base sequence and performing hybridization under conditions stringent to DNA prepared from another organism, 3- A polynucleotide encoding a quinuclidinone asymmetric reductase can be isolated. Based on the above base sequence information, PCR primers can be designed from regions with high homology using sequence information registered in DNA databases such as DNA Databank of Japan (DDBJ), EMBL, and Gene-Bank. it can. By using such primers and performing PCR using chromosomal DNA or cDNA as a template, the polynucleotide encoding the 3-quinuclidinone asymmetric reductase can also be isolated from various organisms.

ストリンジェントな条件でハイブリダイズできるポリヌクレオチドとは、配列番号1に記載の塩基配列中の少なくとも20個、好ましくは少なくとも30個、例えば、40個、60個、または100個の連続した配列を一つまたは複数選択してプローブを設計し、例えばECL direct nucleic acid labeling and detection system(GE Healthcare社製)を用いて、マニュアルに記載の条件(例えば、洗浄条件:42℃、0.5×SSCを含むprimary wash buffer)において、ハイブリダイズするポリヌクレオチドを指す。   The polynucleotide that can hybridize under stringent conditions is a sequence comprising at least 20, preferably at least 30, for example, 40, 60, or 100 consecutive sequences in the nucleotide sequence set forth in SEQ ID NO: 1. One or a plurality of probes are selected and designed, for example, using ECL direct nucleic acid labeling and detection system (GE Healthcare), the conditions described in the manual (for example, washing conditions: 42 ° C., 0.5 × SSC) In the primary wash buffer).

より具体的には、「ストリンジェントな条件」とは、例えば、通常、42℃、2×SSC、0.1%SDSの条件であり、好ましくは50℃、2×SSC、0.1%SDSの条件であり、さらに好ましくは65℃、0.1×SSCおよび0.1%SDSの条件であるが、これらの条件に特に制限されるものではない。ハイブリダイゼーションのストリンジェンシーに影響する要素としては、温度や塩濃度などの複数の要素があり、当業者であればこれらの要素を適宜選択することで最適なストリンジェンシーを実現することが可能である。   More specifically, the “stringent conditions” are usually conditions of 42 ° C., 2 × SSC, 0.1% SDS, preferably 50 ° C., 2 × SSC, 0.1% SDS. More preferably, the conditions are 65 ° C., 0.1 × SSC and 0.1% SDS, but are not particularly limited to these conditions. Factors affecting the stringency of hybridization include a plurality of factors such as temperature and salt concentration, and those skilled in the art can achieve optimal stringency by appropriately selecting these factors. .

本発明のポリヌクレオチドは、遺伝子組換え技術を用いて、同種もしくは異種の宿主中で発現され得る。   The polynucleotides of the invention can be expressed in homologous or heterologous hosts using genetic engineering techniques.

<ベクターおよび形質転換体>
本発明のベクターは、上記のポリヌクレオチドを含む。本発明の形質転換体は、本発明のベクターを発現可能に保持する。
<Vector and transformant>
The vector of the present invention contains the above-described polynucleotide. The transformant of the present invention holds the vector of the present invention so that it can be expressed.

形質転換体の作製のための手順および宿主に適合した組換えベクターの構築は、分子生物学、生物工学、遺伝子工学の分野において慣用されている技術に準じて行うことができる(例えば、Sambrookら、Molecular Cloning: A Laboratory Manual、第2版、Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor, NY, 1989年参照)。微生物中で、本発明の3−キヌクリジノン不斉還元酵素をコードするポリヌクレオチドを発現させるためには、まず、微生物中で安定に存在するプラスミドベクターやファージベクターにこのDNAを導入し、その遺伝情報を転写・翻訳させる必要がある。そのためには、転写・翻訳を制御するユニットにあたるプロモーターを、本発明のDNA鎖の5’側上流に、より好ましくはターミネーターを3’側下流に、それぞれ組み込めばよい。このプロモーターおよびターミネーターとしては、宿主として利用される微生物中において機能することが知られているプロモーターおよびターミネーターが用いられる。これらの各種微生物において利用可能なベクター、プロモーター、ターミネーターなどに関しては、「微生物学基礎講座8遺伝子工学」、共立出版、特に酵母に関しては、Adv. Biochem. Eng., 1990年、43巻、pp.75;Yeast、1992年、8巻、pp.423などに詳細に記述されている。   A procedure for producing a transformant and construction of a recombinant vector suitable for the host can be performed according to techniques commonly used in the fields of molecular biology, biotechnology, and genetic engineering (for example, Sambrook et al. , Molecular Cloning: A Laboratory Manual, 2nd edition, Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor, NY, 1989). In order to express the polynucleotide encoding the 3-quinuclidinone asymmetric reductase of the present invention in a microorganism, first, this DNA is introduced into a plasmid vector or a phage vector that is stably present in the microorganism, and its genetic information is obtained. Must be transcribed and translated. For this purpose, a promoter corresponding to a unit that controls transcription / translation may be incorporated upstream of the 5 ′ side of the DNA strand of the present invention, more preferably a terminator downstream of the 3 ′ side. As the promoter and terminator, a promoter and terminator known to function in microorganisms used as hosts are used. Regarding vectors, promoters, terminators and the like that can be used in these various microorganisms, “Basic Course of Microbiology 8 Genetic Engineering”, Kyoritsu Publishing, especially yeast, Adv. Biochem. Eng., 1990, 43, pp. 75; Yeast, 1992, Vol. 8, pp. 423.

本発明の形質転換体は、補酵素NADのNADHへの再生系が導入されていることが好ましい。3−キヌクリジノンを立体選択的に(R)−3−キヌクリジノールへと還元する過程で、本発明の3−キヌクリジノン不斉還元酵素はNADHを要求する。この3−キヌクリジノン不斉還元酵素による還元反応に付随して、NADHからNADが生成する。NADは、適当な基質の酸化反応を利用することによって、再び還元型であるNADHに再生することができる。したがって、基質の還元反応を効率化するために、本発明の形質転換体では、NADをNADHに再生する酵素(「NADH再生酵素」)が発現されることが好ましい。本発明におけるNADH再生酵素としては、グルコース脱水素酵素、グルタミン酸脱水素酵素、ギ酸脱水素酵素、リンゴ酸脱水素酵素、グルコース−6−リン酸脱水素酵素、ホスホグルコン酸脱水素酵素、アルコール脱水素酵素、およびグリセロール脱水素酵素などが挙げられる。好ましくは、バチルス・メガテリウム(Bacillus megaterium)に由来するグルコース脱水素酵素であり、より好ましくは、バチルス・メガテリウム(Bacillus megaterium)IWG3株およびIAM1030株に由来するグルコース脱水素酵素である。これらをコードする遺伝子はすでに単離され、その配列情報は、データベースに登録されている(UniProtKB/Swiss-Prot Accession No. P39482およびP39482)。データベースに登録されている塩基配列に基づいてPCRやハイブリダイズスクリーニングを行うことによって、当該微生物から取得することもできる。 In the transformant of the present invention, it is preferable that a regeneration system of coenzyme NAD + into NADH is introduced. In the process of stereoselectively reducing 3-quinuclidinone to (R) -3-quinuclidinol, the 3-quinuclidinone asymmetric reductase of the present invention requires NADH. NAD + is generated from NADH accompanying the reduction reaction by the 3-quinuclidinone asymmetric reductase. NAD + can be regenerated back to the reduced form NADH by utilizing the oxidation reaction of an appropriate substrate. Therefore, in order to make the reduction reaction of the substrate more efficient, it is preferable that the transformant of the present invention expresses an enzyme that regenerates NAD + to NADH (“NADH regenerating enzyme”). The NADH regenerating enzyme in the present invention includes glucose dehydrogenase, glutamate dehydrogenase, formate dehydrogenase, malate dehydrogenase, glucose-6-phosphate dehydrogenase, phosphogluconate dehydrogenase, alcohol dehydrogenase. Enzymes, glycerol dehydrogenase and the like can be mentioned. Glucose dehydrogenase derived from Bacillus megaterium is preferable, and glucose dehydrogenase derived from Bacillus megaterium IWG3 and IAM1030 strains is more preferable. Genes encoding these have already been isolated, and their sequence information has been registered in a database (UniProtKB / Swiss-Prot Accession No. P39482 and P39482). It can also be obtained from the microorganism by performing PCR or hybridization screening based on the base sequence registered in the database.

単一のベクター中に複数の遺伝子導入する場合には、プロモーター、ターミネーターなどの発現制御に関わる領域をそれぞれの遺伝子に連結する方法、あるいはラクトースオペロンのように複数のシストロンを含むオペロンとして発現させる方法などがある。   When introducing multiple genes into a single vector, a method of linking a region involved in expression control such as a promoter or terminator to each gene, or a method of expressing as an operon containing multiple cistrons such as lactose operon and so on.

これらの2つの遺伝子の宿主への導入には、不和合性を避けるために複製起点の異なる複数のベクターに別々に遺伝子を挿入した組換えベクターにより宿主を形質転換する方法、単一のベクターに両遺伝子を挿入した組換えベクターにより宿主を形質転換する方法、一方、もしくは両方の遺伝子を宿主の染色体中に挿入する方法などを利用できる。   In order to introduce these two genes into a host, in order to avoid incompatibility, a method of transforming the host with a recombinant vector in which genes are separately inserted into a plurality of vectors having different origins of replication, a single vector A method of transforming a host with a recombinant vector into which both genes are inserted, a method of inserting one or both genes into the host chromosome, and the like can be used.

本発明のポリヌクレオチドを発現させるために形質転換の対象となる宿主は、上記ポリヌクレオチドを含むベクターにより形質転換され、3−キヌクリジノン不斉還元酵素活性を発現することができる生物であれば特に制限はない。例えば、エシェリヒア(Escherichia)属、バチルス(Bacillus)属、シュードモナス(Pseudomonas)属、セラチア(Serratia)属、ブレビバクテリウム(Brevibacterium)属、コリネバクテリイウム(Corynebacterium)属、ストレプトコッカス(Streptococcus)属、ラクトバチルス(Lactobacillus)属などの宿主ベクター系の開発されている細菌;ロドコッカス(Rhodococcus)属、ストレプトマイセス(Streptomyces)属などの宿主ベクター系の開発されている放線菌;サッカロマイセス(Saccharomyces)属、クルイベロマイセス(Kluyveromyces)属、シゾサッカロマイセス(Schizosaccharomyces)属、チゴサッカロマイセス(Zygosaccharomyces)属、ヤロウィア(Yarrowia)属、トリコスポロン(Trichosporon)属、ロドスポリジウム(Rhodosporidium)属、ピキア(Pichia)属、キャンディダ(Candida)属などの宿主ベクター系の開発されている酵母;ノイロスポラ(Neurospora)属、アスペルギルス(Aspergillus)属、セファロスポリウム(Cephalosporium)属、トリコデルマ(Trichoderma)属などの宿主ベクター系の開発されているカビなどが挙げられる。遺伝子組換えの操作の容易性から、大腸菌が好ましい。   The host to be transformed in order to express the polynucleotide of the present invention is not particularly limited as long as it is an organism that is transformed with a vector containing the polynucleotide and can express 3-quinuclidinone asymmetric reductase activity. There is no. For example, Escherichia genus, Bacillus genus, Pseudomonas genus, Serratia genus, Brevibacterium genus, Corynebacterium genus, Streptococcus genus, lacto Bacteria for which host vector systems such as Bacillus (Lactobacillus) have been developed; Actinomycetes for which host vector systems such as Rhodococcus and Streptomyces have been developed; Saccharomyces The genus Kluyveromyces, the genus Schizosaccharomyces, the genus Zygosaccharomyces, the genus Yarrowia, the genus Trichosporon, the genus Rhodosporidium, the genus Rhodosporidium Da (Candida) etc. Yeast for which host vector systems have been developed; molds for which host vector systems such as Neurospora, Aspergillus, Cephalosporium, and Trichoderma have been developed. It is done. E. coli is preferred because of the ease of genetic recombination operations.

また、微生物以外でも、植物、動物において様々な宿主・ベクター系が開発されており、例えば、蚕を用いた昆虫(Nature, 1985年, 315巻, pp.592-594)、菜種、トウモロコシ、ジャガイモなどの植物中に、大量に異種タンパク質を発現させる系が開発されており、これらを利用してもよい。   In addition to microorganisms, various host / vector systems have been developed in plants and animals. For example, insects using moths (Nature, 1985, 315, pp.592-594), rapeseed, corn, potato A system for expressing a large amount of a heterologous protein in plants such as these has been developed, and these may be used.

<(R)−3−キヌクリジノールの製造方法>
本発明の3−キヌクリジノン不斉還元酵素(上記の精製酵素または粗精製酵素の両方を含む)、該酵素を生産する微生物(上記形質転換体をも含む)、または該微生物もしくは形質転換体の培養液もしくは処理物を、3−キヌクリジノンまたはその塩に作用させることにより、(R)−3−キヌクリジノールまたはその塩が効率よく生成される。「3−キヌクリジノンまたはその塩」とは、その窒素原子において有機酸、鉱酸などと塩を形成しているものもまた、上記3−キヌクリジノン不斉還元酵素による3−キヌクリジノンの不斉還元に使用できることを意図する。具体的には、有機酸塩としては酢酸塩、プロピオン酸塩、酪酸塩、フマル酸、マロン酸、シュウ酸などの脂肪族有機酸塩、安息香酸等の芳香族有機酸塩などが挙げられる。鉱酸塩としては、塩酸塩、臭化水素酸塩、硫酸塩、硝酸塩、リン酸塩などが挙げられる。以下の説明において「3−キヌクリジノン」とのみ表示している場合も、上記のような3−キヌクリジノンの塩が使用可能である。
<Production method of (R) -3-quinuclidinol>
3-quinuclidinone asymmetric reductase of the present invention (including both the purified enzyme and the crudely purified enzyme), a microorganism (including the transformant) that produces the enzyme, or culture of the microorganism or transformant (R) -3-quinuclidinol or a salt thereof is efficiently produced by allowing the liquid or treated product to act on 3-quinuclidinone or a salt thereof. "3-Quinuclidinone or a salt thereof" means a compound that forms a salt with an organic acid, mineral acid, or the like at its nitrogen atom, and is also used for the asymmetric reduction of 3-quinuclidinone by the 3-quinuclidinone asymmetric reductase. I intend to be able to do it. Specific examples of the organic acid salt include aliphatic organic acid salts such as acetate, propionate, butyrate, fumaric acid, malonic acid, and oxalic acid, and aromatic organic acid salts such as benzoic acid. Examples of mineral acid salts include hydrochloride, hydrobromide, sulfate, nitrate, and phosphate. Even in the case where only “3-quinuclidinone” is indicated in the following description, the salt of 3-quinuclidinone as described above can be used.

本発明の方法では、本発明の3−キヌクリジノン不斉還元酵素(上記の精製酵素または粗精製酵素の両方を含む)、該酵素を生産する微生物(上記形質転換体をも含む)、または該微生物もしくは形質転換体の培養液もしくは処理物(以下では、これらをまとめて「生物学的触媒」ともいう)を含有する適切な反応液中で、3−キヌクリジノンまたはその塩を不斉還元し、生成物として(R)−3−キヌクリジノールを得る。   In the method of the present invention, the 3-quinuclidinone asymmetric reductase of the present invention (including both the purified enzyme and the crudely purified enzyme), the microorganism producing the enzyme (including the transformant), or the microorganism Alternatively, 3-quinuclidinone or a salt thereof is asymmetrically reduced in a suitable reaction solution containing a culture solution or processed product of the transformant (hereinafter collectively referred to as “biological catalyst”). (R) -3-quinuclidinol is obtained as a product.

本発明の方法の1つの実施態様において、作用させる工程(以下、「作用工程」ともいう)では、3−キヌクリジノンの存在下で、3−キヌクリジノン還元酵素を発現する微生物を培養する。培養液に添加する3−キヌクリジノンの量は、好ましくは0.1〜50%(w/v)、より好ましくは0.1%〜10%(w/v)である。添加された3−キヌクリジノンは必ずしも完全に溶解させなくてもよい。3−キヌクリジノンが完全に溶解しない場合、例えば、塩(例えば、塩酸塩)として溶解性を向上させてもよく、あるいはエタノールのような有機溶媒を、還元反応を実質的に阻害しない程度(例えば、5%(v/v))まで添加してもよい。   In one embodiment of the method of the present invention, in the step of acting (hereinafter also referred to as “action step”), a microorganism that expresses 3-quinuclidinone reductase is cultured in the presence of 3-quinuclidinone. The amount of 3-quinuclidinone added to the culture medium is preferably 0.1 to 50% (w / v), more preferably 0.1% to 10% (w / v). The added 3-quinuclidinone may not necessarily be completely dissolved. If 3-quinuclidinone is not completely dissolved, for example, the solubility may be improved as a salt (e.g., hydrochloride), or an organic solvent such as ethanol will not substantially inhibit the reduction reaction (e.g., You may add to 5% (v / v)).

本発明の方法の別の実施態様において、作用工程では、適切な反応液(水または緩衝液)中で、培養された微生物の菌体またはその処理物(例えば、アセトン処理物、風乾処理物、凍結乾燥処理物)を3−キヌクリジノンと接触させる。反応液に添加する3−キヌクリジノンの量は、好ましくは0.1〜30%(w/v)、より好ましくは0.1〜20%(w/v)である。添加された3−キヌクリジノンは必ずしも完全に溶解させなくてもよい。3−キヌクリジノンが完全に溶解しない場合、例えば、塩(例えば、塩酸塩)として溶解性を向上させてもよく、あるいはエタノールのような有機溶媒を、還元反応を実質的に阻害しない程度(例えば、5%(v/v))に添加してもよい。特に菌体処理物を使用する場合は、補酵素としてNADHを添加することが好ましい。この補酵素の添加量は、好ましくは0.1〜1000mg/L、より好ましくは2〜200mg/Lである。   In another embodiment of the method of the present invention, in the action step, microbial cells cultured in a suitable reaction solution (water or buffer) or a processed product thereof (for example, an acetone-treated product, an air-dried product, The lyophilized product) is contacted with 3-quinuclidinone. The amount of 3-quinuclidinone added to the reaction solution is preferably 0.1 to 30% (w / v), more preferably 0.1 to 20% (w / v). The added 3-quinuclidinone may not necessarily be completely dissolved. If 3-quinuclidinone is not completely dissolved, for example, the solubility may be improved as a salt (e.g., hydrochloride), or an organic solvent such as ethanol will not substantially inhibit the reduction reaction (e.g., 5% (v / v)). In particular, when a treated bacterial cell is used, it is preferable to add NADH as a coenzyme. The amount of coenzyme added is preferably 0.1 to 1000 mg / L, more preferably 2 to 200 mg / L.

反応は、制御されたpHのもとで行われ得る。反応のための至適なpHを保持するために、反応液として、例えば、リン酸緩衝液などの緩衝液が使用される。反応液のpHは好ましくは5〜9、より好ましくは6〜8である。あるいは、反応の進行に伴って変化するpHをモニターしながら、酸(例えば、硫酸)およびアルカリ(例えば、水酸化ナトリウム)を添加することによって反応液のpHを至適なpHに維持および調節し得る。   The reaction can be performed under a controlled pH. In order to maintain the optimum pH for the reaction, for example, a buffer solution such as a phosphate buffer is used as the reaction solution. The pH of the reaction solution is preferably 5-9, more preferably 6-8. Alternatively, the pH of the reaction solution is maintained and adjusted to an optimum pH by adding an acid (for example, sulfuric acid) and an alkali (for example, sodium hydroxide) while monitoring the pH that changes as the reaction proceeds. obtain.

上記の生物学的触媒の量は、その形状および活性により適宜決定され、特に制限はない。その基質の3−キヌクリジノンに対して、約0.1〜10g/基質mol、好ましくは約1〜5g/基質molであることが望ましい。   The amount of the biological catalyst is appropriately determined depending on its shape and activity, and is not particularly limited. About 0.1 to 10 g / mol substrate, preferably about 1 to 5 g / mol substrate relative to the substrate 3-quinuclidinone.

反応温度は、好ましくは10℃〜55℃、より好ましくは25℃〜45℃である。   The reaction temperature is preferably 10 ° C to 55 ° C, more preferably 25 ° C to 45 ° C.

反応時間は、用いる生物学的触媒の量、反応温度、反応pHなどに依存して変動するが、通常1〜72時間程度である。   The reaction time varies depending on the amount of biological catalyst used, reaction temperature, reaction pH, etc., but is usually about 1 to 72 hours.

本発明の製造方法においては、作用工程に、上記の補酵素再生系を組み合わせることが好ましい。NADからNADHへの再生は、植物、微生物、形質転換体の含有するNADからNADHを再生する酵素によって行うことができる。NADHの再生反応を触媒する酵素は、単一であってもよいし、複数の酵素で構成される多段階反応であってもよい。NAD還元能は、反応系にグルコース、スクロースなどの糖、有機酸、またはエタノール、イソプロパノールなどのアルコールを添加することにより増強できる。NADHの再生に有用な酵素としては、グルコース脱水素酵素、グルタミン酸脱水素酵素、ギ酸脱水素酵素、リンゴ酸脱水素酵素、グルコース−6−リン酸脱水素酵素、ホスホグルコン酸脱水素酵素、アルコール脱水素酵素、およびグリセロール脱水素酵素が挙げられる。これらの酵素としては、精製酵素のみならず、該酵素を有する微生物、その処理物、あるいは部分精製酵素などを用いることができる。例えば、グルコース脱水素酵素の場合には、グルコースからグルコノラクトンへの酸化に伴ってNADからNADHへの再生が行われる。 In the production method of the present invention, it is preferable to combine the above-mentioned coenzyme regeneration system with the action step. Playback from NAD + to NADH can be carried out by an enzyme to regenerate plants, microorganisms, and NADH from NAD + containing transformants. The enzyme that catalyzes the regeneration reaction of NADH may be a single enzyme or a multistage reaction composed of a plurality of enzymes. The NAD + reducing ability can be enhanced by adding sugars such as glucose and sucrose, organic acids, or alcohols such as ethanol and isopropanol to the reaction system. Enzymes useful for NADH regeneration include glucose dehydrogenase, glutamate dehydrogenase, formate dehydrogenase, malate dehydrogenase, glucose-6-phosphate dehydrogenase, phosphogluconate dehydrogenase, alcohol dehydration Elemental enzymes, and glycerol dehydrogenase. As these enzymes, not only purified enzymes but also microorganisms having the enzymes, processed products thereof, partially purified enzymes, and the like can be used. For example, in the case of glucose dehydrogenase, regeneration from NAD + to NADH is performed with the oxidation of glucose to gluconolactone.

これらのNADH再生に必要な成分は、本発明の方法における3−キヌクリジノン不斉還元酵素反応系に添加され、もしくはこれらの成分が固定化されたものを添加してもよい。あるいは、NADHの交換が可能な膜を介して上記反応系に接触させることができる。   These components necessary for NADH regeneration may be added to the 3-quinuclidinone asymmetric reductase reaction system in the method of the present invention, or those in which these components are immobilized may be added. Alternatively, the reaction system can be contacted through a membrane capable of exchanging NADH.

(R)−3−キヌクリジノールの製造方法において、本発明の3−キヌクリジン不斉還元酵素をコードするポリペプチドを含む組換えベクターで形質転換した形質転換体を利用する場合には、NADH再生のための反応系を付加しなくてもよい。すなわち、NADH再生活性の高い生物を宿主と用いることにより、形質転換体を用いた還元反応において、NADH再生酵素を添加することなく効率的に反応を行い得る。あるいは、上記NADH再生に利用可能な酵素遺伝子を、本発明の3−キヌクリジノン不斉還元酵素をコードするポリヌクレオチドと同時に導入した宿主を利用することもできる。両酵素を発現する形質転換体には、上で説明したように、3−キヌクリジノン不斉還元酵素をコードするポリヌクレオチドを含むベクターと上記NADH再生に利用可能な酵素遺伝子を含むベクターとをそれぞれ発現可能に保持する形質転換体、および3−キヌクリジノン不斉還元酵素をコードするポリヌクレオチドおよび上記NADH再生に利用可能な酵素遺伝子を含むベクターを発現可能に保持する形質転換体が含まれる。このような形質転換体を用いることにより、本発明の3−キヌクリジノン不斉還元酵素およびNADH再生酵素の発現、および基質の不斉還元反応を、より効率よく行うこともできる。   In the method for producing (R) -3-quinuclidinol, when a transformant transformed with a recombinant vector containing a polypeptide encoding the 3-quinuclidine asymmetric reductase of the present invention is used, NADH regeneration is performed. It is not necessary to add this reaction system. That is, by using an organism having a high NADH regeneration activity as a host, a reaction can be efficiently performed in a reduction reaction using a transformant without adding an NADH regeneration enzyme. Alternatively, a host in which the enzyme gene that can be used for NADH regeneration is introduced at the same time as the polynucleotide encoding the 3-quinuclidinone asymmetric reductase of the present invention can be used. As described above, the transformant expressing both enzymes expresses a vector containing a polynucleotide encoding 3-quinuclidinone asymmetric reductase and a vector containing an enzyme gene that can be used for NADH regeneration. A transformant that can be retained, and a transformant that can retain a vector containing a polynucleotide encoding 3-quinuclidinone asymmetric reductase and the enzyme gene that can be used for NADH regeneration are expressed. By using such a transformant, the expression of the 3-quinuclidinone asymmetric reductase and NADH regenerating enzyme of the present invention and the asymmetric reduction reaction of the substrate can be performed more efficiently.

補酵素の再生系が組み合わせられる場合、補酵素NADおよび/またはグルコース、スクロース、エタノール、メタノールなどのエネルギー源が上記培養液または反応液に添加され得る。上記補酵素NADまたはエネルギー源の添加量は、基質である3−キヌクリジノンおよび上記生物学的触媒の量などに基づいて適宜決定され得る。反応は、上述したように反応温度、必要により反応液のpHを制御しながら行い得る。必要に応じて、反応の途中で反応基質である3−キヌクリジノンおよび/または上記補酵素、エネルギー源を適宜加えて、反応を継続させてもよい。 When a coenzyme regeneration system is combined, an energy source such as coenzyme NAD + and / or glucose, sucrose, ethanol, methanol, etc. can be added to the culture solution or reaction solution. The addition amount of the coenzyme NAD + or the energy source can be appropriately determined based on the amount of the substrate 3-quinuclidinone and the biological catalyst. The reaction can be performed while controlling the reaction temperature and, if necessary, the pH of the reaction solution as described above. If necessary, the reaction may be continued by appropriately adding 3-quinuclidinone as a reaction substrate and / or the above-mentioned coenzyme and energy source during the reaction.

生成した(R)−3−キヌクリジノールは、基質の3−キヌクリジノンおよび生成した(R)−3−キヌクリジノールの化学的特性または物理学的特性の差異を利用して分離され得る。例えば、反応終了後、その性質(例えば、溶解度、疎水性)に応じて、溶媒抽出法、結晶析出法、カラムクロマトグラフ法などの当該分野で通常用いられる分離操作を用いて、未反応の3−キヌクリジノンと分離される。例えば、溶媒抽出法では、塩基性条件下、トルエンで反応液から未反応の3−キヌクリジノンを抽出除去した後、クロロホルム、ジクロロメタンなどの有機溶媒を用いて、生成した(R)−3−キヌクリジノールを回収することができる。   The produced (R) -3-quinuclidinol can be separated utilizing the difference in chemical or physical properties of the substrate 3-quinuclidinone and the produced (R) -3-quinuclidinol. For example, after completion of the reaction, depending on the properties (for example, solubility, hydrophobicity), unreacted 3 using a separation operation usually used in the field such as a solvent extraction method, a crystal precipitation method, or a column chromatography method. -Separated from quinuclidinone. For example, in the solvent extraction method, unreacted 3-quinuclidinone is extracted and removed from the reaction solution with toluene under basic conditions, and then (R) -3-quinuclidinol is produced using an organic solvent such as chloroform or dichloromethane. It can be recovered.

得られた生成物は、必要に応じて、上記の手段を用いて、さらに精製され得る。この場合、第2の手段は、第1の手段と異なることが好ましい(例えば、第1の手段として溶媒抽出を用いた場合、第2の手段として、例えばカラムクロマトグラフィーが挙げられる)。   The resulting product can be further purified using the above means if necessary. In this case, the second means is preferably different from the first means (for example, when solvent extraction is used as the first means, the second means includes, for example, column chromatography).

以下の実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。   The present invention will be described in more detail by the following examples, but the present invention is not limited to these examples.

((R)−3−キヌクリジノールの変換率ならびに光学純度の測定)
反応液中の3−キヌクリジノンの定量および還元反応により生成した3−キヌクリジノールの定量ならびに光学純度の測定は、以下の分析条件を用いて、ガスクロマトグラフィーにより行った。
(Measurement of conversion rate and optical purity of (R) -3-quinuclidinol)
The quantitative determination of 3-quinuclidinone in the reaction solution and the quantitative determination of 3-quinuclidinol produced by the reduction reaction and the measurement of optical purity were carried out by gas chromatography using the following analytical conditions.

ガスクロマトグラフィー分析条件:
カラム:gamma-DEX120(長さ:30m、内径:0.25mmID;スペルコ社製)
カラム初期温度:140℃(10分)
インジェクター温度:220℃
検出器温度:220℃
キャリアーガス:ヘリウム(200kPa)
検出器:FID
Gas chromatography analysis conditions:
Column: gamma-DEX120 (length: 30 m, inner diameter: 0.25 mm ID; manufactured by Spelco)
Column initial temperature: 140 ° C. (10 minutes)
Injector temperature: 220 ° C
Detector temperature: 220 ° C
Carrier gas: helium (200 kPa)
Detector: FID

(実施例1:アグロバクテリウム・ツメファシエンスNK1株の乾燥菌体の調製)
アグロバクテリウム・ツメファシエンスNK1株(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、平成18年12月26日に受託番号FERM P−21144が付与された株)は、土壌より分離した株である。この株を予め、培地(グルコース20g/L、酵母エキス(日本製薬製)3g/L、ポリペプトン(日本製薬製)5g/L、レンダーエキス(ミクニ化学産業製)3g/L、硫酸アンモニウム2g/L、硫酸マグネシウム・7水和物0.5g/L、リン酸ニ水素カリウム1.0g/L、pH7.0)で、28℃にて前培養しておいた。
(Example 1: Preparation of dry cells of Agrobacterium tumefaciens NK1 strain)
Agrobacterium tumefaciens NK1 strain (strain deposited at the Patent Organism Depositary of the National Institute of Advanced Industrial Science and Technology and given accession number FERM P-21144 on December 26, 2006) was isolated from soil Is a stock. This strain was preliminarily medium (glucose 20 g / L, yeast extract (Nippon Pharmaceutical) 3 g / L, polypeptone (Nippon Pharmaceutical) 5 g / L, render extract (Mikuni Chemical Industries) 3 g / L, ammonium sulfate 2 g / L, Pre-cultured at 28 ° C. with magnesium sulfate heptahydrate 0.5 g / L, potassium dihydrogen phosphate 1.0 g / L, pH 7.0).

3L容量の三角フラスコに500mLの上記組成の培地を入れ、121℃で20分間、オートクレーブ滅菌した。予め同培地で前培養した上記アグロバクテリウム・ツメファシエンスNK1株の培養液5mLをオートクレーブ滅菌した上記培地に接種し、28℃で3日間、ロータリーシェーカーで振盪培養(80rpm)した。得られた培養液から遠心分離(11,300×g、20分、4℃)により菌体を集め、300mLの蒸留水により1回洗浄した。このようにして得られた洗浄菌体を減圧条件下(50mmHg)、25℃にて24時間静置し、乾燥菌体を得た。   500 mL of the medium having the above composition was placed in a 3 L Erlenmeyer flask and autoclaved at 121 ° C. for 20 minutes. 5 mL of the culture solution of the Agrobacterium tumefaciens NK1 strain previously pre-cultured in the same medium was inoculated into the autoclave-sterilized medium, and cultured with shaking (80 rpm) on a rotary shaker at 28 ° C. for 3 days. The cells were collected from the obtained culture broth by centrifugation (11,300 × g, 20 minutes, 4 ° C.) and washed once with 300 mL of distilled water. The washed cells thus obtained were allowed to stand at 25 ° C. for 24 hours under reduced pressure conditions (50 mmHg) to obtain dry cells.

(実施例2:アグロバクテリウム・ツメファシエンスNK1株の乾燥菌体を用いた3−キヌクリジノンの還元)
2mL容量のエッペンドルフチューブに0.2mLの0.1Mリン酸緩衝液(pH7.0)を入れ、そして3−キヌクリジノン・塩酸塩、NAD、グルコース脱水素酵素(GLUCDH Amano II、アマノエンザイム製)、およびグルコースを、それぞれ終濃度300mM、0.9mM、14U/mL、および450mMとなるように添加した。さらに、5.6mgの実施例1の乾燥菌体を添加し、25℃にて転倒攪拌することにより、5時間反応を行った。
(Example 2: Reduction of 3-quinuclidinone using dry cells of Agrobacterium tumefaciens NK1 strain)
Put 0.2 mL of 0.1 M phosphate buffer (pH 7.0) in a 2 mL Eppendorf tube, and 3-quinuclidinone hydrochloride, NAD + , glucose dehydrogenase (GLUCDH Amano II, manufactured by Amano Enzyme), And glucose were added to final concentrations of 300 mM, 0.9 mM, 14 U / mL, and 450 mM, respectively. Further, 5.6 mg of the dried microbial cell of Example 1 was added, and the reaction was performed by inversion stirring at 25 ° C. for 5 hours.

反応終了後、反応液に200μLの飽和炭酸カリウム水溶液および200μLのクロロホルムを添加して攪拌し、そして得られたクロロホルム層をガスクロマトグラフィーで分析した。その結果、変換率は5%であり、そして得られた(R)−3−キヌクリジノールの光学純度は99%ee以上であった。   After completion of the reaction, 200 μL of a saturated aqueous potassium carbonate solution and 200 μL of chloroform were added to the reaction solution and stirred, and the resulting chloroform layer was analyzed by gas chromatography. As a result, the conversion rate was 5%, and the optical purity of the obtained (R) -3-quinuclidinol was 99% ee or higher.

(実施例3:pH制御下におけるアグロバクテリウム・ツメファシエンスNK1株の乾燥菌体を用いた3−キヌクリジノンの還元)
5mLの0.1Mリン酸緩衝液(pH7.0)に、0.5gの実施例1の乾燥菌体、6mgのNAD、1mgのグルコース脱水素酵素(GLUCDH Amano II、アマノエンザイム製)、0.5gの3−キヌクリジノン塩酸塩、および0.8gのグルコースを添加し、25℃でスターラー攪拌することにより、反応を行った。反応中、pHスタットにより48%(w/v)KOHを滴下しながら、生成するグルコン酸を中和した。19時間の反応後、反応液100μLをサンプリングし、100μLの飽和炭酸カリウム水溶液、および200μLのクロロホルムを添加して攪拌し、そして得られたクロロホルム層をガスクロマトグラフィーで分析した。その結果、変換率は99%であり、そして得られた(R)−3−キヌクリジノールの光学純度は88.3%eeであった。
(Example 3: Reduction of 3-quinuclidinone using dry cells of Agrobacterium tumefaciens strain NK1 under pH control)
In 5 mL of 0.1 M phosphate buffer (pH 7.0), 0.5 g of the dried cells of Example 1, 6 mg of NAD + , 1 mg of glucose dehydrogenase (GLUCDH Amano II, manufactured by Amano Enzyme), 0 The reaction was performed by adding 0.5 g of 3-quinuclidinone hydrochloride and 0.8 g of glucose and stirring with a stirrer at 25 ° C. During the reaction, 48% (w / v) KOH was added dropwise with a pH stat to neutralize the produced gluconic acid. After 19 hours of reaction, 100 μL of the reaction solution was sampled, 100 μL of saturated aqueous potassium carbonate solution and 200 μL of chloroform were added and stirred, and the resulting chloroform layer was analyzed by gas chromatography. As a result, the conversion rate was 99%, and the optical purity of the obtained (R) -3-quinuclidinol was 88.3% ee.

(実施例4:3−キヌクリジノン不斉還元酵素の精製)
以下の方法に従って、実施例1と同じアグロバクテリウム・ツメファシエンスNK1株より、3−キヌクリジノンを不斉的に還元して(R)−3−キヌクリジノールを生成する活性を有する酵素を、電気泳動的に単一に精製した。
(Example 4: Purification of 3-quinuclidinone asymmetric reductase)
According to the following method, from the same Agrobacterium tumefaciens NK1 strain as in Example 1, an enzyme having the activity of asymmetrically reducing 3-quinuclidinone to produce (R) -3-quinuclidinol was electrophoretically Purified to single.

(a)培養
培地(グルコース1%(w/v)、ペプトン1.5%(w/v)、酵母エキス0.1%(w/v)、リン酸水素二カリウム0.3%(w/v)、硫酸マグネシウム・7水和物0.02(w/v)%、塩化ナトリウム0.2%(w/v)、pH7)12,500mLを調製し、2L容の坂口フラスコに500mLずつ分注して、121℃で20分間蒸気殺菌した。実施例1と同じアグロバクテリウム・ツメファシエンスNK1株を予め同培地で前培養した。この微生物培養液を上記蒸気殺菌した培地に10mLずつ接種し、28℃で48時間振盪培養した。この培養液から遠心分離(8,000rpm、20分間、4℃)により菌体を集めた。菌体を0.85%塩化ナトリウム水溶液で2回洗浄し、そして遠心分離して回収した。
(A) Culture medium (glucose 1% (w / v), peptone 1.5% (w / v), yeast extract 0.1% (w / v), dipotassium hydrogen phosphate 0.3% (w / v) v), magnesium sulfate heptahydrate 0.02 (w / v)%, sodium chloride 0.2% (w / v), pH 7) 12,500 mL was prepared, and 500 mL was dispensed into a 2 L Sakaguchi flask. Poured and steam sterilized at 121 ° C. for 20 minutes. The same Agrobacterium tumefaciens NK1 strain as in Example 1 was pre-cultured in the same medium in advance. 10 mL of this microorganism culture solution was inoculated into the steam-sterilized medium, and cultured with shaking at 28 ° C. for 48 hours. The cells were collected from this culture by centrifugation (8,000 rpm, 20 minutes, 4 ° C.). The cells were washed twice with 0.85% aqueous sodium chloride solution and collected by centrifugation.

(b)無細胞抽出液の調製
湿菌体84.5gを170mLの10mMリン酸カリウム緩衝液(pH7.0)に懸濁し、そして30分間の超音波処理により菌体を破砕した。この菌体破砕物から遠心分離(10,000rpm、20分間、4℃)にて菌体残渣を取り除き、無細胞抽出液195mLを得た。
(B) Preparation of cell-free extract 84.5 g of wet cells were suspended in 170 mL of 10 mM potassium phosphate buffer (pH 7.0), and the cells were disrupted by sonication for 30 minutes. The cell residue was removed from the crushed cell by centrifugation (10,000 rpm, 20 minutes, 4 ° C.) to obtain 195 mL of a cell-free extract.

(c)硫安分画
無細胞抽出液に60%(w/v)飽和となるように硫酸アンモニウムを添加し、これを溶解させ、次いで生じた沈殿を遠心分離により集めた。この沈澱を、0.1M塩化ナトリウムを含む10mMリン酸カリウム緩衝液(pH7.0)に溶解し、同一緩衝液で透析した。
(C) Ammonium sulfate fraction Ammonium sulfate was added to the cell-free extract so as to be 60% (w / v) saturation and dissolved, and then the resulting precipitate was collected by centrifugation. This precipitate was dissolved in 10 mM potassium phosphate buffer (pH 7.0) containing 0.1 M sodium chloride, and dialyzed against the same buffer.

(d)DEAE-Sephacelバッチクロマトグラフィー
得られた粗酵素液を、0.1M塩化ナトリウムを含む10mMリン酸カリウム緩衝液(pH7.0)で予め平衡化したDEAE-Sephacel(GEヘルスケアバイオサイエンス社製)樹脂600mLに添加した。濾過し、同一緩衝液で樹脂を洗浄し、1M塩化ナトリウムを含む10mMリン酸カリウム緩衝液(pH7.0)で活性画分を溶出させた。
(D) DEAE-Sephacel Batch Chromatography DEAE-Sephacel (GE Healthcare Biosciences) was prepared by equilibrating the obtained crude enzyme solution in advance with 10 mM potassium phosphate buffer (pH 7.0) containing 0.1 M sodium chloride. (Made) It added to resin 600mL. After filtration, the resin was washed with the same buffer, and the active fraction was eluted with 10 mM potassium phosphate buffer (pH 7.0) containing 1 M sodium chloride.

(e)Phenyl Superoseカラムクロマトグラフィー
得られた活性画分を集め、限外濾過(Amicon YM-10、ミリポア社製)により脱塩濃縮および4M塩化ナトリウムを含む10mMリン酸カリウム緩衝液(pH7.0)への置換を行った。同緩衝液で平衡化したPhenyl Superose HR 10/10(GE製)カラムに上記酵素液の5分の1量を添加した。同緩衝液でカラムを洗浄し、そして4Mから0Mまでの塩化ナトリウムのリニアグラジエントにより、活性画分を溶出させた。残りの酵素液についても、同じ操作を4回繰り返した。
(E) Phenyl Superose column chromatography The obtained active fractions were collected, desalted and concentrated by ultrafiltration (Amicon YM-10, manufactured by Millipore) and 10 mM potassium phosphate buffer (pH 7.0) containing 4 M sodium chloride. ). One-fifth of the enzyme solution was added to a Phenyl Superose HR 10/10 (GE) column equilibrated with the same buffer. The column was washed with the same buffer and the active fraction was eluted with a linear gradient of sodium chloride from 4M to 0M. The same operation was repeated 4 times for the remaining enzyme solutions.

(f)Superdex 200カラムクロマトグラフィー
得られた活性画分を集め、限外濾過(Amicon YM-10、ミリポア社製)により脱塩濃縮した。予め0.2M塩化ナトリウムを含む10mMリン酸カリウム緩衝液(pH7.0)で平衡化したSuperdex 200 HR 10/30カラム(GE製)に上記酵素液の8分の1量を添加し、同一緩衝液で活性画分を溶出させた。残りの酵素液についても、同じ操作を7回繰り返した。
(F) Superdex 200 column chromatography The obtained active fractions were collected and desalted and concentrated by ultrafiltration (Amicon YM-10, manufactured by Millipore). One-eighth volume of the above enzyme solution was added to a Superdex 200 HR 10/30 column (manufactured by GE) equilibrated with 10 mM potassium phosphate buffer (pH 7.0) containing 0.2 M sodium chloride in advance, and the same buffer was used. The active fraction was eluted with the solution. The same operation was repeated 7 times for the remaining enzyme solutions.

(g)MonoQカラムクロマトグラフィー(1回目)
得られた活性画分を集め、限外濾過(Amicon YM-10、ミリポア社製)により脱塩濃縮および0.1M塩化ナトリウムを含む10mMリン酸カリウム緩衝液(pH7.0)への置換を行った。最終的に2mLに濃縮した。0.1M塩化ナトリウムを含む10mMリン酸カリウム緩衝液(pH7.0)で予め平衡化したMonoQ HR 5/5 カラム(GEヘルスケアバイオサイエンス社製)に上記酵素液の2分の1量を添加した。同緩衝液でカラムを洗浄し、そして0.1Mから0.5Mまでの塩化ナトリウムのリニアグラジエントにより、活性画分を溶出させた。残りの酵素液についても、同じ操作を繰り返した。
(G) MonoQ column chromatography (first time)
The obtained active fractions were collected, desalted and concentrated by ultrafiltration (Amicon YM-10, manufactured by Millipore) and replaced with 10 mM potassium phosphate buffer (pH 7.0) containing 0.1 M sodium chloride. It was. Finally concentrated to 2 mL. Add half the amount of the above enzyme solution to a MonoQ HR 5/5 column (manufactured by GE Healthcare Biosciences) pre-equilibrated with 10 mM potassium phosphate buffer (pH 7.0) containing 0.1 M sodium chloride. did. The column was washed with the same buffer and the active fraction was eluted with a linear gradient of 0.1 M to 0.5 M sodium chloride. The same operation was repeated for the remaining enzyme solutions.

(h)MonoQカラムクロマトグラフィー(2回目)
得られた活性画分を集め、限外濾過(Amicon YM-10、ミリポア社製)により脱塩濃縮および0.1M塩化ナトリウムを含む10mMリン酸カリウム緩衝液(pH7.0)への置換を行った。最終的に2.5mLに濃縮した。0.1M塩化ナトリウムを含む10mMリン酸カリウム緩衝液(pH7.0)で予め平衡化したMonoQ HR 5/5(GEヘルスケアバイオサイエンス社製)カラムに得られた濃縮液を添加し、同緩衝液でカラムを洗浄し、そして0.1Mから0.5Mまでの塩化ナトリウムのリニアグラジエントにより、活性画分を溶出させた。
(H) MonoQ column chromatography (second time)
The obtained active fractions were collected, desalted and concentrated by ultrafiltration (Amicon YM-10, manufactured by Millipore) and replaced with 10 mM potassium phosphate buffer (pH 7.0) containing 0.1 M sodium chloride. It was. Finally concentrated to 2.5 mL. The concentrated solution obtained was added to a MonoQ HR 5/5 (GE Healthcare Bioscience) column pre-equilibrated with 10 mM potassium phosphate buffer (pH 7.0) containing 0.1 M sodium chloride. The column was washed with solution and the active fraction was eluted with a linear gradient of 0.1 M to 0.5 M sodium chloride.

(i)MiniQカラムクロマトグラフィー(1回目)
得られた活性画分を集め、限外濾過(Amicon YM-10、ミリポア社製)により脱塩濃縮および0.1M塩化ナトリウムを含む10mMリン酸カリウム緩衝液(pH7.0)への置換を行った。最終的に0.8mLに濃縮した。0.1M塩化ナトリウムを含む10mMリン酸カリウム緩衝液(pH7.0)で予め平衡化したMiniQ PC 3.2/3(GEヘルスケアバイオサイエンス社製)カラムに上記酵素液の4分の1量を添加し、同緩衝液でカラムを洗浄し、そして0.1Mから0.25Mまでの塩化ナトリウムのリニアグラジエントにより、活性画分を溶出させた。残りの酵素液についても、同じ操作を3回繰り返した。
(I) MiniQ column chromatography (first time)
The obtained active fractions were collected, desalted and concentrated by ultrafiltration (Amicon YM-10, manufactured by Millipore) and replaced with 10 mM potassium phosphate buffer (pH 7.0) containing 0.1 M sodium chloride. It was. Finally concentrated to 0.8 mL. Add 1/4 amount of the above enzyme solution to MiniQ PC 3.2 / 3 (GE Healthcare Biosciences) column pre-equilibrated with 10 mM potassium phosphate buffer (pH 7.0) containing 0.1 M sodium chloride. The column was washed with the same buffer, and the active fraction was eluted with a linear gradient of sodium chloride from 0.1 M to 0.25 M. The same operation was repeated three times for the remaining enzyme solutions.

(j)MiniQカラムクロマトグラフィー(2回目)
得られた活性画分を集め、限外濾過(Amicon YM-10、ミリポア社製)により脱塩濃縮および0.1M塩化ナトリウムを含む10mMリン酸カリウム緩衝液(pH7.0)への置換を行った。最終的に0.2mLに濃縮した。0.1M塩化ナトリウムを含む10mMリン酸カリウム緩衝液(pH7.0)で予め平衡化したMiniQ PC 3.2/3(GEヘルスケアバイオサイエンス社製)カラムに得られた濃縮液を添加し、同緩衝液でカラムを洗浄し、そして0.1Mから0.25Mまでの塩化ナトリウムのリニアグラジエントにより、活性画分を溶出させた。活性画分を集め、SDS−PAGEにより解析した。その結果、単一バンドであることが確認できた。精製酵素の3−キヌクリジノンに対する比活性は132U/mgであった。
(J) MiniQ column chromatography (second time)
The obtained active fractions were collected, desalted and concentrated by ultrafiltration (Amicon YM-10, manufactured by Millipore) and replaced with 10 mM potassium phosphate buffer (pH 7.0) containing 0.1 M sodium chloride. It was. Finally concentrated to 0.2 mL. The concentrated solution obtained was added to a MiniQ PC 3.2 / 3 (GE Healthcare Biosciences) column pre-equilibrated with 10 mM potassium phosphate buffer (pH 7.0) containing 0.1 M sodium chloride. The column was washed with solution and the active fraction was eluted with a linear gradient of sodium chloride from 0.1M to 0.25M. Active fractions were collected and analyzed by SDS-PAGE. As a result, it was confirmed that it was a single band. The specific activity of the purified enzyme with respect to 3-quinuclidinone was 132 U / mg.

精製の要約を以下の表1に示す。   A summary of the purification is shown in Table 1 below.

Figure 2008212144
Figure 2008212144

(実施例5:3−キヌクリジノン不斉還元酵素の性質の測定)
実施例4で得た精製酵素の酵素学的性質について検討した。酵素活性の測定のための標準的な反応条件は以下の通りであった。0.2Mリン酸カリウム緩衝液(pH7.0)中に、基質3−キヌクリジノン・塩酸塩0.618mM、補酵素NADH 0.32mM、および酵素を含む反応液を用いた。反応は、基質を含まない反応液を37℃で保温し、そして2分後に基質を添加することにより、開始させた。反応に伴うNADHの減少を340nmの波長の吸光度変化で測定した。酵素活性は、1分間に1マイクロモルのNADHをNADに変換させる酵素量を1単位(U)とした。
(Example 5: Measurement of properties of 3-quinuclidinone asymmetric reductase)
The enzymatic properties of the purified enzyme obtained in Example 4 were examined. Standard reaction conditions for measurement of enzyme activity were as follows. A reaction solution containing the substrate 3-quinuclidinone hydrochloride 0.618 mM, the coenzyme NADH 0.32 mM, and an enzyme in 0.2 M potassium phosphate buffer (pH 7.0) was used. The reaction was initiated by incubating the reaction solution without substrate at 37 ° C. and adding the substrate after 2 minutes. The decrease in NADH accompanying the reaction was measured by the change in absorbance at a wavelength of 340 nm. The amount of enzyme that converts 1 micromole of NADH to NAD + per minute was defined as 1 unit (U).

(1)作用:NADHを補酵素として、3−キヌクリジノンに作用し、光学純度99%ee以上の(R)−3−キヌクリジノールを生成した。   (1) Action: Using NADH as a coenzyme, it acted on 3-quinuclidinone to produce (R) -3-quinuclidinol with an optical purity of 99% ee or higher.

(2)基質特異性:各種カルボニル化合物を基質として、3−キヌクリジノンと同様の条件で反応を行った。結果は、3−キヌクリジノンを基質とした場合の酵素活性を100とした相対割合で表す。3−キヌクリジノンおよび各種カルボニル化合物を基質とした酵素活性を表2に示す。さらに、比較のために、特許文献18に記載の酵素(NADHを補酵素とするミクロバクテリウム属由来のアルコール脱水素酵素)および非特許文献4に記載のTR−Iの結果も示す。   (2) Substrate specificity: Reaction was carried out under the same conditions as for 3-quinuclidinone using various carbonyl compounds as substrates. The results are expressed as a relative ratio with the enzyme activity taken as 100 when 3-quinuclidinone is used as the substrate. Table 2 shows enzyme activities using 3-quinuclidinone and various carbonyl compounds as substrates. Furthermore, for comparison, the results of the enzyme described in Patent Document 18 (alcohol dehydrogenase derived from Microbacterium using NADH as a coenzyme) and TR-I described in Non-Patent Document 4 are also shown.

Figure 2008212144
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(3)補酵素:NADH依存性であり、NADPHは補酵素として利用しない。また、NADを補酵素とする3−キヌクリジノールの酸化反応は、6.18mM(R)−3−キヌクリジノールおよび2mM NADを含むTris-HCl(pH9.0)中37℃で、3.27U/mgの酸化活性を示した。 (3) Coenzyme: NADH-dependent, and NADPH is not used as a coenzyme. In addition, the oxidation reaction of 3-quinuclidinol using NAD + as a coenzyme was performed at 37 ° C. in Tris-HCl (pH 9.0) containing 6.18 mM (R) -3-quinuclidinol and 2 mM NAD + at 3.27 U / mg of oxidative activity.

(4)作用至適pH:緩衝液として酢酸緩衝液(pH3.5〜5.5)、リン酸カリウム緩衝液(pH5.5〜7.5)、トリス−塩酸緩衝液(pH7.5〜9.0)、グリシン−水酸化ナトリウム緩衝液(pH8.5〜11.0)を用いてpHを変化させて、3−キヌクリジノン還元活性を測定した。反応の至適pHは7.0であり、5.5から8.0の広い範囲のpHで最大活性の50%以上の活性を示した。   (4) Optimum pH of action: acetate buffer (pH 3.5 to 5.5), potassium phosphate buffer (pH 5.5 to 7.5), Tris-HCl buffer (pH 7.5 to 9) as buffer solutions 0.0) and glycine-sodium hydroxide buffer (pH 8.5 to 11.0), and the pH was changed to measure 3-quinuclidinone reducing activity. The optimum pH for the reaction was 7.0, showing an activity of 50% or more of the maximum activity over a wide range of pH from 5.5 to 8.0.

(5)作用至適温度:標準反応条件のうち温度だけを変化させて、3−キヌクリジノン還元活性を測定した。反応の至適温度は40〜45℃付近にあった。   (5) Optimum temperature of action: 3-quinuclidinone reducing activity was measured by changing only the temperature in the standard reaction conditions. The optimum temperature for the reaction was around 40-45 ° C.

(6)温度安定性:精製酵素を10mMリン酸カリウム緩衝液(pH7.0)中で種々の温度にて30分間処理し、残存活性を標準条件で測定した。35℃以下では、処理前の90%以上の活性が残存していた。   (6) Temperature stability: The purified enzyme was treated in 10 mM potassium phosphate buffer (pH 7.0) at various temperatures for 30 minutes, and the residual activity was measured under standard conditions. At 35 ° C. or lower, 90% or more of the activity before the treatment remained.

(7)阻害剤:標準反応液に各種金属イオンまたは阻害剤を添加して3−キヌクリジノン還元活性を測定した。結果は、無添加条件を100とした相対活性として以下の表3および表4に示した。Ag+、Ca2+、Mn2+、Be2+、Hg2+、Pb2+、NaIO4によって阻害を受けた。 (7) Inhibitor: Various metal ions or inhibitors were added to the standard reaction solution to measure 3-quinuclidinone reduction activity. The results are shown in Tables 3 and 4 below as relative activities with the additive-free condition as 100. It was inhibited by Ag + , Ca 2+ , Mn 2+ , Be 2+ , Hg 2+ , Pb 2+ and NaIO 4 .

Figure 2008212144
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Figure 2008212144
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(8)分子量:精製酵素のサブユニットの分子量をSDS−PAGE(12.5%(w/v)ポリアクリルアミドゲル)により求めた結果、約28,500であった。また、TSK G-3000SWカラム(東ソー株式会社製)によるゲル濾過クロマトグラフィーで測定した分子量は、約102,000であった。これらの結果より、本発明の3−キヌクリジノン還元酵素は、ホモテトラマーと予想された。   (8) Molecular weight: The molecular weight of the purified enzyme subunit was determined by SDS-PAGE (12.5% (w / v) polyacrylamide gel) and found to be about 28,500. Further, the molecular weight measured by gel filtration chromatography using a TSK G-3000SW column (manufactured by Tosoh Corporation) was about 102,000. From these results, the 3-quinuclidinone reductase of the present invention was predicted to be a homotetramer.

(9)K値:標準反応液中の基質濃度を変化させて反応を行い、ミカエリス定数Kをラインウエーバー・バークのプロットにより得た。得られたミカエリス定数Kは1.57mMであった。さらに、標準反応液中の基質濃度を20mMにして、補酵素NADHの濃度を変化させて、同様にミカエリス定数Kを求めた。この場合のミカエリス定数Kは0.109mMであった。基質とNADH濃度がともにK値より十分高い状態のとき、Vmax値は794U/mgであった。 (9) K m values: The reaction was conducted by changing the substrate concentration in the standard reaction solution was obtained by plotting the Lineweaver-Burk the Michaelis constant K m. The resulting Michaelis constant K m was 1.57 mM. Further, the substrate concentration of the standard reaction solution in the 20 mM, by changing the concentration of the coenzyme NADH, was similarly measured with respect to the Michaelis constant K m. Michaelis constant K m in this case was 0.109MM. When both the substrate and NADH concentrations were sufficiently higher than the K m value, the V max value was 794 U / mg.

(実施例6:3−キヌクリジノン不斉還元酵素の部分アミノ酸配列の解析)
実施例4で得られた精製酵素を8M尿素存在下で変性させ、アクロモバクター由来のリジルエンドペプチダーゼ(和光純薬製)で消化した。得られた消化物を、予め0.1%(v/v)トリフルオロ酢酸溶液で平衡化した逆相カラムμRPC C2/C8 SC2.1/10(GE社製)に添加し、アセトニトリルのリニアグラジエント(0から80%)により分離し、ペプチドK27、ペプチドK31、およびペプチドK35を得た。精製酵素ならびに分取したこの3種のペプチドをそれぞれプロテインシーケンサー(Applied Biosystems製、model 491 HT)により配列解析した。精製酵素のN末端、ペプチドK27、ペプチドK31、およびペプチドK35のアミノ酸配列は、それぞれ配列表中の配列番号3、配列番号4、配列番号5、および配列番号6に示すとおりである。
(Example 6: Analysis of partial amino acid sequence of 3-quinuclidinone asymmetric reductase)
The purified enzyme obtained in Example 4 was denatured in the presence of 8M urea and digested with lysyl endopeptidase derived from Achromobacter (Wako Pure Chemical Industries). The obtained digest was added to a reverse phase column μRPC C2 / C8 SC2.1 / 10 (manufactured by GE) previously equilibrated with a 0.1% (v / v) trifluoroacetic acid solution, and a linear gradient of acetonitrile was obtained. (0 to 80%) to obtain peptide K27, peptide K31, and peptide K35. The purified enzyme and the collected three kinds of peptides were each subjected to sequence analysis with a protein sequencer (Applied Biosystems, model 491 HT). The amino acid sequences of the N-terminus of the purified enzyme, peptide K27, peptide K31, and peptide K35 are as shown in SEQ ID NO: 3, SEQ ID NO: 4, SEQ ID NO: 5 and SEQ ID NO: 6, respectively.

(実施例7:3−キヌクリジノン不斉還元酵素遺伝子のコア領域のクローニング)
実施例1と同じアグロバクテリウム・ツメファシエンスNK1株の培養菌体から、Nucl. Acids Res., 1980年, 8巻, pp.4321-4325に記載の方法に従って染色体DNAを抽出した。
(Example 7: Cloning of core region of 3-quinuclidinone asymmetric reductase gene)
Chromosomal DNA was extracted from the same cultured cells of Agrobacterium tumefaciens NK1 strain as in Example 1 according to the method described in Nucl. Acids Res., 1980, Vol. 8, pp. 4321-4325.

実施例6で得られた精製酵素のN末端およびペプチドK35のアミノ酸配列に基づいて、PCR用の縮重オリゴヌクレオチドプライマーとしてセンスプライマーS7(配列番号7)およびアンチセンスプライマーA3(配列番号8)を設計した。PCRの反応液組成は次の通りである:鋳型染色体DNA 150ng、10×Ex Taq buffer 5μL、プライマー各150nM、dNTP混合物各0.2mM、およびEx Taqポリメラーゼ1.5Uに、蒸留水を全量50μLとなるように添加した。PCR反応条件は次の通りであった:ステップ1;94℃、30秒;ステップ2;61℃、30秒;ステップ3;72℃、2分;ステップ1からステップ3を33サイクル繰り返す;ステップ4;72℃、7分;ステップ5;4℃、∞。PCRによって約700bpの特異的な増幅産物を得た。このPCR反応液についてアガロースゲル電気泳動を行った。目的の約700bpのバンド部分を切り出し、TOPO TA Cloning Kit for Sequencing(Invitrogen製)を用いて、pCR4−TOPOベクターに結合させた。得られたベクターで大腸菌TOP10株を形質転換した。形質転換株をアンピシリン50μg/mLを含むLB培地(ペプトン1%(w/v)、酵母エキス0.5%(w/v)、塩化ナトリウム1%(w/v)、pH7.0)で培養し、QIAprep Spin Miniprep Kit(Qiagen製)を用いてDNAシーケンス用のプラスミドを抽出および精製した。続いて、pCR4−TOPOベクターに由来するT7プライマーおよびM13リバースプライマーを用いて自動シークエンサーによって、挿入断片の塩基配列を決定した。   Based on the N-terminus of the purified enzyme obtained in Example 6 and the amino acid sequence of peptide K35, sense primer S7 (SEQ ID NO: 7) and antisense primer A3 (SEQ ID NO: 8) were used as degenerate oligonucleotide primers for PCR. Designed. The PCR reaction solution composition is as follows: template chromosomal DNA 150 ng, 10 × Ex Taq buffer 5 μL, primers 150 nM, dNTP mixture 0.2 mM each, and Ex Taq polymerase 1.5 U, distilled water 50 μL in total. It added so that it might become. The PCR reaction conditions were as follows: Step 1; 94 ° C., 30 seconds; Step 2; 61 ° C., 30 seconds; Step 3; 72 ° C., 2 minutes; Step 1 to Step 3 were repeated 33 cycles; 72 ° C, 7 minutes; Step 5; 4 ° C, ∞. A specific amplification product of about 700 bp was obtained by PCR. The PCR reaction solution was subjected to agarose gel electrophoresis. The target band portion of about 700 bp was cut out and bound to the pCR4-TOPO vector using TOPO TA Cloning Kit for Sequencing (manufactured by Invitrogen). Escherichia coli TOP10 strain was transformed with the obtained vector. The transformed strain was cultured in LB medium (peptone 1% (w / v), yeast extract 0.5% (w / v), sodium chloride 1% (w / v), pH 7.0) containing ampicillin 50 μg / mL. Then, a plasmid for DNA sequencing was extracted and purified using QIAprep Spin Miniprep Kit (manufactured by Qiagen). Subsequently, the base sequence of the inserted fragment was determined by an automatic sequencer using the T7 primer and M13 reverse primer derived from the pCR4-TOPO vector.

図1は、得られた塩基配列およびその推定アミノ酸配列を示す。図1において下線付きのアミノ酸配列は、実施例6のアミノ酸配列解析によって得られた実施例4の精製酵素の部分アミノ酸配列と一致している。図1に示す配列解析の結果から、PCR産物が694bpのヌクレオチドからなり、推定アミノ酸配列が、実施例4で精製した天然の3−キヌクリジノン不斉還元酵素の部分アミノ酸配列と一致することが明らかとなった。   FIG. 1 shows the obtained base sequence and its deduced amino acid sequence. The underlined amino acid sequence in FIG. 1 matches the partial amino acid sequence of the purified enzyme of Example 4 obtained by the amino acid sequence analysis of Example 6. From the results of the sequence analysis shown in FIG. 1, it is clear that the PCR product consists of 694 bp nucleotides, and the deduced amino acid sequence matches the partial amino acid sequence of the natural 3-quinuclidinone asymmetric reductase purified in Example 4. became.

(実施例8:3−キヌクリジノン不斉還元酵素遺伝子のコア領域周辺のクローニング)
実施例7で決定した遺伝子配列の周辺領域の配列を明らかにするために、その上流側と下流側とに分けて、それぞれをBD GenomeWalker kit(クロンテック社製)を用いてPCRにより増幅した。
(Example 8: Cloning around the core region of 3-quinuclidinone asymmetric reductase gene)
In order to clarify the sequence of the peripheral region of the gene sequence determined in Example 7, it was divided into an upstream side and a downstream side, and each was amplified by PCR using a BD GenomeWalker kit (Clontech).

(a)上流側のクローニング
染色体DNAをStuIで完全消化し、キットに付属のGenomeWalker Adaptorを連結させてライブラリーを作製した。これを鋳型にしてキットに付属のアダプタープライマーAP2と3−キヌクリジノン不斉還元酵素の部分遺伝子配列に基づいて作成したアンチセンスプライマーNN(配列番号9)とを用いて、PCRにより増幅した。PCR反応液は、実施例8と同様である。PCR反応条件は次の通りであった:ステップ1;94℃、1分;ステップ2;94℃、20秒;ステップ3;72℃、4分;ステップ2からステップ3を7サイクル繰り返す;ステップ4;94℃、20秒;ステップ5;68℃、4分;ステップ4から5を30サイクル繰り返す;ステップ6;68℃、7分;ステップ7;4℃、∞。このPCRにより約150bpの特異的な増幅産物が得られた。これをpCR4−TOPOベクターにサブクローニングし、配列決定した。
(A) Cloning on the upstream side Chromosomal DNA was completely digested with StuI, and the GenomeWalker Adapter attached to the kit was ligated to prepare a library. Using this as a template, amplification was performed by PCR using the adapter primer AP2 attached to the kit and the antisense primer NN (SEQ ID NO: 9) prepared based on the partial gene sequence of 3-quinuclidinone asymmetric reductase. The PCR reaction solution is the same as in Example 8. The PCR reaction conditions were as follows: Step 1; 94 ° C., 1 minute; Step 2; 94 ° C., 20 seconds; Step 3; 72 ° C., 4 minutes; Step 2 to Step 3 repeated 7 cycles; 94 ° C, 20 seconds; Step 5; 68 ° C, 4 minutes; Steps 4-5 are repeated 30 cycles; Step 6; 68 ° C, 7 minutes; Step 7; By this PCR, a specific amplification product of about 150 bp was obtained. This was subcloned into pCR4-TOPO vector and sequenced.

(b)下流側のクローニング
染色体DNAをApaIおよびPvuIIで完全消化し、ライブラリーを作製した。実施例7で得られた約700bpのヌクレオチドをプローブとしてサザン解析を行った。その結果、約1.1kbpの断片がハイブリダイゼーションにより得られた。この断片をGenomeWalker Adaptorに連結させ、これを鋳型としてアダプタープライマーAP2と3−キヌクリジノン不斉還元酵素の部分遺伝子配列に基づいて作成したセンスプライマーCC(配列番号10)とを用いて、PCRにより増幅した。このPCRにより約200bpの特異的な増幅産物が得られた。これをpCR4−TOPOベクターにサブクローニングし、配列決定した。
(B) Downstream Cloning Chromosomal DNA was completely digested with ApaI and PvuII to prepare a library. Southern analysis was performed using the nucleotide of about 700 bp obtained in Example 7 as a probe. As a result, a fragment of about 1.1 kbp was obtained by hybridization. This fragment was ligated to the GenomeWalker Adapter and amplified by PCR using the adapter primer AP2 and a sense primer CC (SEQ ID NO: 10) prepared based on the partial gene sequence of 3-quinuclidinone asymmetric reductase using this fragment as a template. . By this PCR, a specific amplification product of about 200 bp was obtained. This was subcloned into pCR4-TOPO vector and sequenced.

実施例7および8で決定した3−キヌクリジノン不斉還元酵素遺伝子を含む領域の塩基配列を図2に示す。さらに、この塩基配列の構造遺伝子部分について、その塩基配列から推定されるアミノ酸配列を図2中の塩基配列の下段に示す。図2に示す配列解析の結果から、3−キヌクリジノン不斉還元酵素をコードする構造遺伝子は783bpのヌクレオチドからなり、260残基のアミノ酸をコードしていることが明らかとなった。図2に示す塩基配列から推定されるアミノ酸配列中に、実施例6のアミノ酸配列解析によって得られた実施例4の精製酵素の部分アミノ酸配列が見られた(図2中、下線付きで示す)。N末端のメチオニンが欠失していることを除くとその部分で一致した。N末端のメチオニンはタンパク質合成後の修飾により除去されるものと考えられる。   The base sequence of the region containing the 3-quinuclidinone asymmetric reductase gene determined in Examples 7 and 8 is shown in FIG. Furthermore, regarding the structural gene portion of this base sequence, the amino acid sequence deduced from the base sequence is shown at the bottom of the base sequence in FIG. The result of the sequence analysis shown in FIG. 2 revealed that the structural gene encoding 3-quinuclidinone asymmetric reductase consists of 783 bp nucleotides and encodes 260 amino acids. The partial amino acid sequence of the purified enzyme of Example 4 obtained by the amino acid sequence analysis of Example 6 was found in the amino acid sequence deduced from the base sequence shown in FIG. 2 (indicated by the underline in FIG. 2). . Except for the deletion of the N-terminal methionine, there was a match at that part. The N-terminal methionine is considered to be removed by modification after protein synthesis.

配列類似性検索プログラムBLASTおよびFASTAを用いて、3−キヌクリジノン不斉還元酵素の推定アミノ酸配列を3種類のタンパク質配列データベース(PTR、PRF、およびSWISS-PROT)内の配列と比較した。その結果、ロドスピリラム・ルブラム(Rhodosprillum rubrum)ATCC11170株の短鎖型脱水素酵素/還元酵素(SDR)ファミリーに属するタンパク質と高い類似性を示した(81%)。   Using the sequence similarity search programs BLAST and FASTA, the deduced amino acid sequence of 3-quinuclidinone asymmetric reductase was compared with sequences in three types of protein sequence databases (PTR, PRF, and SWISS-PROT). As a result, it showed high similarity to proteins belonging to the short-chain dehydrogenase / reductase (SDR) family of Rhodosprillum rubrum ATCC11170 strain (81%).

(実施例9:3−キヌクリジノン不斉還元酵素遺伝子を含む組換えプラスミドの作製)
大腸菌において3−キヌクリジノン不斉還元酵素を発現させるために、形質転換に用いる組換えプラスミドを作製した。まず、実施例8で決定された塩基配列に基づいて、3−キヌクリジノン不斉還元酵素の構造遺伝子の開始コドン部分にNdeI部位を付加したセンスプライマー(配列番号11)と、終止コドンの直後にXhoIを付加したアンチセンスプライマー(配列番号12)とを設計した。これらのプライマーを用いて、実施例7の染色体DNAを鋳型としてPCRを行い、約800bpの特異的な増幅産物を得た。この増幅された断片をプラスミドpT7-Blue T-vector(Novagen社製)にサブクローニングし、M13プライマーを用いてシーケンスして、PCRによるエラーが起こっていないクローンを選別し、pT7QRとした。得られたpT7QRをNdeIおよびXhoIで二重消化し、3−キヌクリジノン不斉還元酵素の構造遺伝子を取り出し、プラスミドpET-21a(+)(Novagen社製)中のT7プロモーターの下流に位置するNdeI-XhoI部位に挿入し、pETQRを作製した。
(Example 9: Preparation of recombinant plasmid containing 3-quinuclidinone asymmetric reductase gene)
In order to express 3-quinuclidinone asymmetric reductase in E. coli, a recombinant plasmid used for transformation was prepared. First, based on the base sequence determined in Example 8, a sense primer (SEQ ID NO: 11) having an NdeI site added to the start codon portion of the structural gene of 3-quinuclidinone asymmetric reductase, and XhoI immediately after the stop codon. An antisense primer (SEQ ID NO: 12) to which was added was designed. Using these primers, PCR was performed using the chromosomal DNA of Example 7 as a template to obtain a specific amplification product of about 800 bp. This amplified fragment was subcloned into a plasmid pT7-Blue T-vector (Novagen), sequenced using M13 primer, and a clone free from errors due to PCR was selected to obtain pT7QR. The obtained pT7QR was double-digested with NdeI and XhoI, the structural gene of 3-quinuclidinone asymmetric reductase was taken out, and NdeI− located downstream of the T7 promoter in plasmid pET-21a (+) (Novagen) PETQR was created by inserting into the XhoI site.

(実施例10:3−キヌクリジノン不斉還元酵素およびグルコース脱水素酵素を発現する組換え大腸菌の作製)
実施例9で作製した組換えプラスミドpETQRを用いて大腸菌BL21(DE3)株を形質転換した。組換え大腸菌BL21(DE3)[pETQR]を、定法に基づいてコンピテントセル化し、バチルス・メガテリウム(Bacillus megaterium)IWG3株のグルコース脱水素酵素遺伝子を含む組換えプラスミドpACGD(Appl. Microbiol. Biotechnol., 1999年, 51巻, pp.486-490に記載)を導入し、組換え大腸菌BL21(DE3)[pETQR&pACGD]を作製した。
(Example 10: Production of recombinant E. coli expressing 3-quinuclidinone asymmetric reductase and glucose dehydrogenase)
The recombinant plasmid pETQR prepared in Example 9 was used to transform E. coli BL21 (DE3) strain. Recombinant Escherichia coli BL21 (DE3) [pETQR] was made into competent cells based on a conventional method and a recombinant plasmid pACGD (Appl. Microbiol. Biotechnol., Containing the glucose dehydrogenase gene of Bacillus megaterium IWG3 strain). 1999, 51, pp.486-490) was introduced to produce recombinant E. coli BL21 (DE3) [pETQR & pACGD].

得られた組換え大腸菌BL21(DE3)[pETQR&pACGD]を50μg/mLのアンピシリンおよび25μg/mLのカナマイシンを添加した5mLのLB培地中で37℃にて300rpmで3時間培養し、終濃度0.1mMとなるようにIPTGを添加して、さらに18℃にて12時間、振盪培養して、タンパク質の発現を誘導した。この菌体を遠心分離により集め、蒸留水にて1回洗浄し、そして凍結乾燥し、組換え大腸菌BL21(DE3)[pETQR&pACGD]の乾燥菌体を作製した。   The obtained recombinant Escherichia coli BL21 (DE3) [pETQR & pACGD] was cultured in 5 mL of LB medium supplemented with 50 μg / mL ampicillin and 25 μg / mL kanamycin at 37 ° C. for 3 hours at a final concentration of 0.1 mM. Then, IPTG was added so that the mixture was further shaken at 18 ° C. for 12 hours to induce protein expression. The cells were collected by centrifugation, washed once with distilled water, and lyophilized to prepare dry cells of recombinant Escherichia coli BL21 (DE3) [pETQR & pACGD].

(実施例11:組換え大腸菌を用いた3−キヌクリジノン還元)
2mL容量のエッペンドルフチューブに100μLの1Mリン酸緩衝液(pH7.0)、10μLの60mg/mL NAD水溶液、10μLの50%(w/v)グルコース水溶液、250μLの2mg/mL 実施例10で調製した乾燥菌体の水懸濁液、620μLの蒸留水、および100μLの10%(w/v)3−キヌクリジノン・塩酸塩水溶液を添加し、37℃にて24時間振盪した。続いて、反応液200μLをサンプリングし、200μLの飽和炭酸カリウム水溶液および200μLのクロロホルムを添加して攪拌し、得られたクロロホルム層をガスクロマトグラフィーで分析した。その結果、変換率は98%であり、そして得られた(R)−3−キヌクリジノールの光学純度は99%ee以上であった。
(Example 11: 3-quinuclidinone reduction using recombinant E. coli)
Prepared in Example 10 in a 2 mL eppendorf tube with 100 μL 1M phosphate buffer (pH 7.0), 10 μL 60 mg / mL NAD + aqueous solution, 10 μL 50% (w / v) glucose aqueous solution, 250 μL 2 mg / mL The dried cell suspension in water, 620 μL of distilled water, and 100 μL of 10% (w / v) 3-quinuclidinone / hydrochloride aqueous solution were added, and the mixture was shaken at 37 ° C. for 24 hours. Subsequently, 200 μL of the reaction solution was sampled, 200 μL of a saturated aqueous potassium carbonate solution and 200 μL of chloroform were added and stirred, and the resulting chloroform layer was analyzed by gas chromatography. As a result, the conversion rate was 98%, and the optical purity of the obtained (R) -3-quinuclidinol was 99% ee or higher.

本発明によれば、光学活性3−キヌクリジノール、特に(R)−3−キヌクリジノールを高い光学純度で効率よく製造することができる。得られる光学活性3−キヌクリジノールは、動脈硬化、気管支喘息、または胃腸運動抑制などの治療剤を製造するための合成中間体として有用である。   According to the present invention, optically active 3-quinuclidinol, particularly (R) -3-quinuclidinol, can be efficiently produced with high optical purity. The resulting optically active 3-quinuclidinol is useful as a synthetic intermediate for producing therapeutic agents such as arteriosclerosis, bronchial asthma, or gastrointestinal motility inhibition.

アグロバクテリウム・ツメファシエンスNK1株由来染色体DNAを鋳型としてセンスプライマーS7(配列番号7)およびアンチセンスプライマーA3(配列番号8)を用いたPCRにより得られた断片の塩基配列およびその推定アミノ酸配列を示す。A base sequence of a fragment obtained by PCR using sense primer S7 (SEQ ID NO: 7) and antisense primer A3 (SEQ ID NO: 8) using a chromosome DNA derived from Agrobacterium tumefaciens NK1 as a template, and its deduced amino acid sequence . 3−キヌクリジノン不斉還元酵素遺伝子を含む領域の塩基配列および該酵素の推定アミノ酸配列を示す。The base sequence of the region containing the 3-quinuclidinone asymmetric reductase gene and the deduced amino acid sequence of the enzyme are shown.

Claims (17)

以下の(1)から(3)に示す生化学的性質を有する酵素:
(1)作用:還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(NADH)を補酵素として、3−キヌクリジノンまたはその塩を不斉還元し、(R)−3−キヌクリジノールを生成する;
(2)基質特異性:3−キヌクリジノン、p−トルキノンおよびα−ナフトキノンに作用し、その相対活性が、3−キヌクリジノン、p−トルキノンおよびα−ナフトキノンの順に高い;および
(3)至適温度:pH7で反応させる場合、温度40〜45℃において作用が至適である。
Enzymes having the biochemical properties shown in the following (1) to (3):
(1) Action: Using reduced nicotinamide adenine dinucleotide (NADH) as a coenzyme, asymmetric reduction of 3-quinuclidinone or a salt thereof produces (R) -3-quinuclidinol;
(2) Substrate specificity: acting on 3-quinuclidinone, p-toluquinone and α-naphthoquinone, the relative activities of which are higher in the order of 3-quinuclidinone, p-toluquinone and α-naphthoquinone; and (3) optimum temperature: When the reaction is carried out at pH 7, the action is optimal at a temperature of 40 to 45 ° C.
SDS−PAGEで測定した場合のサブユニットの分子量が28,500であり、ゲル濾過クロマトグラフィーで測定した場合の分子量が102,000である、請求項1に記載の酵素。   The enzyme according to claim 1, wherein the molecular weight of the subunit when measured by SDS-PAGE is 28,500, and the molecular weight when measured by gel filtration chromatography is 102,000. 以下の(a)から(c)のいずれかのアミノ酸配列を有する、還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(NADH)を補酵素として、3−キヌクリジノンまたはその塩を不斉還元し、(R)−3−キヌクリジノールを生成する酵素:
(a)配列番号2に記載のアミノ酸配列;
(b)配列番号2に記載のアミノ酸配列において1もしくは複数個のアミノ酸が置換、欠失、挿入、および/または付加されたアミノ酸配列;または
(c)配列番号2に記載のアミノ酸配列と85%以上の相同性を有するアミノ酸配列。
Asymmetric reduction of 3-quinuclidinone or a salt thereof using reduced nicotinamide adenine dinucleotide (NADH) having any one of the following amino acid sequences (a) to (c) as a coenzyme: (R) -3 An enzyme that produces quinuclidinol:
(A) the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2;
(B) an amino acid sequence in which one or more amino acids are substituted, deleted, inserted and / or added in the amino acid sequence described in SEQ ID NO: 2; or (c) 85% of the amino acid sequence described in SEQ ID NO: 2 Amino acid sequence having the above homology.
前記酵素が、アグロバクテリウム・ツメファシエンスNK1株(FERM P−21144)に由来する、請求項1から3のいずれかの項に記載の酵素。   The enzyme according to any one of claims 1 to 3, wherein the enzyme is derived from Agrobacterium tumefaciens strain NK1 (FERM P-21144). アグロバクテリウム・ツメファシエンスNK1株(FERM P−21144)。   Agrobacterium tumefaciens NK1 strain (FERM P-21144). 請求項1から4のいずれかの項に記載の酵素をコードするポリヌクレオチド。   A polynucleotide encoding the enzyme according to any one of claims 1 to 4. 以下の(i)から(iii)のいずれかである、請求項6に記載のポリヌクレオチド:
(i)配列番号1に記載の塩基配列を有するポリヌクレオチド;
(ii)配列番号1に記載の塩基配列に相補的な塩基配列とストリンジェントな条件下でハイブリダイズし、かつ3−キヌクリジノンを不斉的に還元して(R)−3−キヌクリジノールを生成する活性を有する酵素をコードする、ポリヌクレオチド;または
(iii)配列番号1に記載の塩基配列と少なくとも60%の配列同一性を有する塩基配列を有し、かつ3−キヌクリジノンを不斉的に還元して(R)−3−キヌクリジノールを生成する活性を有する酵素をコードする、ポリヌクレオチド。
The polynucleotide according to claim 6, which is any of the following (i) to (iii):
(I) a polynucleotide having the base sequence set forth in SEQ ID NO: 1;
(Ii) hybridizes with a base sequence complementary to the base sequence described in SEQ ID NO: 1 under stringent conditions and asymmetrically reduces 3-quinuclidinone to produce (R) -3-quinuclidinol A polynucleotide encoding an enzyme having activity; or (iii) a base sequence having at least 60% sequence identity with the base sequence set forth in SEQ ID NO: 1, and asymmetrically reducing 3-quinuclidinone A polynucleotide encoding an enzyme having an activity to produce (R) -3-quinuclidinol.
請求項6または7に記載のポリヌクレオチドを含むベクター。   A vector comprising the polynucleotide according to claim 6 or 7. さらに酸化型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(NAD)をNADHに再生する酵素をコードするポリヌクレオチドを含む、請求項8に記載のベクター。 The vector according to claim 8, further comprising a polynucleotide encoding an enzyme that regenerates oxidized nicotinamide adenine dinucleotide (NAD + ) to NADH. 前記NADをNADHに再生する酵素がグルコース脱水素酵素である、請求項9に記載のベクター。 10. The vector according to claim 9, wherein the enzyme that regenerates NAD + to NADH is glucose dehydrogenase. 請求項8から10のいずれかの項に記載のベクターを発現可能に保持した形質転換体。   A transformant retaining the vector according to any one of claims 8 to 10 in an expressible manner. 請求項8に記載のベクターおよびNADをNADHに再生する酵素をコードするポリヌクレオチドを含むベクターをそれぞれ発現可能に保持する形質転換体。 The transformant which respectively hold | maintains the vector containing the vector of Claim 8, and the vector which contains the polynucleotide which codes the enzyme which reproduce | regenerates NAD + to NADH so that expression is possible. 前記NADをNADHに再生する酵素がグルコース脱水素酵素である、請求項12に記載の形質転換体。 The transformant according to claim 12, wherein the enzyme that regenerates NAD + to NADH is glucose dehydrogenase. 宿主が大腸菌である、請求項11から13のいずれかの項に記載の形質転換体。   The transformant according to any one of claims 11 to 13, wherein the host is Escherichia coli. (R)−3−キヌクリジノールまたはその塩の製造方法であって、請求項1から4のいずれかの項に記載の酵素、該酵素を産生する微生物、請求項11から14のいずれかの項に記載の形質転換体、または該微生物もしくは該形質転換体の培養液もしくは処理物を、3−キヌクリジノンまたはその塩に作用させる工程を含む、方法。   A method for producing (R) -3-quinuclidinol or a salt thereof, comprising the enzyme according to any one of claims 1 to 4, the microorganism producing the enzyme, and the method according to any one of claims 11 to 14. A method comprising the step of allowing the transformant described above or the microorganism or a culture solution or a treated product of the transformant to act on 3-quinuclidinone or a salt thereof. 上記作用工程において、NADHまたはNADがさらに添加される、請求項15に記載の方法。 The method according to claim 15, wherein NADH or NAD + is further added in the action step. 前記微生物が、アグロバクテリウム・ツメファシエンスNK1株(FERM P−21144)である、請求項15または16に記載の方法。   The method according to claim 15 or 16, wherein the microorganism is Agrobacterium tumefaciens strain NK1 (FERM P-21144).
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