JP2009535067A - Process for hydrolysis of cellulose mediated by cellulose, Clostridium thermocellum cells and cellulase ternary complexes expressed by these cells - Google Patents
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Abstract
セルロース性基質を加水分解するのに減らしたセルラーゼ添加量を利用する方法が開示される。該方法は、ある時間内にある量のセルロース性基質を実質的に加水分解するのに必要とされる精製セルラーゼの量を決定すること、2〜5の因数で精製セルラーゼの量を減らし、減らしたセルラーゼの量を決定すること、及び好適な条件下、セルロース性基質の実質的加水分解を行うことができるのに十分な前記時間で、(1)減らしたセルラーゼ添加量と同等の濃度で細胞結合性セルラーゼを発現する微生物、又は(2)操作されて、減らしたセルラーゼ添加量と同等の濃度で細胞結合性セルラーゼを発現する発酵因子のいずれかをセルロース性基質に導入することを含む。A method is disclosed that utilizes reduced cellulase loading to hydrolyze cellulosic substrates. The method determines the amount of purified cellulase required to substantially hydrolyze an amount of cellulosic substrate within a period of time, reducing and reducing the amount of purified cellulase by a factor of 2-5. (1) cells at a concentration equivalent to the reduced cellulase addition amount for a period of time sufficient to determine the amount of cellulase obtained and to allow substantial hydrolysis of the cellulosic substrate under suitable conditions. Including introducing into the cellulosic substrate either a microorganism that expresses the binding cellulase, or (2) a fermentation factor that is engineered to express cell-binding cellulase at a concentration equivalent to the reduced cellulase loading.
Description
(関連出願)
この出願は、2006年5月1日に出願された米国仮特許出願第60/796,635号(これは、参考として本明細書に援用される)への優先権の利益を主張する。
(Related application)
This application claims the benefit of priority to US Provisional Patent Application No. 60 / 796,635, filed May 1, 2006, which is incorporated herein by reference.
(政府の権利)
開発に関連する研究が米国国立標準技術研究所(NIST)によって契約番号60NANB1 D0064のもとで、及び米国エネルギー省によって契約番号DE−FG02−02ER15350のもとで、助成されたので、米国政府は、本発明に特定の権利を有し得る。
(Government rights)
Because the research related to development was supported by the National Institute of Standards and Technology (NIST) under contract number 60NANB1 D0064 and by the US Department of Energy under contract number DE-FG02-02ER15350, the US government The invention may have certain rights.
背景
セルロース性バイオマスは、発酵してエタノール又はそのほかの生成物を産出してもよい安価で容易に入手できる資源を代表する。生物変換された生成物の中で、エタノールは、持続可能性、安全性及び地方の経済的発展という点で利益を提供すればよい再生可能な家庭用燃料として産出されてもよいので、エタノールにおける関心が高い。
Background Cellulosic biomass represents an inexpensive and readily available resource that may be fermented to produce ethanol or other products. Among biotransformed products, ethanol may be produced as a renewable household fuel that may provide benefits in terms of sustainability, safety and local economic development. Interest is high.
生物変換処理は、石油燃料技法と経済的に競合することを目指しているので、セルロースの単糖への加水分解に関連する難問に直面する。セルロース性バイオマスの処理の困難さを克服することに関連する処理工程は、一般に最もコストがかかり、R&D主導の改善にとって最大の可能性を有する。セルロースの処理の困難さは通常、酸の予備処理に続くセルラーゼ酵素による予備処理されたセルロースの酵素分解によって克服される。セルラーゼ酵素についてのコストの概算は現在のところ、エタノールのガロン当たり0.30〜0.50ドルの範囲である。セルロース性バイオマスからエタノールを生産することにおいて制限因子として作用する酵素のコストと共に、エタノール生産に必要とされるセルラーゼの量を低減する手段は、重要な商業的目標のままである。従って、多成分セルラーゼ酵素系の作用の様式を理解すること、及びその有効性を改善することに過去の尽力が尽くされてきた。 Bioconversion processes are facing economic challenges with petroleum fuel technology and thus face the challenges associated with the hydrolysis of cellulose to monosaccharides. Processing steps associated with overcoming the difficulty of processing cellulosic biomass are generally the most costly and have the greatest potential for R & D-led improvements. The difficulty of treating cellulose is usually overcome by enzymatic degradation of the pretreated cellulose with a cellulase enzyme following acid pretreatment. Cost estimates for cellulase enzymes currently range from $ 0.30 to $ 0.50 per gallon of ethanol. Along with the cost of enzymes that act as a limiting factor in producing ethanol from cellulosic biomass, the means of reducing the amount of cellulase required for ethanol production remains an important commercial goal. Thus, past efforts have been devoted to understanding the mode of action of the multi-component cellulase enzyme system and improving its effectiveness.
酵素の加水分解は、細胞の非存在下で作用するセルラーゼ酵素が媒介し、細胞の存在下で作用するセルラーゼが媒介するが、細胞と酵素の結合はないか、又は細胞に結合したセルラーゼによるものである。後者の場合、加水分解には、二元のセルラーゼ/酵素(CE)複合体ではなく、三元のセルラーゼ/酵素/微生物(CEM)の複合体が媒介する。 Enzymatic hydrolysis is mediated by cellulase enzymes acting in the absence of cells and cellulases acting in the presence of cells, but there is no cell-enzyme binding or cellulase bound to the cells. It is. In the latter case, hydrolysis is mediated by a ternary cellulase / enzyme / microorganism (CEM) complex rather than a binary cellulase / enzyme (CE) complex.
好気性微生物の細胞は、セルロースに接着しない(又は弱く接着するにすぎない)ことが知られている。従って、好気性の系におけるセルロースの加水分解の主な作用因子は、セルロースに結合して二元CE複合体を形成するセルラーゼ酵素である。これらのCE複合体は、別々に作用する機能的に異なったタンパク質を特徴とする。対照的に、嫌気性の微生物はほとんどセルロースに接着し、セルロースの加水分解の主な作用因子は、三元のCEM複合体であり、すべてではないが多くの場合、「セルロソーム」が関与し、その際、複数の機能的に異なったタンパク質が共同して作用する。 It is known that aerobic microbial cells do not adhere (or only weakly adhere) to cellulose. Thus, the main agent of cellulose hydrolysis in aerobic systems is the cellulase enzyme that binds to cellulose to form a binary CE complex. These CE complexes are characterized by functionally distinct proteins that act separately. In contrast, anaerobic microorganisms mostly adhere to cellulose, and the main agent for cellulose hydrolysis is the ternary CEM complex, often involving all but not all cellulosomes, At that time, a plurality of functionally different proteins work together.
組み合わせにおける2以上の成分により実現される比率が、成分が別々に作用するとき観察される比率の合計よりも大きいという、CE複合体の成分間の相乗効果の現象は、文献で認められ、評価されてきた。しかしながら、CEM複合体の「酵素/微生物」の相乗効果は以前、評価されていなかったし、定量されていなかった。 The synergistic phenomenon between the components of the CE complex, where the ratio realized by two or more components in the combination is greater than the sum of the proportions observed when the components act separately, has been recognized and evaluated in the literature. It has been. However, the synergistic effect of the “enzyme / microorganism” of the CEM complex has not previously been evaluated or quantified.
要旨
所与の量のバイオマスの加水分解を達成するのに必要な酵素の量を減らす、又は或いは、所与の酵素量によって加水分解されてもよいバイオマスの量を増やす方法を提供することによって、本明細書で報告される手段は、当該技術を進歩させる。
SUMMARY By providing a method for reducing the amount of enzyme required to achieve hydrolysis of a given amount of biomass, or increasing the amount of biomass that may be hydrolyzed by a given amount of enzyme, The means reported herein advance the art.
実施態様の1つでは、セルロース性基質を加水分解するために減らしたセルラーゼ添加量(load)を利用する方法には、ある時間内にセルロース性基質の量を実質的に加水分解するのに必要な精製セルラーゼの量を決定すること;2〜5の間の因数で精製セルラーゼの量を減らし、減らしたセルラーゼ添加量を決定すること;及び好適な条件下、セルロース性基質の実質的な加水分解ができるのに十分な前記時間で、セルラーゼ添加量と同等の濃度で細胞結合性のセルラーゼを発現している微生物をセルロース性基質に導入することが含まれる。 In one embodiment, a method that utilizes a reduced cellulase load to hydrolyze the cellulosic substrate is necessary to substantially hydrolyze the amount of cellulosic substrate within a period of time. Determining the amount of purified cellulase; reducing the amount of purified cellulase by a factor between 2 and 5 and determining the amount of cellulase added reduced; and substantial hydrolysis of the cellulosic substrate under suitable conditions Introducing a microorganism expressing cell-bound cellulase at a concentration equivalent to the amount of cellulase added to the cellulosic substrate for a sufficient time to allow
実施態様の1つでは、セルロース性の基質を加水分解するために減らしたセルラーゼ添加量を利用する方法には、ある時間内にセルロース性基質の量を実質的に加水分解するのに必要な精製セルラーゼの量を決定すること;2〜5の間の因数で精製セルラーゼの量を減らし、減らしたセルラーゼ添加量を決定すること;並びに好適な条件下、セルロース性基質の実質的な加水分解及び発酵ができるのに十分な前記時間で、細胞結合性のセルラーゼを発現するよう操作された発酵因子をセルロース性基質に導入することが含まれる。 In one embodiment, a method that utilizes reduced cellulase loading to hydrolyze cellulosic substrates requires the purification necessary to substantially hydrolyze the amount of cellulosic substrates within a period of time. Determining the amount of cellulase; reducing the amount of purified cellulase by a factor between 2 and 5 and determining the amount of cellulase added reduced; and substantial hydrolysis and fermentation of the cellulosic substrate under suitable conditions Introducing a fermentation factor engineered to express cell-bound cellulase into the cellulosic substrate for a time sufficient to permit
(詳細な説明)
セルラーゼが細胞結合性でない場合と比べたときの、微生物細胞の表面で発現することによるセルラーゼの有効性の向上を含む相乗効果を本明細書では記載する。そのような「酵素/微生物」の相乗効果が定量的に評価され、セルラーゼ酵素の有効性に実質的な増大を生じることが示された。
(Detailed explanation)
Described herein are synergistic effects including increased cellulase efficacy by expression on the surface of microbial cells as compared to when the cellulase is not cell-binding. Such “enzyme / microorganism” synergistic effects were quantitatively evaluated and shown to produce substantial increases in the effectiveness of cellulase enzymes.
研究は、記載された微生物の中で最も高いセルロース利用(加水分解及び発酵)率を示す嫌気性の好温性の細菌であるClostridium thermocellumにて行われた。C.thermocellumは、セルラーゼ複合体又は「セルロソーム」を産出し、それは、ほとんどの培養条件下で細胞の表面に結合するセルロソームの実質的な分画を持つ。微小結晶性セルロース(Avicel)の加水分解は、以下の2つの系についてバッチ培養及び連続培養にて分析した。
(a)添加セルラーゼの非存在下、C.thermocellumの培養での増殖が関与する微生物性加水分解、その際、加水分解にはCEM複合体及びCE複合体の双方が媒介する。
(b)非セルロース分解性の好温性で嫌気性のThermoanaerobacterium thermosaccharolyticumによる加水分解生成物の発酵を伴った、精製C.thermocellumセルロソームによる酵素的加水分解。このSSF処理では、加水分解はCE複合体のみが媒介する。
The study was conducted in Clostridium thermocellum, an anaerobic thermophilic bacterium with the highest cellulose utilization (hydrolysis and fermentation) rate among the described microorganisms. C. Thermocellum produces cellulase complexes or “cellulosomes”, which have a substantial fraction of cellulosomes that bind to the surface of cells under most culture conditions. Hydrolysis of microcrystalline cellulose (Avicel) was analyzed in batch and continuous cultures for the following two systems.
(A) in the absence of added cellulase, C.I. Microbial hydrolysis involving the growth of thermocellum in culture, where the hydrolysis is mediated by both the CEM complex and the CE complex.
(B) purified C. with fermentation of the hydrolysis product by non-cellulolytic thermophilic and anaerobic Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum. Enzymatic hydrolysis by thermocellum cellulosome. In this SSF treatment, hydrolysis is mediated only by the CE complex.
セルロース加水分解の具体的比率は、同一生物からの精製セルラーゼ調製物に比べて、Clostridium thermocellumの増殖培養で2〜5倍高いことが分かった。従って、加速された反応は、C.thermocellumのセルラーゼが細胞に結合することなく作用する場合と比べて、C.thermocellumのセルラーゼがセルロース接着性細胞の表面に提示される場合に起きる。 The specific ratio of cellulose hydrolysis was found to be 2-5 times higher in Clostridium thermocellum growth cultures compared to purified cellulase preparations from the same organism. Thus, the accelerated reaction is C.I. Compared to the case where the cellulase of thermocellum acts without binding to cells, C.I. Occurs when the cellulase of thermocellum is presented on the surface of cellulose adherent cells.
適用された科学の観点から、この2〜5倍の相乗効果は、酵素的加水分解のコストを下げる戦略の背景で有意である。特に、酵素/微生物の相乗効果の定量によって、セルロース分解性の微生物の非存在下で加水分解をセルラーゼ酵素によって行う場合と比べて、セルロースが、接着性のセルロース分解性微生物によって加水分解される処理構成において高い加水分解率が達成されてもよいという指示が提供される。 From an applied scientific point of view, this 2-5 fold synergy is significant in the context of strategies that reduce the cost of enzymatic hydrolysis. In particular, a process in which cellulose is hydrolyzed by an adhesive cellulolytic microorganism as compared to the case where hydrolysis is carried out by a cellulase enzyme in the absence of cellulolytic microorganisms by quantifying the enzyme / microorganism synergistic effect An indication is provided that a high hydrolysis rate may be achieved in the configuration.
セルロース接着性のセルロース分解性微生物の存在は、発酵を介して阻害性の加水分解生成物の局所濃度を下げることによって加水分解率を高めてもよい。たとえば、セロビオース、及びさらに低い程度に、グルコースは、C.thermocellumセルロソームを阻害することが知られている。さらに、基質へのアクセスが改善された生物は(細胞表面で高い基質濃度及び/又はバルク培地への基質の少ない喪失)、多分速く増殖するから、選択的優位性を有するので、接着性微生物は進化的視野から報いを受けてもよい。 The presence of cellulolytic cellulolytic microorganisms may increase the rate of hydrolysis by reducing the local concentration of inhibitory hydrolysis products via fermentation. For example, cellobiose, and to a lesser extent, glucose is C.I. It is known to inhibit thermocellum cellulosomes. In addition, organisms with improved substrate access (high substrate concentration at the cell surface and / or less loss of substrate to the bulk medium) will likely grow faster and thus have a selective advantage, so that adherent microorganisms You may be rewarded from an evolutionary perspective.
主としてCEM複合体を介してセルロースの加水分解に媒介するセルロース分解性の嫌気性微生物のリストを表1に示す。 A list of cellulolytic anaerobic microorganisms that mediate cellulose hydrolysis primarily through CEM complexes is shown in Table 1.
(表1 セルロース分解性の嫌気性微生物) (Table 1 Cellulolytic anaerobic microorganisms)
或いは、天然にはセルロース分解性ではない発酵因子を操作して、表1の生物の1つに由来するセルラーゼを発現させてもよい。そのような組換え生物が細胞表面にセルロソームを発現してもよく、得られた生物がCEM複合体を形成し、酵素/微生物の相乗効果の結果として、セルロースの高い加水分解率を達成してもよい。繋留されたセルラーゼ酵素を発現する組換え生物及びそのような生物の製造方法は、たとえば、参照によって特別に本明細書に組み入れられる米国特許出願第60/867,018号に記載されている。操作されてセルラーゼを発現し得る例示となる発酵因子を表2に列記する。 Alternatively, a cellulase derived from one of the organisms in Table 1 may be expressed by manipulating a fermentation factor that is not naturally cellulolytic. Such recombinant organisms may express cellulosomes on the cell surface, and the resulting organisms can form CEM complexes and achieve high hydrolysis rates of cellulose as a result of enzyme / microorganism synergy. Also good. Recombinant organisms that express tethered cellulase enzymes and methods for producing such organisms are described, for example, in US Patent Application No. 60 / 867,018, specifically incorporated herein by reference. Illustrative fermentation factors that can be manipulated to express cellulase are listed in Table 2.
(表2 セルラーゼを発現するよう操作され得る発酵因子) Table 2 Fermentation factors that can be engineered to express cellulase
実施例1
単離した酵素媒介性セルロースの加水分解 対 微生物媒介性セルロースの加水分解
セルロース加水分解の可溶性生成物を利用することが可能である非セルロース分解性で好温性のThermoanaerobacterium thermosaccharolyticumの存在下及び非存在下で、精製したClostridium thermocellumセルロソームによって行われる酵素媒介性加水分解に対して、C.thermocellumによる微生物媒介性セルロースの加水分解を体系的に比較した。微生物媒介性加水分解の場合、三元のCEM複合体が存在するが、酵素媒介性加水分解の場合、二元CE複合体の作用によるセルロースの加水分解が専ら生じる。
Example 1
Isolated Enzyme-Mediated Cellulose Hydrolysis vs. Microbial-Mediated Cellulose Hydrolysis Cellulose Aerobic Thermophilic Thermosaccharolyticum in the Presence and Absence of Soluble Cellulose Hydrolysis Below, for enzyme-mediated hydrolysis performed by purified Clostridium thermocellum cellulosome, A systematic comparison of microorganism-mediated cellulose hydrolysis by thermocellum. In the case of microorganism-mediated hydrolysis, there is a ternary CEM complex, whereas in the case of enzyme-mediated hydrolysis, hydrolysis of cellulose exclusively occurs due to the action of the binary CE complex.
C.thermocellum及び関連する対照のバッチ培養
N2雰囲気下で、3連一組の200mLの密閉型血清用バイアル(Bellco Biotechnology, Vineland, NJ)にて2g/LのAvicelPH105(FMC Corp., Philadelphia, PA)及び10g/LのMOPS緩衝液(当初pH7.6)を含有する100mLのMTC培地に5mLのClostridium thermocellum(ATCC27405)のストック培養物を注射器によって植菌した。200rpmで回転振盪しながら、温度制御された水槽にて培養物を60℃でインキュベートした。視覚的検査によって測定されたとき、いったん2g/LのAvicelが消費されると、補完のAvicelを40g/Lの無菌懸濁液として2g/Lの濃度に加え、4MのNaOHの添加によってpHを7.6に調整し、ろ過滅菌したN2を勢いよく流すことによって気相を置き換えた。
C. Thermocellum and related control batch cultures 2 g / L AvicelPH105 (FMC Corp., Philadelphia, PA) in
補完のAvicelを添加した直後、最初(時間ゼロ)のデータポイントで微生物のセルロース利用のデータを取る。微生物対照1は、補完のAvicel添加と併せて、38.5mMの最終濃度にて滅菌した1Mのアジ化ナトリウム溶液を加えたこと以外は、上記のように行った。上記で特定したようなアジドの添加は、HPLCで測定したとき、時間外の発酵生成物の一定の濃度によって示されるように発酵の停止を生じる。
Immediately after the supplemental Avicel is added, microbial cellulose utilization data is taken at the first (time zero) data point.
セルロソームの調製及び精製
バッチSSF実験で使用されるセルロソームは、4g/Lの当初濃度で増殖基質としてのAvicelを伴った200mLフラスコでのMTC培地中で増殖させたC.thermocellumのバッチ培養物から得た。連続SSF実験用のセルロソームは、0.052hr−1の稀釈率(流速/発酵作動容量)及び4g/Lの供給セルロース濃度にてMTC培地中で増殖させたC.thermocellumの定常状態の連続培養物から得た。セルロソームは、親和性消化によって培養ブロスの上清から精製した。バッチ及び連続のSSF実験に用いた精製セルロソーム調製物は、トリス緩衝液中(50mM、10mMのCaCl2、pH6.8)で2.8IU/mgセルラーゼの比活性を持つ約1.2g/Lのセルラーゼを含有した。精製したセルロソーム調製物における可溶性の加水分解生成物の濃度は、SSF実験の解釈を複雑にしないように十分に低い(<0.002g/L)であることがHPLCで確認された。
Cellulosome preparation and purification Cellulosomes used in batch SSF experiments were grown in MTC medium in 200 mL flasks with Avicel as growth substrate at an initial concentration of 4 g / L. Obtained from a batch culture of thermocellum. Cellulosomes for continuous SSF experiments were grown in MTC medium at a dilution rate of 0.052 hr −1 (flow rate / fermentation working volume) and a feed cellulose concentration of 4 g / L. Obtained from a continuous culture of thermocellum. Cellulosomes were purified from the culture broth supernatant by affinity digestion. The purified cellulosome preparation used for batch and continuous SSF experiments was about 1.2 g / L with a specific activity of 2.8 IU / mg cellulase in Tris buffer (50 mM, 10 mM CaCl 2 , pH 6.8). Contains cellulase. The concentration of soluble hydrolysis products in the purified cellulosome preparation was confirmed by HPLC to be low enough (<0.002 g / L) so as not to complicate interpretation of the SSF experiment.
バッチSSF及び関連する酵素対照
N2雰囲気下で、3連一組の200mLの血清用バイアルにて2g/LのAvicelPH105及び2g/Lのセルビオースを含有する100mLのMTC培地に5mLのThermoanaerobacter thermosaccharolyticum(ATCC31960)のストック培養物を植菌した。200rpmで回転振盪しながら、温度制御された水槽にて培養物を60℃でインキュベートした。HPLCによって測定されたとき、セルビオースがいったん消費されたら、pHを7.6に調整して、精製したセルロソーム調製物(上記)をろ過滅菌し(Millex−GV, 0.22um pore size, Millipore, Billerica, MA)、最終濃度100mg/Lで注射器を介して培養物に加えた。セルラーゼを添加した直後、最初(時間ゼロ)のデータポイントでSSFのデータを取った。細胞を含まない対照1は、発酵生物が存在しないことを除いて2g/LのAvicel及び100mg/Lの精製セルロソームの存在下で上記のように行った。細胞を含まない対照2は、1Mの滅菌したアジ化ナトリウムを最終濃度38.5Mで加えたことを除いて、細胞を含まない対照1のように行った。
Batch SSF and associated enzyme control In N 2 atmosphere, in
連続培養
オーバーフローサイドアーム(i.d.0.38”)及び0.5Lの作動容量を持つ改変した1Lの発酵槽(Applikon, Dependable Instruments, Foster City, CA, modified by NDS)をC.thermocellumによる微生物発酵及び連続モードで行われたSSFの双方に用いた。4MのNaOHの添加によってデルタVプロセス制御システム(New England Controls Inc., Mansfield, MA)によりpHを6.8で制御し、発酵槽を250rpmで撹拌し、発酵槽ジャケットを介して水を循環させることによって温度を60℃で制御した。4g/LのAvicelPH105を含有するMTC培地をペリスタポンプで供給し、所望の滞留時間を達成した。SSF実験については、追加のペリスタポンプを使用して、50mMのトリス緩衝液(pH6.8)に4℃で保存されている精製セルロソームを送達した。SSF実験に用いたMTC培地の組成及びAvicelの濃度は、C.thermocellumの発酵実験(たとえば、4g/LAvicelの最終濃度)で使用されたものと同一の濃度が提供されるように調整した。2g/Lのセルビオースで補完した4g/LのAvicelを含有するMTC培地にT.thermosaccharolyticumの後期対数期培養物50mLを植菌することによってSSF実験を開始した。いったん増殖が明らかになったら、セルラーゼの添加を開始した。連続発酵に関する定常状態の値を算出するのに使用される試料は、少なくともレジデンス1つの間隔で取った。
Continuous culture A modified 1 L fermentor (Applikon, Dependable Instruments, Foster City, CA, modified by NDS) with an overflow sidearm (id 0.38 ") and a working volume of 0.5 L by C. thermocellum Used for both microbial fermentation and SSF performed in continuous mode, pH controlled at 6.8 by Delta V process control system (New England Controls Inc., Mansfield, Mass.) By addition of 4M NaOH, fermentor Was stirred at 250 rpm and the temperature was controlled by circulating water through the fermenter jacket at 60 ° C. MTC medium containing 4 g / L AvicelPH105 was fed with a peristaltic pump, The desired residence time was achieved.For SSF experiments, an additional peristaltic pump was used to deliver purified cellulosomes stored in 50 mM Tris buffer (pH 6.8) at 4 ° C. Used for SSF experiments. The composition of the MTC medium and the concentration of Avicel were adjusted to provide the same concentration used in the C. thermocellum fermentation experiments (eg, 4 g / LAvicel final concentration), at 2 g / L of cellobiose. The SSF experiment was started by inoculating 50 mL of late log phase culture of T. thermosaccharolyticum in MTC medium containing supplemented 4 g / L Avicel Once cell growth was apparent, cellulase addition was started. Used to calculate steady state values for continuous fermentation Samples were taken at intervals of at least one residence.
残ったセルロース及び発酵生成物の測定
定量的糖化によって残ったセルロースを測定した。溶出液としての0.01%(v/v)のH2SO4及び屈折率検出器を伴い55℃で操作されるBio−RadのHPX−87Hカラムを用いたHPLCによって、糖(セルビオース、グルコース)及び発酵生成物(乳酸、酢酸及びエタノール)の濃度を分析した。Ehrman, C.I., M. E. Himmel. Biotechnology Techniques, 8(2): 99 (1994)によって報告された改変NREL加水分解後の手順に従って、オリゴマー糖を分析した。
Measurement of residual cellulose and fermentation product The residual cellulose by quantitative saccharification was measured. Sugar (cellbioose, glucose) by HPLC using Bio-Rad HPX-87H column operated at 55 ° C. with 0.01% (v / v) H 2 SO 4 as eluent and refractive index detector. ) And fermentation products (lactic acid, acetic acid and ethanol) were analyzed. Ehrman, C.I. I. , M.M. E. Himmel. The oligomeric sugars were analyzed according to the modified NREL hydrolysis procedure reported by Biotechnology Technologies, 8 (2): 99 (1994).
タンパク質、セルロソーム及びセルラーゼ活性の測定
ウシ血清アルブミンを標準としてブラッドフォードタンパク質アッセイ(Bradford, M. M. Anal. Biochem. 72, 24 (1976))に従って、上清試料におけるタンパク質含量を測定した。以前、Zhang et al. (Zhang, Y.−H. P, L. R. Lynd. J. Bacteriol. 187, 99 (2005))によって記載されたペレットタンパク質アッセイを用いてペレットにおけるタンパク質含量を測定した。上清及びペレットのセルロソーム濃度は、Dubois, M., K. Gilles, J. K. Hamilton, P.A. Rebers, F. Smith. Nature. 168, 167 (1951)によって報告されたELISA法によって測定した。Dubois(1951)のフェノール硫酸法によって測定されるような可溶性の糖生成物に基づいてZhang(2005)の方法を用いて、60℃にて上清及びペレットの試料におけるアビセラーゼ活性を測定した。結果は、国際単位(IU)=1マイクロモルのグルコース当量/L/分に換算して表す。
Determination of protein, cellulosome and cellulase activity The protein content in the supernatant samples was determined according to the Bradford protein assay (Bradford, MM Anal. Biochem. 72, 24 (1976)) with bovine serum albumin as a standard. Previously, Zhang et al. The protein content in the pellets was measured using the pellet protein assay described by (Zhang, Y.-H.P, LR Lynd. J. Bacteriol. 187, 99 (2005)). Cellulosome concentrations in the supernatant and pellet were determined by Dubois, M. et al. , K .; Gilles, J.M. K. Hamilton, P.A. A. Rebers, F.A. Smith. Nature. 168, 167 (1951). The avicelase activity in supernatant and pellet samples was measured at 60 ° C. using the method of Zhang (2005) based on the soluble sugar product as measured by the Dubois (1951) phenol sulfate method. The results are expressed in terms of international units (IU) = 1 micromole glucose equivalent / L / min.
バッチの結果
制御された条件下でのバッチ培養では、微生物による加水分解は、2g/Lのセルビオースを完全に加水分解するのに16時間を要し、その間にセルロソームと細胞タンパク質の濃度はそれぞれ、48mg/Lから98mg/L及び125mg/Lから264mg/Lにおおまかに倍化した(図1)。図2に示すように、T.thermosaccharolyticumの存在下で精製セルロソームを用いたSSF(酵素的加水分解)は、完全な加水分解に32時間必要とし、その間、セルロソームの濃度は100mg/Lであり、細胞タンパク質の濃度は160mg/Lから」260mg/Lに増加した。
Batch results In batch cultures under controlled conditions, microbial hydrolysis requires 16 hours to fully hydrolyze 2 g / L of cellobiose, during which time the cellulosome and cellular protein concentrations are respectively Rough doubling from 48 mg / L to 98 mg / L and from 125 mg / L to 264 mg / L (FIG. 1). As shown in FIG. SSF (enzymatic hydrolysis) using purified cellulosomes in the presence of thermosaccharolyticum requires 32 hours for complete hydrolysis, during which the cellulosome concentration is 100 mg / L and the cellular protein concentration is from 160 mg / L Increased to 260 mg / L.
微生物による加水分解とSSFが生じる条件は似ていた。図1及び図2の反応についての生成物濃度と時間に対するpHをそれぞれ図3及び図4に示す。モニターされた生成物は、エタノール(Eth)、アセテート(Act)、セルビオース(CB)及びグルコース同等物(Glu Eqv)であった。増殖培地中の加水分解生成物(可溶性グルカンの合計又はグルコース同等物の合計)は、微生物による加水分解及びSSFの双方について常に≦0.02g/Lであり、50%の阻害が一般に観察される濃度よりも2桁低い値だった。表3に示されるように、セルロソームの比活性は、微生物による加水分解と酵素的加水分解の双方で全く類似しており、実験全体を通してほぼ一定のままだった。 The conditions under which microbial hydrolysis and SSF occur were similar. The product concentration and pH versus time for the reactions of FIGS. 1 and 2 are shown in FIGS. 3 and 4, respectively. The products monitored were ethanol (Eth), acetate (Act), cellobiose (CB) and glucose equivalent (Glu Eqv). The hydrolysis products in the growth medium (total soluble glucan or total glucose equivalent) is always ≦ 0.02 g / L for both microbial hydrolysis and SSF, with 50% inhibition generally observed The value was two orders of magnitude lower than the concentration. As shown in Table 3, the specific activity of cellulosome was quite similar for both microbial and enzymatic hydrolysis and remained nearly constant throughout the experiment.
(表3 C.thermocellumのバッチ培養とSSFと関連する酵素対照との比較) Table 3. Comparison of batch cultures of C. thermocellum with enzyme controls associated with SSF
# C.thermocellumのバッチ培養では16時間を参照し、SSF及び酵素対照では32時間を参照する相2(図1及び2の0時間〜48時間)の終了
図5にて、時間に対してセルロース濃度を、微生物による加水分解(図1から)、SSF(図2から)、及び以下の対照について;微生物対照1:38.5mMのアジ化ナトリウムと共にC.thermocellumの培養(100mg/Lのセルロソーム、264mg/Lの細胞タンパク質)、細胞を含まない対照1:発酵生物を伴わずに100mg/Lの精製セルロソーム、細胞を含まない対照2:38.5mMのアジ化ナトリウムを伴って細胞を含まない対照1と同様、についてプロットした。セルロソームの濃度が微生物対照1(100mg/mL、セルロソーム)よりも微生物による加水分解に関するほとんどの実験(図1を参照)で低いという事実にもかかわらず、加水分解率は、代謝的に不活性の細胞(微生物対照1)よりも増殖している細胞(微生物による加水分解)の方が実質的に高い。代謝的に不活性の細胞による加水分解の比率の低さは、アジド存在下又は非存在下で観察される細胞を含まない加水分解率が類似しているので、一義的にはセルロソームに対するアジドの効果によるものではない。
#C. Termination of Phase 2 (0 to 48 hours in FIGS. 1 and 2) with reference to 16 hours for thermocellum batch cultures and 32 hours for SSF and enzyme controls. In FIG. For microbial hydrolysis (from FIG. 1), SSF (from FIG. 2), and the following controls; microbial control 1: C. with 38.5 mM sodium azide. Thermocellum culture (100 mg / L cellulosome, 264 mg / L cell protein), cell-free control 1: 100 mg / L purified cellulosome without fermenting organisms, cell-free control 2: 38.5 mM azimuth Plotted as for
図6は、細胞を含まない対照1についてのセルロースの加水分解及び生成物の蓄積を示す。加水分解生成物の濃度は、SSFよりも細胞を含まない対照1の方が1桁高いが(図2と比較した図6)、加水分解率は似ていることを観察することができる。従って、バルク発酵ブロスにおける加水分解性生物の蓄積は、微生物による加水分解とSSFの間の顕著な差異のもっともらしい説明ではない。
FIG. 6 shows cellulose hydrolysis and product accumulation for
バッチの結果は、酵素/微生物の相乗効果の程度を支持し、2.8〜4.7(表4)の間の、微生物の系で見られたセルロソームで正規化された加水分解率を酵素の系のそれで割った比率に等しい。酵素/微生物の相乗効果の定量のさらなる記載については実施例2を参照のこと。 The results of the batch support the degree of enzyme / microbe synergy and the cellulosome normalized hydrolysis rate seen in the microbial system between 2.8 and 4.7 (Table 4). Equal to the ratio divided by that of the system. See Example 2 for further description of quantification of enzyme / microorganism synergy.
連続培養の結果
定常状態の連続培養においても微生物による加水分解とSSFを比較した。4以上の定常状態のデータポイントの平均値を表4で、表5におけるセルラーゼの比活性と共に報告する。微生物の定常状態1及び2はそれぞれ、6.8時間及び9.8時間の滞留時間(τ=発酵槽容量/供給流速)にて得た。微生物の定常状態1については、39mg/Lのセルロソームの総濃度の存在下で供給セルロースの65.3%が加水分解されたが、微生物の定常状態2では、63mg/Lのセルロソームで76.8%の加水分解が達成された。T.thermosaccharolyticumによる発酵と併せて、精製C.thermocellumセルロソームが媒介する定常状態の連続SSFを選択された条件で行い、微生物によるセルロース利用で認められたものと類似した変換及びセルロソームの総濃度を達成した。SSFの定常状態1については、微生物の定常状態1に比べて、τ=24.4時間にて67%のセルロースの加水分解が認められ、加えたセルロソームは52mg/Lだった。SSFの定常状態2については、τ=19.23時間及び63mg/Lのセルロソームにて75.3%のセルロース加水分解が認められた。セルロースの加水分解生成物の濃度は、微生物の定常状態及びSSFの定常状態の双方について、検出限界(2.5mg/L)を下回った。SSFデータの経時変化を図7(SSFの定常状態1)及び図8(SSFの定常状態2)に表す。実験は、168時間で連続方式からバッチ方式に変換してセルビオースのさらなる蓄積を防いだ;連続供給は、184時間で再開した。セルラーゼの比活性は、微生物の定常状態とSSFの定常状態で類似していた(表5)。
Results of continuous culture Hydrolysis by microorganisms and SSF were also compared in steady-state continuous culture. The average of four or more steady state data points is reported in Table 4, along with the specific activity of cellulase in Table 5.
(表4 連続培養の結果及び相乗効果の計算の程度) (Table 4 Result of continuous culture and degree of calculation of synergy)
バッチ実験及び連続培養実験の双方について、調べた条件下では、SSFに比べて、微生物による加水分解の間、C.thermocellumセルラーゼ複合体は実質的にさらに効果的である。そのような酵素/微生物の相乗効果は、代謝的に活性のあるセルロース分解性の微生物の存在を必要とし、バルク発酵ブロスからの加水分解生成物の除去によっては説明されない。微生物による加水分解とSSFの間の鍵となる明らかな差異は、微生物による加水分解の間、CEM複合体が存在するが、SSFについては、これは当てはまらないということである。 For both batch and continuous culture experiments, under the conditions studied, during microbial hydrolysis compared to SSF, C.I. The thermocellum cellulase complex is substantially more effective. Such enzyme / microorganism synergies require the presence of metabolically active cellulolytic microorganisms and are not explained by the removal of hydrolysis products from the bulk fermentation broth. The key obvious difference between microbial hydrolysis and SSF is that CEM complexes are present during microbial hydrolysis, but this is not the case for SSF.
実施例2.酵素/微生物の相乗効果の定量
セルロソームを基にしたセルロソーム特異的な加水分解率(rE C、セルロースのg/セルロソームのg/時間)は以下の式を用いて算出されてもよい。
Example 2 Quantification of enzyme / microorganism synergy Cellulosome-specific hydrolysis rate (r E C , cellulose g / cellulosome g / time) based on cellulosome may be calculated using the following equation.
バッチのデータ及び連続のデータから算出されたDSER EMの値を表4に提示する。8時間後のバッチのデータに基づくDSER EMは、4.69であった。完全なセルロースの加水分解が達成された後、DSER EMが算出されると、2.78の値が得られる。連続培養では、微生物及びSSFの定常状態2に基づいて2.80のDSER EMの値が得られ、それについて約75%のセルロースが加水分解される。微生物及びSSFの定常状態1については、約66%の加水分解が達成される場合、DSER EMは4.81に等しい。ペレットのセルラーゼを基にした酵素/微生物相乗効果の値、DSEp EMは、連続培養、微生物及びSSFの定常状態2での2.84並びに微生物及びSSFの定常状態1での4.77に全く類似する。相乗効果の低下は、バッチ培養及び連続培養の双方でセルロース加水分解の程度の上昇及び基質対酵素の比の低下と共に見られる。
The DS ER EM values calculated from the batch data and the continuous data are presented in Table 4. The DS ER EM based on the batch data after 8 hours was 4.69. Once the complete cellulose hydrolysis is achieved, a DS ER EM is calculated of 2.78. Continuous culture gives a DS ER EM value of 2.80 based on the
本明細書の範囲を逸脱することなく、上記の方法及びシステムにおいて変更が行われてもよい。従って、上記の記載に含有されること又は添付の図面に示されることは説明として解釈されるべきであって限定の意味はないことが言及されるべきである。以下のクレームは、本明細書に記載される一般的及び特定の特徴すべてを網羅することが意図され、並びに言語としてそれらの間に入ると言われてもよい本方法の範囲内のすべての記述を網羅することが意図される。 Changes may be made in the above methods and systems without departing from the scope of the specification. Accordingly, it should be noted that what is contained in the above description or shown in the accompanying drawings is to be interpreted as illustrative and not limiting. The following claims are intended to cover all the general and specific features described herein, and all statements within the scope of the method that may be said to fall between them as a language. Is intended to cover.
Claims (18)
ある量のセルロース性基質をある時間内に実質的に加水分解するのに必要な精製セルラーゼの量を決定することと;
2〜5の間の因数で該精製セルラーゼの量を減らして、減らしたセルラーゼ添加量を決定することと;
好適な条件下にて、該セルロース性基質の実質的な加水分解を行うことができる該時間の間、減らしたセルラーゼ添加量と同等の濃度で細胞結合性のセルラーゼを発現している微生物を該セルロース性基質に導入することを含む方法。 A method that utilizes reduced cellulase loading to hydrolyze cellulosic substrates,
Determining the amount of purified cellulase required to substantially hydrolyze an amount of cellulosic substrate within a time;
Reducing the amount of purified cellulase by a factor between 2 and 5 to determine the amount of cellulase added reduced;
Under suitable conditions, the microorganism expressing cell-bound cellulase at a concentration equivalent to the reduced amount of cellulase added during the time during which the cellulosic substrate can be substantially hydrolyzed. Introducing into a cellulosic substrate.
ある量のセルロース性基質をある時間内に実質的に加水分解するのに必要な精製セルラーゼの量を決定することと;
2〜5の間の因数で該精製セルラーゼの量を減らして、減らしたセルラーゼ添加量を決定することと;
好適な条件下にて、該セルロース性基質の実質的な加水分解と発酵を行うことができるのに十分な該時間の間、細胞結合性のセルラーゼを発現するよう操作された発酵因子を該セルロース性基質に導入することを含み、
該細胞結合性のセルラーゼは該減らしたセルラーゼ添加量に等しい濃度で存在する、方法。 A method of hydrolyzing a cellulosic substrate using a reduced amount of cellulase added,
Determining the amount of purified cellulase required to substantially hydrolyze an amount of cellulosic substrate within a time;
Reducing the amount of purified cellulase by a factor between 2 and 5 to determine the amount of cellulase added reduced;
Fermentation factors engineered to express cell-bound cellulase for a period of time sufficient to allow substantial hydrolysis and fermentation of the cellulosic substrate under suitable conditions. Introducing into a sex substrate,
The method wherein the cell-bound cellulase is present at a concentration equal to the reduced cellulase loading.
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