JP2011160673A - Method for producing hydrogen gas and microorganism therefor - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for producing hydrogen gas, and to provide a microorganism usable therefor. <P>SOLUTION: The method for producing the hydrogen gas includes culturing the microorganisms producing ferredoxin/flavodoxin-dependent hydrogenase and ferredoxin/flavodoxin, and gene-manipulated so that the production of a protein having the enzymatic activities of pyruvic acid:flavodoxin/ferredoxin oxidation-reduction enzyme may be increased at least in one kind of a culture medium containing a carbohydrate capable of being absorbed by the microorganisms and a nitrogen source capable of being absorbed by the microorganisms. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、水素ガスを生産する方法およびそのために使用する微生物に関する。   The present invention relates to a method for producing hydrogen gas and a microorganism used therefor.

水素ガス(H)は、特にそのHからエネルギーへの変換による環境への影響が極小であるので、移動用及び定置用の両用途において、有望な次世代エネルギー媒体である。現在のHの全世界市場は、1600億米ドルに値すると見積られている。Hが移動用の用途(例えば、自動車、飛行機)の燃料として大規模に採用された場合、現市場はより大きくなると見込まれている。H生産およびその利用が、環境に影響を及ぼすのに十分な規模で石油代替物として商業的に成熟するためには、石油代替エタノールと比較して数多くの未解決の課題が、更なる研究開発を依然として必要としている。他の代替燃料と比較しての移動距離のコスト効果とともに、生産コストが大きな課題である。Hは、潜在的に、広い範囲の様々な再生不可能および再生可能な資源から得ることができる。植物由来のバイオマスは、潜在的な再生可能なエネルギー資源のひとつである。微生物による醗酵を通してバイオマスはHに変換され得る。しかし、その初期基質(糖)に対する収量は、エタノールと比較して、非常に悪い。バイオマス生産が、バイオマス由来燃料生産において、大きな経済的、環境的コスト(Hill et al., 2006)であるため、基質あたりの生産物の収量は、経済的、環境的に持続可能なH生産を可能にする重要な可変要因である。従って、微生物によるH生産の向上は、Hの工業的生産に必要である。 Hydrogen gas (H 2 ) is a promising next-generation energy medium for both mobile and stationary applications, especially because its environmental impact due to the conversion of H 2 to energy is minimal. Worldwide market of the current H 2 is estimated to worth to 160 billion US dollars. H 2 is for mobile applications (e.g., automobile, aircraft) when it is employed on a large scale as a fuel, is expected to present the market is greater. H 2 production and their use, for commercial maturity as petroleum substitutes in sufficient scale to affect the environment, problems of a large number of outstanding compared to petroleum substitute ethanol, further studies There is still a need for development. Production costs are a major issue as well as the cost effectiveness of travel distance compared to other alternative fuels. H 2 can potentially be obtained from a wide variety of non-renewable and renewable resources. Plant-derived biomass is one of the potential renewable energy resources. Biomass through fermentation by microorganisms can be converted to H 2. However, the yield relative to the initial substrate (sugar) is very poor compared to ethanol. Since biomass production is a significant economic and environmental cost in biomass-derived fuel production (Hill et al., 2006), the yield of product per substrate is economically and environmentally sustainable H 2 production Is an important variable factor that enables Therefore, improvement of H 2 production by microorganisms is necessary for industrial production of H 2 .

数多くの微生物が、多岐にわたる代謝経路において、様々なかたちでHを生産および消費する能力をもっている。水素を生産する微生物のほとんどは、ピルビン酸依存性H生産能力をもっている。典型的に、それは、原生生物または属によって、2つの極めて異なる経路の種類によって行われる。典型的に、クロストリジウム属(Clostridium)および始原細菌のいくつかの菌では、(Wahl et al., 1987; Pieulle et al., 1997; Ma et al., 1999)、ピルビン酸の酸化によって得られた電子は、フェレドキシンに受け渡され、次いで、フェレドキシン依存性ヒドロゲナーゼを還元するのに用いられる。
(クロストリジウム属) ピルビン酸−>フェレドキシン+アセチルCoA(PFOR)、次いで、フェレドキシン−>H(ヒドロゲナーゼHYDA)
Numerous microorganisms have the ability to produce and consume H 2 in a variety of ways in a variety of metabolic pathways. Most microorganisms that produce hydrogen have pyruvate-dependent H 2 production capacity. Typically, it is done by two very different pathway types, depending on the protist or genus. Typically, in some species of Clostridium and protozoa (Wahl et al., 1987; Pieulle et al., 1997; Ma et al., 1999), obtained by oxidation of pyruvate The electrons are transferred to ferredoxin and then used to reduce ferredoxin-dependent hydrogenase.
(Genus Clostridium) pyruvate-> ferredoxin + acetyl CoA (PFOR), then ferredoxin-> H 2 (hydrogenase HYDA)

大腸菌(E.coli)および他のエンテロバクター(Enterobacter)種において、主要なピルビン酸依存性H合成経路は、はじめに、ピルビン酸:ギ酸水素リアーゼ(PFL)によって触媒され、それが、ギ酸依存性水素リアーゼ(FHL)とともに、次の電子移動を効率的に触媒する(Sawers et al., 2005)。
(エンテロバクター) ピルビン酸−>ギ酸+アセチルCoA(PFL、ピルビン酸 ギ酸リアーゼ)、次に、ギ酸−>H(FDH)
In E. coli and other Enterobacter species, the major pyruvate-dependent H 2 synthesis pathway is first catalyzed by pyruvate: hydrogen formate lyase (PFL), which is formate-dependent. Together with hydrogen lyase (FHL), it efficiently catalyzes the next electron transfer (Sawers et al., 2005).
(Enterobacter) pyruvate -> formic acid + acetyl CoA (PFL, pyruvate formate lyase), then formic acid -> H 2 (FDH)

細胞外のギ酸も、例えば、共生関係におけるメタン生成種と共に、H生産または種間電子伝達に直接用いられることができる。 Formic acid extracellular also, for example, with methane production species in symbiotic relationship can be used directly in H 2 production or interspecies electron transfer.

ピルビン酸は、全てではないにしてもほとんどの微生物の代謝において、鍵となる中間体である。ピルビン酸の源および運命は、種および特定の種のその優勢な条件下における代謝に依存する。特に、酸素の有無は、大腸菌などの通性嫌気性生物におけるピルビン酸の運命に影響する(Causey et al., 2004)。大腸菌K−12種では、嫌気醗酵条件下においてピルビン酸生産は、NAD−再生成の役割が、種々の電子数をもつ還元排出代謝物に分散されている「混合醗酵」と呼ばれるプロセスによって制限される。従って、グルコースで生育した場合、エタノールだけではなく、コハク酸および乳酸も生成される(Alam and Clark, 1989)。しかし、後者2つの化合物の生成は、ピルビン酸形成の前に分岐するので、潜在的なピルビン酸の形成を減じる。 Pyruvate is a key intermediate in the metabolism of most if not all microorganisms. The source and fate of pyruvate depends on the metabolism of the species and its particular species under its prevailing conditions. In particular, the presence or absence of oxygen affects the fate of pyruvate in facultative anaerobes such as E. coli (Causey et al., 2004). In Escherichia coli K-12, pyruvate production under anaerobic fermentation conditions is limited by a process called “mixed fermentation” in which the role of NAD + -regeneration is dispersed in reducing excretion metabolites with various electron numbers. Is done. Thus, when grown on glucose, not only ethanol but also succinic acid and lactic acid are produced (Alam and Clark, 1989). However, the formation of the latter two compounds diminishes the formation of potential pyruvate because it branches off prior to pyruvate formation.

エタノール生産のみが、ピルビン酸分岐点の下流に位置し、ギ酸依存性H合成は、NAD−再生成に関して酸化還元中性である。従って、活性PFL/FHL経路の有無は、アセチルCoAの形成には影響するであろうが、NAD再生成には影響しない(Hasona et al., 2004)。AlamおよびClark(1989)は、遺伝子ldhAおよびfrdの削除が2つの前ピルビン酸生産物分岐を効果的に取り除き、その結果、乳酸(ldhAによってコードされるタンパク質によって触媒される反応)およびコハク酸(frdABCDによってコードされるタンパク質によって触媒される反応)を取り除くことを示した。しかし、排出されるピルビン酸、エタノールおよびギ酸の量は増加せず、かわりに酢酸の排出が高まった。しかし、Causeyらは(2003、2004)、同じ方法を用い、同様の条件下で酢酸形成の責任遺伝子をも削除し、その組み換え大腸菌株を用いて(これらの株は、そのプロセスが好気的条件下で行われるようさらに組み換え操作されたけれども)、ピルビン酸生産を効果的に高めた。従って、ldhAおよびfrdの削除は確立されており、大腸菌において、嫌気下でグルコースからピルビン酸への流れを増やすために必要な重要なプロセスである。 Only ethanol production is located downstream of the pyruvate branch point and formate-dependent H 2 synthesis is redox neutral with respect to NAD + -regeneration. Thus, the presence or absence of an active PFL / FHL pathway will affect the formation of acetyl-CoA but not NAD + regeneration (Hasona et al., 2004). Alam and Clark (1989) show that deletion of the genes ldhA and frd effectively removed the two prepyruvic acid product branches, resulting in lactic acid (a reaction catalyzed by the protein encoded by ldhA) and succinic acid ( It was shown to remove the reaction catalyzed by the protein encoded by frdABCD. However, the amount of pyruvic acid, ethanol and formic acid excreted did not increase and acetic acid excretion increased instead. However, Causey et al. (2003, 2004), using the same method, also deleted the gene responsible for acetic acid formation under similar conditions and used the recombinant E. coli strain (these strains were aerobic in their process). Although further engineered to take place under conditions), it effectively enhanced pyruvic acid production. Thus, deletion of ldhA and frd has been established and is an important process necessary to increase the flow of glucose to pyruvate under anaerobic conditions in E. coli.

グルコース由来のギ酸依存性H生産の収量および合成速度は、ピルビン酸生産を高めると、すでに特徴づけられたものと同じ削除、すなわち、遺伝子frdおよびldhAの削除によって高められることが、近年、見出された(Yoshida et al., 2006)。 Yield and rate of synthesis of formic acid-dependent H 2 production from glucose, increasing the pyruvate production, already the same deletion as being characterized, i.e., be enhanced by deletion of the gene frd and ldhA, in recent years, see (Yoshida et al., 2006).

生産用の既存の株を用いるにあたって大きな問題点は、最も有望なH生産微生物は、(1)33%未満(グルコース中の水素原子1モル当たりのモルH)しか生産せず、(2)遺伝学的に扱いやすくない、または遺伝子操作しやすくない、および(3)一定の、限られた基質特異性を持つH経路を発現する。例えば、我々の知る限り、大腸菌K−12は、ギ酸依存性H合成のみ可能であり、潜在的なH生産は、わずか16%(グルコース中の水素原子1モル当たりのモルH)に完全に制約される。そのうえ、Sawers(2005)およびYoshidaら(2007)に記述されているように、大腸菌K−12でのPFL経路およびFHL経路の誘導は、特定環境条件に応じた、高度に複雑な制御の対象となっている。従って、大腸菌において、PFL/FHL経路を、多くのクロストリジウム属菌(Clostridium spp.)に存在するもののように、使用者が完全に制御するピルビン酸依存性H合成経路に置き換えることによって、生産コストが減少し、大腸菌によるバイオ水素の生産の全体的なプロセス速度が増加することが期待されている。 The major problem in using existing strains for H 2 production is that the most promising H 2 producing microorganisms are (1) producing less than 33% (mole H 2 per mole of hydrogen atoms in glucose), (2) not easily genetically treatment, or a gene not easy operation, and (3) expressing of H 2 routes with fixed, limited substrate specificity. For example, to the best of our knowledge, E. coli K-12 is only capable of formic acid-dependent H 2 synthesis, with a potential H 2 production of only 16% (mole H 2 per mole of hydrogen in glucose). Fully constrained. Moreover, as described in Sawers (2005) and Yoshida et al. (2007), induction of the PFL and FHL pathways in E. coli K-12 is subject to highly complex control targets depending on specific environmental conditions. It has become. Thus, by replacing the PFL / FHL pathway in E. coli with a pyruvate-dependent H 2 synthesis pathway that is fully controlled by the user, such as that present in many Clostridium spp. Is expected to decrease and increase the overall process speed of biohydrogen production by E. coli.

US 2004/0152159 AUS 2004/0152159 A

Alam et al., J Bacteriol. 1989 November; 171(11): 6213-6217Alam et al., J Bacteriol. 1989 November; 171 (11): 6213-6217 Axley et al, 1990, J Biol Chem. 1990 Oct 25;265(30):18213-8Axley et al, 1990, J Biol Chem. 1990 Oct 25; 265 (30): 18213-8 Blaschkowski et al. (1982) Eur. J. Biochem. 123, 563-569Blaschkowski et al. (1982) Eur. J. Biochem. 123, 563-569 Causey et al., Proc Natl Acad Sci USA. February 4, 2003, vol. 100, no. 3, 825-832Causey et al., Proc Natl Acad Sci USA. February 4, 2003, vol. 100, no. 3, 825-832 Causey et al., Proc Natl Acad Sci USA. February 24, 2004 vol. 101 no. 8 2235-2240Causey et al., Proc Natl Acad Sci USA. February 24, 2004 vol. 101 no. 8 2235-2240 Hasona et al., JOURNAL OF BACTERIOLOGY Vol. 186, No. 22, Nov. 2004, p. 7593-7600Hasona et al., JOURNAL OF BACTERIOLOGY Vol. 186, No. 22, Nov. 2004, p. 7593-7600 Ma et al (1997) Ma et al., Proc Natl Acad Sci USA. 1997 Sep 2;94(18): 9608-13Ma et al (1997) Ma et al., Proc Natl Acad Sci USA. 1997 Sep 2; 94 (18): 9608-13 Pieulle et al., JOURNAL OF BACTERIOLOGY, Oct. 1997, p. 5684-5692Pieulle et al., JOURNAL OF BACTERIOLOGY, Oct. 1997, p. 5684-5692 Sawers, Biochemical Society Transactions (2005) Volume 33, part 1, 42-46Sawers, Biochemical Society Transactions (2005) Volume 33, part 1, 42-46 Wagner et al, 1992; Proc Natl Acad Sci U S A. 1992 Feb 1;89(3):996-1000.Wagner et al, 1992; Proc Natl Acad Sci U S A. 1992 Feb 1; 89 (3): 996-1000. Wahl et al., J Biol Chem. 1987 Aug 5;262(22):10489-96Wahl et al., J Biol Chem. 1987 Aug 5; 262 (22): 10489-96 Yoshida et al. APPLIED AND ENVIRONMENTAL MICROBIOLOGY, Nov. 2005, p. 6762-6768Yoshida et al. APPLIED AND ENVIRONMENTAL MICROBIOLOGY, Nov. 2005, p. 6762-6768 Yoshida et al., Appl Microbiol Biotechnol (2006) 73: 67-72Yoshida et al., Appl Microbiol Biotechnol (2006) 73: 67-72 Yoshida et al., Appl. Microbiol. Biotechnol. (2007) 74; 754-760Yoshida et al., Appl. Microbiol. Biotechnol. (2007) 74; 754-760 Akhtar, M. K., and Jones, P. R. (In Press) Engineering of a synthetic hydF-hydE-hydG-hydA operon for biohydrogen production, Anal Biochem.Akhtar, M. K., and Jones, P. R. (In Press) Engineering of a synthetic hydF-hydE-hydG-hydA operon for biohydrogen production, Anal Biochem. Baba, T., Ara, T., Hasegawa, M., Takai, Y., Okumura, Y., Baba, M., et al. (2006) Construction of Escherichia coli K-12 in-frame, single-gene knockout mutants: the Keio collection, Mol Syst Biol 2: 2006 0008.Baba, T., Ara, T., Hasegawa, M., Takai, Y., Okumura, Y., Baba, M., et al. (2006) Construction of Escherichia coli K-12 in-frame, single-gene knockout mutants: the Keio collection, Mol Syst Biol 2: 2006 0008. Datsenko, K. A., and Wanner, B. L. (2000) One-step inactivation of chromosomal genes in Escherichia coli K-12 using PCR products, Proc Natl Acad Sci U S A 97: 6640-6645.Datsenko, K. A., and Wanner, B. L. (2000) One-step inactivation of chromosomal genes in Escherichia coli K-12 using PCR products, Proc Natl Acad Sci U S A 97: 6640-6645. Miller, J. H. (1972) Experiments in Molecular Genetics. Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, N.Y.Miller, J. H. (1972) Experiments in Molecular Genetics. Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, N.Y.

従って、本発明の目的は、微生物による、Hの増加した生産の方法を提供することである。本発明の他の目的は、Hの増加した生産を有する微生物を提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for increased production of H 2 by microorganisms. Another object of the present invention is to provide a microorganism having an increased production of H 2.

本発明者らは、鋭意研究の結果、フェレドキシン/フラボドキシン依存性ヒドロゲナーゼおよびフェレドキシン/フラボドキシンを生産する微生物のH生産が、ピルビン酸:フラボドキシン/フェレドキシン酸化還元酵素をコードする外来の遺伝子を導入することによって、増加することを見出し、本発明を完成した。 The present invention intensively studied, H 2 produced by microorganisms to produce ferredoxin / flavodoxin dependent hydrogenase and ferredoxin / flavodoxin, pyruvate: introducing a foreign gene encoding a flavodoxin / ferredoxin oxidoreductase As a result, the present invention was completed.

すなわち、本発明は、少なくとも1種の微生物を、吸収可能な炭水化物および吸収可能な窒素源を含む培養培地で培養し、それによって水素ガスを生成する工程であって、前記微生物は、フェレドキシン/フラボドキシン依存ヒドロゲナーゼおよびフェレドキシン/フラボドキシンを生産し、前記微生物は、ピルビン酸:フラボドキシン/フェレドキシン酸化還元酵素の酵素活性を持つタンパク質の生産が増加するように遺伝子操作され、前記微生物は前記培養培地中の前記炭水化物を吸収すると同時に水素ガスを生成することができる工程;および生成した水素ガスを回収する工程を含む、水素ガスの生産方法を提供する。   That is, the present invention is a step of culturing at least one microorganism in a culture medium containing an absorbable carbohydrate and an absorbable nitrogen source, thereby generating hydrogen gas, wherein the microorganism is ferredoxin / flavodoxin Producing a dependent hydrogenase and ferredoxin / flavodoxin, wherein the microorganism is genetically engineered to increase production of a protein having the enzymatic activity of pyruvate: flavodoxin / ferredoxin oxidoreductase, the microorganism being the carbohydrate in the culture medium A method of producing hydrogen gas, comprising: a step of absorbing hydrogen and simultaneously producing hydrogen gas; and a step of recovering the produced hydrogen gas.

本発明はまた、フェレドキシン/フラボドキシン依存ヒドロゲナーゼおよびフェレドキシン/フラボドキシンを生産する微生物であって、前記微生物は、ピルビン酸:フラボドキシン/フェレドキシン酸化還元酵素の酵素活性を持つタンパク質の生産が増加するように遺伝子操作され、前記微生物は、培養培地中の炭水化物を吸収すると同時に水素ガスを生成することができる微生物を提供する。   The present invention also provides a microorganism that produces ferredoxin / flavodoxin-dependent hydrogenase and ferredoxin / flavodoxin, wherein the microorganism is genetically engineered to increase production of proteins having the enzyme activity of pyruvate: flavodoxin / ferredoxin oxidoreductase. The microorganism provides a microorganism capable of absorbing hydrogen in the culture medium and simultaneously generating hydrogen gas.

本発明によって、Hの増加した生産を可能にする微生物によるH生産の新規な方法、およびそのために用いられる新規微生物が提供された。本発明の方法によって、H生産が高められるので、本発明は、環境への影響が最小限で、移動用及び定置用の両用途において有望な次世代エネルギー媒体であるHの生産に貢献するであろう。 The present invention, a novel method of H 2 production by microorganisms to allow for increased production of H 2, and a novel microorganism used for the is provided. Since the method of the present invention enhances H 2 production, the present invention contributes to the production of H 2 , a promising next-generation energy medium in both mobile and stationary applications, with minimal environmental impact. Will do.

図1は、実施例で用いたpCDF−FEGAFdxベクターの関連部分の構造を、水素が生産される代謝経路とともに示す。FIG. 1 shows the structure of the relevant portion of the pCDF-FEGAFdx vector used in the Examples, along with the metabolic pathway through which hydrogen is produced. 図2は、実施例で調製した大腸菌BL21(DE3)形質転換体による、培養培地の上部の空間中のH濃度(v/v%)に換算した経時的なH生産を、対照形質転換体によるH生産とともに示す。FIG. 2 shows the control transformation of H 2 production over time converted to H 2 concentration (v / v%) in the upper space of the culture medium by the E. coli BL21 (DE3) transformant prepared in the example. Shown with H 2 production by the body. 図3は、iscR遺伝子を欠損したものを含めた様々な微生物によって生産されたHの量を示す。FIG. 3 shows the amount of H 2 produced by various microorganisms, including those lacking the iscR gene.

この明細書および添付の請求項において、単数形「a」および「an」、並びに「the」は、文脈上、そうでないことが明らかでない限り、複数形の照応も含むということに注意すべきである。従って、例えば、「a microorganism(微生物)」は、複数のそのような微生物を含む。また、「a nitrogen source(窒素源)」は、1つまたはそれ以上の窒素源を含む。   It should be noted that in this specification and the appended claims, the singular forms “a” and “an”, and “the” include plural referents unless the context clearly dictates otherwise. is there. Thus, for example, “a microorganism” includes a plurality of such microorganisms. Also, “a nitrogen source” includes one or more nitrogen sources.

本発明は、フェレドキシン/フラボドキシン依存性ヒドロゲナーゼおよびフェレドキシン/フラボドキシンを生産する微生物のH生産が、ピルビン酸:フラボドキシン/フェレドキシン酸化還元酵素の酵素活性を有するタンパク質の生産を増加することによって、増加するという知見に基づいている。 The present invention, ferredoxin / flavodoxin dependent hydrogenase and H 2 produced by microorganisms to produce ferredoxin / flavodoxin, pyruvate: by increasing the production of proteins with flavodoxin / ferredoxin oxidoreductase enzyme activity, of increasing Based on knowledge.

従って、本発明の方法で用いられる微生物は、ピルビン酸:フラボドキシン/フェレドキシン酸化還元酵素の酵素活性を有するタンパク質の生産が増加するように遺伝子操作されたものであるということを特徴とする。そのタンパク質は、好ましくは、フェレドキシンまたはフラボドキシンの還元と共に同時に起こるピルビン酸の酸化によって定義される、ピルビン酸:フェレドキシン酸化還元酵素の酵素活性を有する。本発明者らは、フェレドキシン/フラボドキシン依存性ヒドロゲナーゼおよびフェレドキシン/フラボドキシンを天然に生産し、培養培地中の炭水化物を吸収すると同時に水素ガスを生産することができる微生物、例えば、大腸菌(Escherichia coli)のH生産は、ピルビン酸:フラボドキシン/フェレドキシン酸化還元酵素(以下、略して「YBDK」ともいう)の生産を増加することによって高められ得ることを見出した。「YBDKの酵素活性を有するタンパク質の生産を増加する」とは、微生物が遺伝子操作を施す以前は、そのタンパク質を生産しない場合、および、微生物が遺伝子操作を施す前から、そのタンパク質を生産し、遺伝子操作後、その生産が増加する場合を含む。 Therefore, the microorganism used in the method of the present invention is characterized in that it is genetically engineered to increase production of a protein having the enzyme activity of pyruvate: flavodoxin / ferredoxin oxidoreductase. The protein preferably has an enzyme activity of pyruvate: ferredoxin oxidoreductase, defined by pyruvate oxidation concomitant with the reduction of ferredoxin or flavodoxin. The inventors have naturally produced ferredoxin / flavodoxin-dependent hydrogenase and ferredoxin / flavodoxin, which absorbs carbohydrates in the culture medium and at the same time produces hydrogen gas, such as H. of Escherichia coli. 2 It has been found that production can be enhanced by increasing the production of pyruvate: flavodoxin / ferredoxin oxidoreductase (hereinafter also referred to as “YBDK” for short). “Increasing the production of a protein having the enzymatic activity of YBDK” means that the protein is produced before the microorganism performs genetic manipulation, and before the microorganism performs genetic manipulation, This includes cases where production increases after genetic manipulation.

YBDKの酵素活性を有するタンパク質の生産を増加するための遺伝子操作は、タンパク質の生産を増加する遺伝子操作のいずれでもよい。好ましくは、遺伝子操作は、そのタンパク質をコードする遺伝子(外来性の遺伝子)を含む組み換えベクターの1個またはそれ以上のコピーを細胞に導入し、外来性の遺伝子を発現することによって実施される。YBDKのアミノ酸配列およびYBDKをコードする塩基配列は周知であるので、そのような遺伝子操作は、当業者ならば容易に実施し得る。   The genetic manipulation for increasing the production of the protein having the enzyme activity of YBDK may be any genetic manipulation for increasing the production of the protein. Preferably, the genetic manipulation is performed by introducing one or more copies of a recombinant vector containing a gene encoding the protein (foreign gene) into a cell and expressing the exogenous gene. Since the amino acid sequence of YBDK and the base sequence encoding YBDK are well known, such genetic manipulation can be easily performed by those skilled in the art.

より具体的に、大腸菌のピルビン酸:フラボドキシン酸化還元酵素のアミノ酸配列およびその遺伝子の塩基配列は、ジェンバンク受託番号(GenBank accession No.)AAC74460に示されている。該アミノ酸配列および塩基配列は、また、配列表の配列番号1に示されている。クロストリジウム・アセトブチリクム(Clostridium acetobutylicum)、肺炎杆菌(Klebsiella pneumoniae)、サーモトガ・マリティマ(Thermotoga maritima)、デスルホビブリオ・アフリカヌス(Desulfovibrio africanus)のピルビン酸:フラボドキシン・フェレドキシン酸化還元酵素のアミノ酸配列およびその遺伝子の塩基配列は、それぞれ、ジェンバンク受託番号CAC2499、CAC2229(同様に、クロストリジウム・アセトブチリクム(C. acetobutylicum)),X13109,X85171,Y09702に示されている。   More specifically, the amino acid sequence of pyruvate: flavodoxin oxidoreductase of E. coli and the base sequence of the gene are shown in GenBank accession No. AAC74460. The amino acid sequence and base sequence are also shown in SEQ ID NO: 1 in the sequence listing. Clostridium acetobutylicum, Klebsiella pneumoniae, Thermotoga maritima, Desulfovibrio africanus pyruvate: Flavodoxine and ferredoxin oxidoreductase The base sequences are shown in Genbank accession numbers CAC2499 and CAC2229 (also C. acetobutylicum), X13109, X85171, and Y09702, respectively.

宿主微生物の種にとって天然のYBDKをコードする遺伝子を導入することが好ましい。従って、例えば、宿主微生物が、大腸菌の場合、大腸菌のYBDKをコードする遺伝子、すなわち、配列番号1に示される塩基配列をもつ遺伝子を導入することが好ましい。しかし、YBDKの酵素活性を有するタンパク質をコードする(そのようなタンパク質は、便宜上、以下、「修飾YBDK」ともいう)、すなわち、フェレドキシンまたはフラボドキシンのいずれかを還元すると同時にピルビン酸の酸化を触媒することができる、いかなるタンパク質をコードするいかなる遺伝子を用いてもよい。そのようなタンパク質は、好ましくは、YBDKのアミノ酸配列に90%以上の相同性をもつアミノ酸配列を有するものがよく、より好ましくは95%以上の相同性を、さらに好ましくは98%以上の相同性をもつものがよい。よって、宿主微生物が大腸菌の場合、配列番号2に示されるアミノ酸配列に90%以上、好ましくは95%以上、さらに好ましくは98%以上の相同性をもつアミノ酸配列をコードする遺伝子を、コードされたタンパク質がYBDKの酵素活性をもつ限り、大腸菌細胞に好ましくは導入し得る。ここでアミノ酸配列の「相同性」という用語は、一致するアミノ酸残基の数が最大となるように(必要に応じてギャップを挿入する)、2つのアミノ酸配列を並べ、一致したアミノ酸残基の数を完全長の配列のアミノ酸残基(2つの配列間で全アミノ酸残基の数が異なる場合、長い方のアミノ酸残基)の数で除することよって求めた値を意味する。そのような相同性の計算は、BLASTのような周知のソフトウェアによって容易に入手し得る。   It is preferred to introduce a gene encoding YBDK that is native to the species of the host microorganism. Therefore, for example, when the host microorganism is Escherichia coli, it is preferable to introduce a gene encoding YBDK of Escherichia coli, that is, a gene having the base sequence shown in SEQ ID NO: 1. However, it encodes a protein having the enzymatic activity of YBDK (such protein is hereinafter also referred to as “modified YBDK” for convenience), that is, it reduces either ferredoxin or flavodoxin and simultaneously catalyzes the oxidation of pyruvate Any gene encoding any protein that can be used may be used. Such a protein preferably has an amino acid sequence having 90% or more homology with the amino acid sequence of YBDK, more preferably 95% or more, and even more preferably 98% or more. The one with is good. Therefore, when the host microorganism is Escherichia coli, a gene encoding an amino acid sequence having a homology of 90% or more, preferably 95% or more, more preferably 98% or more to the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2 was encoded. As long as the protein has the enzyme activity of YBDK, it can be preferably introduced into E. coli cells. Here, the term “homology” of amino acid sequences means that two amino acid sequences are aligned so that the number of matching amino acid residues is maximized (a gap is inserted if necessary). It means a value obtained by dividing the number by the number of amino acid residues of the full-length sequence (the longer amino acid residue when the total number of amino acid residues differs between the two sequences). Such homology calculations can be readily obtained by well-known software such as BLAST.

タンパク質が、ピルビン酸:フラボドキシン酸化還元酵素の酵素活性を有するか否かは、例えば、ピルビン酸:フェレドキシン/フラボドキシン酸化還元酵素、ピルビン酸、CoA、MgCl、チアミンピロ燐酸、適切なフェレドキシンまたはフラボドキシン、同一の電子の受容体/供与体(すなわち、フェレドキシンまたはフラボドキシン)に対する特異性をもつヒドロゲナーゼを、適切なバッファー中に、完全な嫌気条件下で含む、酵素アッセイによって決定され得る。最終反応混合物の上部の空間中を、H生産についてモニターする。または、ヒドロゲナーゼを除いて、前述と同じ反応混合物を用いて、酸化された電子受容体/供与体に対する還元された電子受容体/供与体の割合を、紫外分光光度法(各タンパク質によって決められた吸光度で)によりモニターしてもよく、レポーター分子であるメトロニダゾールを還元する能力(吸光度320nm)、若しくは、酸化されたメチルビオロゲンまたは酸化されたベンジルビオロゲンを、フェレドキシンおよびフラボドキシンの非存在下で還元することによって(吸光度604nm)モニターしてもよい。この酵素アッセイのより具体的な条件は、例えば、次の通りであり得る。(1〜5μgのpCDOPFEGA(後述)をもつBL21(DE3)の各粗溶解物、試験対象のタンパク質を発現するプラスミド、組み換えフェレドキシンまたはフラボドキシンを発現することができるプラスミド、100mM Tris−HCl(pH7.5)、20mM ピルビン酸、0.5mM CoA、0.5mM チアミンピロ燐酸、0.5mM MgClを含む反応混合物を、ブチルゴム栓で密閉した血清瓶に、完全嫌気条件下で、集める。反応を、37C(150rpm)で1〜4時間インキュベートし、後述のように、上部の空間をHについて分析する。 Whether the protein has pyruvate: flavodoxin oxidoreductase enzymatic activity is, for example, pyruvate: ferredoxin / flavodoxin oxidoreductase, pyruvate, CoA, MgCl 2 , thiamine pyrophosphate, appropriate ferredoxin or flavodoxin, identical A hydrogenase with specificity for an electron acceptor / donor (ie, ferredoxin or flavodoxin) can be determined by an enzyme assay in a suitable buffer under fully anaerobic conditions. Through the space above the final reaction mixture are monitored for H 2 production. Alternatively, with the exception of hydrogenase, the same reaction mixture as described above was used to determine the ratio of reduced electron acceptor / donor to oxidized electron acceptor / donor (as determined by each protein). The ability to reduce the reporter molecule metronidazole (absorbance 320 nm), or reduced oxidized methylviologen or oxidized benzylviologen in the absence of ferredoxin and flavodoxin (Absorbance 604 nm) may be monitored. More specific conditions for this enzyme assay can be, for example, as follows. (Each crude lysate of BL21 (DE3) with 1-5 μg of pCDOPFEGA (described below), a plasmid expressing the protein to be tested, a plasmid capable of expressing recombinant ferredoxin or flavodoxin, 100 mM Tris-HCl (pH 7.5) ), 20 mM pyruvate, 0.5 mM CoA, 0.5 mM Chiaminpiro phosphate, a reaction mixture containing 0.5 mM MgCl 2, serum bottle was sealed with a butyl rubber stopper, a fully anaerobic conditions, collected. the reaction, 37 o Incubate at C (150 rpm) for 1-4 hours and analyze the upper space for H 2 as described below.

天然のタンパク質を構成する20種のアミノ酸は、同じ特性をもつグループにグループ分けされ得ることが知られている。すなわち、例えば、極性の低い側鎖をもつ中性アミノ酸(グリシン(Gly)、イソロイシン(Ile)、バリン(Val)、ロイシン(Leu)、アラニン(Ala)、メチオニン(Met)、プロリン(Pro))、親水性の側鎖をもつ中性アミノ酸(アスパラギン(Asn)、グルタミン(Gln)、トレオニン(Thr)、セリン(Ser)、チロシイ(Tyr)、システイン(Cys))、酸性アミノ酸(アスパラギン酸(Asp)、グルタミン酸(Glu))、塩基性アミノ酸(アルギニン(Arg)、リシン(Lys)、ヒスチジン(His))および芳香族アミノ酸(フェニルアラニン(Phe)、チロシン(Tyr)、トリプトファン(Trp))である。アミノ酸を他のアミノ酸に置換するとき、タンパク質の特性は、アミノ酸が同じグループ内のアミノ酸に置換するならば、あまり変化しないことが多い。従って、修飾したYBDKをコードする遺伝子を微生物に導入する場合、修飾したYBDKは、好ましくは、1つまたはそれ以上のアミノ酸の置換を有し、各置換が同じグループ内で行われたものがよい。   It is known that the 20 amino acids that make up a natural protein can be grouped into groups with the same properties. That is, for example, neutral amino acids having a low polarity side chain (glycine (Gly), isoleucine (Ile), valine (Val), leucine (Leu), alanine (Ala), methionine (Met), proline (Pro)) , Neutral amino acids having a hydrophilic side chain (asparagine (Asn), glutamine (Gln), threonine (Thr), serine (Ser), tyrosi (Tyr), cysteine (Cys)), acidic amino acids (aspartic acid (Asp) ), Glutamic acid (Glu)), basic amino acids (arginine (Arg), lysine (Lys), histidine (His)) and aromatic amino acids (phenylalanine (Phe), tyrosine (Tyr), tryptophan (Trp)). When replacing an amino acid with another amino acid, the properties of the protein often do not change much if the amino acid replaces an amino acid within the same group. Therefore, when introducing a gene encoding a modified YBDK into a microorganism, the modified YBDK preferably has one or more amino acid substitutions, each substitution made within the same group. .

ybdK遺伝子の塩基配列は公知であり、ybdKk遺伝子の源は公知で入手可能であり、また、外来の遺伝子を微生物に導入するための発現ベクターは周知で、市販されているので、YBDK(遺伝子は、便宜上、以下「ybdK遺伝子」ともいう)または修飾YBDKをコードする遺伝子を含む組み換えベクターの構築は当業者ならば容易に実行し得る。より具体的に、組み換えベクターは、ybdk遺伝子を調製し、ybdk遺伝子を発現ベクターのマルチクローニングサイトに挿入することによって、構築され得る。ybdK遺伝子は、ybdK遺伝子を有する微生物のゲノムから単離し得る。必要に応じて、ybdK遺伝子は、ybdK遺伝子を有する微生物のゲノムを鋳型として用いて、PCRなどにより増幅し、増幅産物を、発現ベクターに挿入し得る。この場合、ybdK遺伝子の塩基配列は公知であるので、PCR用のプライマーは容易に調製し得る。   Since the base sequence of the ybdK gene is known, the source of the ybdKk gene is known and available, and expression vectors for introducing foreign genes into microorganisms are well known and commercially available. For convenience, a recombinant vector containing a gene encoding a modified YBDK can be easily carried out by those skilled in the art. More specifically, a recombinant vector can be constructed by preparing a ybdk gene and inserting the ybdk gene into the multicloning site of the expression vector. The ybdK gene can be isolated from the genome of a microorganism having the ybdK gene. If necessary, the ybdK gene can be amplified by PCR or the like using the genome of the microorganism having the ybdK gene as a template, and the amplified product can be inserted into an expression vector. In this case, since the base sequence of the ybdK gene is known, PCR primers can be easily prepared.

構築されたybdK遺伝子を含む組み換えベクターは、当分野では周知の方法、例えば塩化カルシウム法などによって、微生物細胞に導入し得る。発現ベクターのもつ選択マーカーを利用して選択した後、組み換えベクターが導入された微生物細胞が得られる。こうして得られた形質転換体から、YBDKを生産するものを選択し、クローンする。その後、クローンした微生物細胞を培養し、増幅した細胞を、本発明の方法に用い得る。   The recombinant vector containing the constructed ybdK gene can be introduced into a microbial cell by a method well known in the art, such as the calcium chloride method. After selection using the selection marker of the expression vector, a microbial cell into which the recombinant vector has been introduced is obtained. From the transformants thus obtained, those that produce YBDK are selected and cloned. Thereafter, the cloned microbial cells are cultured and the amplified cells can be used in the method of the present invention.

前述の遺伝子操作により、宿主微生物によるYBDKまたは修飾したYBDKの生産が増加し、次いで宿主微生物によるH生産が、向上する。 The aforementioned genetic manipulation increases the production of YBDK or modified YBDK by the host microorganism, and then improves H 2 production by the host microorganism.

本発明の方法に用いられる微生物は、フェレドキシン/フラボドキシン依存性ヒドロゲナーゼおよびフェレドキシン/フラボドキシンを生産するものでもある。「フェレドキシン/フラボドキシン」という語は、フェレドキシンおよび/またはフラボドキシンを意味する。従って、「フェレドキシン/フラボドキシン依存性ヒドロゲナーゼ」という語は、「フェレドキシン依存性ヒドロゲナーゼおよび/またはフラボドキシン依存性ヒドロゲナーゼ」を意味する。   The microorganism used in the method of the present invention is also one that produces ferredoxin / flavodoxin-dependent hydrogenase and ferredoxin / flavodoxin. The term “ferredoxin / flavodoxin” means ferredoxin and / or flavodoxin. Thus, the term “ferredoxin / flavodoxin-dependent hydrogenase” means “ferredoxin-dependent hydrogenase and / or flavodoxin-dependent hydrogenase”.

フェレドキシンおよびフラボドキシンは、電子供与体として働く周知のタンパク質であり、そのアミノ酸配列およびそのタンパク質をコードする遺伝子の塩基配列は公知である。例えば、クロストリジウム・パスツリアヌム(Clostridium pastuerianum)、クロストリジウム・アセトブチリクム、および大腸菌のフェレドキシンのアミノ酸配列およびフェレドキシンをコードする遺伝子の塩基配列は、ぞれぞれ、ジェンバンク受託番号M11214、CAC0075、CAC3621、CAC0105、CAC0303、CAC3527(CACが前に付く受託番号はすべてクロストリジウム・アセトブチリクムからである)、yfhL(NP_417057)、fdx(ECK2522)に示されている。クロストリジウム・アセトブチリクム、および大腸菌のフラボドキシンのアミノ酸配列およびフラボドキシンをコードする遺伝子の塩基配列は、それぞれ、ジェンバンク受託番号CAC0203、CAC0587、CAC2452、CAC3417(CACが前に付く受託番号はすべてクロストリジウム・アセトブチリクムからである)、fldA(B0684)、fldB (B2895)(fld前に付く受託番号はすべて大腸菌からである)に示されている。   Ferredoxin and flavodoxin are well-known proteins that act as electron donors, and their amino acid sequences and the base sequences of genes encoding the proteins are known. For example, the amino acid sequence of Clostridium pasteurianum, Clostridium acetobutylicum, and E. coli ferredoxin and the nucleotide sequence of the gene encoding ferredoxin are Genbank accession numbers M11214, CAC0075, CAC3621, CAC0303, CAC0303, respectively. CAC3527 (all accession numbers prefixed by CAC are from Clostridium acetobutylicum), yfhL (NP — 417057), fdx (ECK2522). The amino acid sequence of Clostridium acetobutylicum and the flavodoxin amino acid sequence of Escherichia coli and the nucleotide sequence of the gene encoding flavodoxin are Genbank accession numbers CAC0203, CAC0587, CAC2452, CAC3417 (all accession numbers preceded by CAC are from Clostridium acetobutylicum. Yes), fldA (B0684), fldB (B2895) (all accession numbers preceding fld are from E. coli).

フェレドキシン依存性ヒドロゲナーゼおよびフラボドキシン依存性ヒドロゲナーゼは、ヒドロゲナーゼとして働くとき、フェレドキシンおよび/またはフラボドキシンから電子を受け取るヒドロゲナーゼである。フェレドキシン依存性ヒドロゲナーゼおよびフラボドキシン依存性ヒドロゲナーゼも、また周知である。例えば、クロストリジウム・アセトブチリクム、クロストリジウム・パスツリアヌム、メタノサルシナ・バーケリ(Methanosarcina barkeri)およびサーモアナエロバクター・テングコンゲンシス(Thermoanaerobacter tengcongensis)のフェレドキシン/フラボドキシン依存性ヒドロゲナーゼのアミノ酸配列およびフェレドキシン依存性ヒドロゲナーゼをコードする遺伝子の塩基配列は、ぞれぞれ、ジェンバンク受託番号U15277(CAC3230)、AAA23248、Y16191、およびTTE0123とTTE0134の間の全ての遺伝子に示されている。   Ferredoxin-dependent hydrogenases and flavodoxin-dependent hydrogenases are hydrogenases that receive electrons from ferredoxin and / or flavodoxin when acting as hydrogenases. Ferredoxin-dependent hydrogenases and flavodoxin-dependent hydrogenases are also well known. For example, the ferredoxin / flavodoxin-dependent amino acid-dependent hydroferdoxin-dependent amino acid and ferrododoxin-dependent amino acid sequences of Clostridium acetobutylicum, Clostridium pasturianum, Methanosarcina barkeri and Thermoanaerobacter tengcongensis The nucleotide sequences are shown in Genbank accession number U15277 (CAC3230), AAA23248, Y16191, and all genes between TTE0123 and TTE0134, respectively.

また、フェレドキシン/フラボドキシンは、天然フェレドキシン/フラボドキシン、組み換えフェレドキシン/フラボドキシンのいずれでもよい。組み換えフェレドキシン/フラボドキシンを生産する、遺伝子操作された微生物を用いる場合、そのような微生物は、それ自身が、当技術分野において周知である従来の遺伝子操作技術によって当業者ならば容易に調製することができる。前述のように、フェレドキシン/フラボドキシン遺伝子の塩基配列およびその遺伝子を天然に含む微生物は公知であり、外来の遺伝子を微生物宿主細胞に発現するための多くの発現ベクターが市販されているので、組み換えフェレドキシン/フラボドキシンは、フェレドキシン/フラボドキシンを発現ベクターに挿入し、得られた組み換えベクターを微生物宿主細胞に導入することによって生産し得る。   Ferredoxin / flavodoxin may be either natural ferredoxin / flavodoxin or recombinant ferredoxin / flavodoxin. When using genetically engineered microorganisms that produce recombinant ferredoxin / flavodoxin, such microorganisms can be readily prepared by those skilled in the art by conventional genetic engineering techniques that are themselves well known in the art. it can. As described above, since the base sequence of ferredoxin / flavodoxin gene and microorganisms naturally containing the gene are known and many expression vectors for expressing foreign genes in microbial host cells are commercially available, recombinant ferredoxin / Flavodoxin can be produced by inserting ferredoxin / flavodoxin into an expression vector and introducing the resulting recombinant vector into a microbial host cell.

フェレドキシン/フラボドキシン依存性ヒドロゲナーゼもまた、天然のフェレドキシン/フラボドキシン依存性ヒドロゲナーゼでもよく、または組み換えフェレドキシン/フラボドキシン依存性ヒドロゲナーゼいずれでもよい。組み換えフェレドキシン/フラボドキシン依存性ヒドロゲナーゼを生産する、遺伝子操作された微生物を用いる場合、そのような微生物は、それ自身が、当技術分野において周知である従来の遺伝子操作技術によって当業者ならば容易に調製することができる。前述のように、フェレドキシン/フラボドキシン依存性ヒドロゲナーゼ遺伝子の塩基配列およびその遺伝子を天然に含む微生物は、周知であり、外来の遺伝子を微生物宿主細胞に発現するための多くの発現ベクターが市販されているので、組み換えフェレドキシン/フラボドキシン依存性ヒドロゲナーゼは、フェレドキシン/フラボドキシン依存性ヒドロゲナーゼを発現ベクターに挿入し、得られた組み換えベクターを微生物宿主細胞に導入することによって生産し得る。   The ferredoxin / flavodoxin-dependent hydrogenase may also be a natural ferredoxin / flavodoxin-dependent hydrogenase or a recombinant ferredoxin / flavodoxin-dependent hydrogenase. When using genetically engineered microorganisms that produce recombinant ferredoxin / flavodoxin-dependent hydrogenases, such microorganisms are readily prepared by one of ordinary skill in the art by conventional genetic engineering techniques that are well known in the art. can do. As described above, the base sequence of the ferredoxin / flavodoxin-dependent hydrogenase gene and the microorganism naturally containing the gene are well known, and many expression vectors for expressing foreign genes in microbial host cells are commercially available. Thus, recombinant ferredoxin / flavodoxin-dependent hydrogenase can be produced by inserting the ferredoxin / flavodoxin-dependent hydrogenase into an expression vector and introducing the resulting recombinant vector into a microbial host cell.

フェレドキシン/フラボドキシンおよびフェレドキシン/フラボドキシン依存性ヒドロゲナーゼに関して、上で説明したYBDKと同様に、フェレドキシン、フラボドキシン、フェレドキシン依存性ヒドロゲナーゼおよびフラボドキシン依存性ヒドロゲナーゼの活性を有する修飾タンパク質をそれぞれコードする遺伝子を用い得る。そのような修飾タンパク質は、好ましくは、相当する天然のタンパク質のアミノ酸配列に90%以上、より好ましくは95%以上、さらに好ましくは98%以上の相同性をもつアミノ酸配列を有する。「相同性」という語の定義は、修飾YBDKを説明するセクションで前述されているのと同様である。同様に、修飾YBDKを説明するセクションで前述されている、アミノ酸のグループ化およびアミノ酸の置換についての説明は、フェレドキシン/フラボドキシンおよびフェレドキシン/フラボドキシン依存性ヒドロゲナーゼの修飾タンパク質にも、等しく適用される。   With respect to ferredoxin / flavodoxin and ferredoxin / flavodoxin-dependent hydrogenase, similar to YBDK described above, genes encoding ferredoxin, flavodoxin, ferredoxin-dependent hydrogenase and modified proteins having flavodoxin-dependent hydrogenase activity can be used, respectively. Such modified proteins preferably have an amino acid sequence that has 90% or more, more preferably 95% or more, and even more preferably 98% or more homology to the amino acid sequence of the corresponding natural protein. The definition of the term “homology” is similar to that described above in the section describing modified YBDK. Similarly, the descriptions of amino acid groupings and amino acid substitutions described above in the section describing modified YBDK apply equally to modified proteins of ferredoxin / flavodoxin and ferredoxin / flavodoxin-dependent hydrogenases.

タンパク質が、フェレドキシンの予期される機能性を有するか否かは、例えば、ヒドロゲナーゼ活性アッセイによって決められ得る。このアッセイでは、嫌気条件下で、適切なバッファー中に、精製フェレドキシン依存性ヒドロゲナーゼ、亜ジチオン酸ナトリウム、フェレドキシンの予期される機能性を有する試験タンパク質を含む反応混合物を反応させ、閉じられた反応容器の気体上部空間を、H生産についてガスクロマトグラフィーによりモニターする。但し、亜ジチオン酸塩およびフェレドキシン依存性ヒドロゲナーゼの還元は、亜ジチオン酸塩によるヒドロゲナーゼの直接還元と同等または大きいものとする。上記のアッセイにおいて、最終反応混合物中にフェレドキシンが含まれているか含まれていないかが、結果としてHの蓄積における統計的な有意差になるはずである。タンパク質が、フラボドキシンの機能性を有するか否かは、例えば、フラボドキシンに特異的なヒドロゲナーゼを用いることを除いて、フェレドキシンと同じ方法によって決められ得る。 Whether a protein has the expected functionality of ferredoxin can be determined, for example, by a hydrogenase activity assay. In this assay, a reaction mixture containing purified ferredoxin-dependent hydrogenase, sodium dithionite, a test protein with the expected functionality of ferredoxin is reacted in an appropriate buffer under anaerobic conditions, and a closed reaction vessel The gas head space is monitored by gas chromatography for H 2 production. However, the reduction of dithionite and ferredoxin-dependent hydrogenase shall be equivalent to or greater than the direct reduction of hydrogenase by dithionite. In the above assay, the presence or absence of ferredoxin in the final reaction mixture should result in a statistically significant difference in H 2 accumulation. Whether a protein has flavodoxin functionality can be determined by the same method as ferredoxin, for example, except that a hydrogenase specific for flavodoxin is used.

このヒドロゲナーゼ活性アッセイのより具体的な条件は、例えば、次の通りである。組み換えヒスチジンタグ付きHydAを次のように発現する。一晩培養したスターター培養を使用して、抗生物質を2%(v/v)で添加したTB培地に播種する。pCDOPFEGHisA(後述)をもつBL21(DE3)を、OD600が0.5〜1に達するまで、好気的(37C、190〜200rpm)にバッチ培養する。培養細胞を、緩くキャップをした遠心管、蓋を閉じた(close−topped)血清瓶にそれぞれ移す。無酸素的に発現するためのOの除去は、99.9995%(v/v)Nを細胞培養に拡散することによって達成された。組み換えタンパク質発現は、IPTG(0.5mM)の添加によって始められる。細胞培養は、17〜21時間、30C/190−200rpmで行った。HydAおよびその成熟タンパク質の発現は、10−14%(v/v)変性SDS−PAGE(Tefco、日本)により、製造者の取扱説明書に従ってSYPRO(登録商標) Orange (Invitrogen、日本)で染色した後、タンパク質のバンドをFujifilm FLA-3000 scannerを用いて可視化し、確認された。 More specific conditions for this hydrogenase activity assay are, for example, as follows. Recombinant histidine-tagged HydA is expressed as follows. An overnight starter culture is used to inoculate TB medium supplemented with antibiotics at 2% (v / v). BL21 (DE3) with pCDOPFEGHisA (described below) is batch cultured aerobically (37 ° C., 190-200 rpm) until OD 600 reaches 0.5-1. The cultured cells are transferred to loosely capped centrifuge tubes and closed-topped serum bottles, respectively. Removal of O 2 for anaerobic expression was achieved by diffusing 99.9995% (v / v) N 2 into the cell culture. Recombinant protein expression is initiated by the addition of IPTG (0.5 mM). Cell culture was performed at 30 ° C / 190-200 rpm for 17-21 hours. Expression of HydA and its mature protein was stained with 10-14% (v / v) denatured SDS-PAGE (Tefco, Japan) with SYPRO® Orange (Invitrogen, Japan) according to the manufacturer's instructions. Later, protein bands were visualized and confirmed using a Fujifilm FLA-3000 scanner.

ヒスチジンタグ付きHydAは次のように精製する。無酸素状態を、すべての調製を、嫌気性チャンバー内(5% H(v/v)、5% CO(v/v)、90%(v/v) N)で行うこと、またはチャンバーの外で密閉血清瓶を用いることによって、維持した。採取された細胞は、Easylyseキット(Epicentre)を用いて溶解した。得られた溶解物を遠心し(10、000g、7分、25C)、150〜300mlの培養細胞から得られた溶解物質を、組み換えタンパク質の精製にために用いた。HydA精製のために、粗可溶化画分を、0.2ml Ni Sepharose(商標)6 Fast Flow (GE Healthcare、日本)を含む1mlのミニカラムに加えた。0.5ml 洗浄バッファー(0.7cmx2cm) (20mM イミダゾール、50mM リン酸カリウムバッファー(pH7.5)で三回洗った。レジンは、短時間遠心(3500rpm、10秒、4C)し、洗浄バッファーを移した。HydAを500μLの溶出バッファー(0.4M イミダゾール、50mM リン酸カリウムバッファー(pH7.5)で溶出した。精製したHydAの量を、変性10%(v/v)SDS−PAGE分析により、測定した。ヒドロゲナーゼアッセイは、次のように行う。50mM リン酸カリウムバッファーを含む血清管にNを拡散し、ブチルゴムセプタムで封をする。ヒスチジンタグの精製HydA(0.1〜2.8μg)、フェレドキシンまたはフラボドキシン(試験タンパク質)およびメチルビオローゲン(最終濃度 2mM)を、ガス拡散したバッファー、および予め37度に平衡化した溶液に加えた。亜ジチオン酸ナトリウム(最終濃度 25mM)の添加により反応を開始した後、容器上部空間の気体組成を、選択された各時点で後述のように分析した。 The histidine-tagged HydA is purified as follows. Anoxia, all preparations are performed in an anaerobic chamber (5% H 2 (v / v), 5% CO 2 (v / v), 90% (v / v) N 2 ), or Maintained by using a closed serum bottle outside the chamber. The collected cells were lysed using an Easylyse kit (Epicentre). The resulting lysate was centrifuged (10,000 g, 7 min, 25 ° C.) and the lysate obtained from 150-300 ml cultured cells was used for purification of the recombinant protein. For HydA purification, the crude solubilized fraction was added to a 1 ml minicolumn containing 0.2 ml Ni Sepharose ™ 6 Fast Flow (GE Healthcare, Japan). 0.5 ml wash buffer (0.7 cm x 2 cm) (20 mM imidazole, 50 mM potassium phosphate buffer (pH 7.5) was washed three times. The resin was centrifuged for a short time (3500 rpm, 10 seconds, 4 ° C) and washed with buffer. HydA was eluted with 500 μL of elution buffer (0.4 M imidazole, 50 mM potassium phosphate buffer (pH 7.5). The amount of purified HydA was determined by denaturation 10% (v / v) SDS-PAGE analysis. The hydrogenase assay is performed as follows: N 2 is diffused into a serum tube containing 50 mM potassium phosphate buffer and sealed with a butyl rubber septum HydA (0.1-2.8 μg purified histidine tag) ), Ferredoxin or flavodoxin (test protein) and methyl Orogen (final concentration 2 mM) was added to the gas diffused buffer and the solution previously equilibrated to 37 ° C. After the reaction was initiated by the addition of sodium dithionite (final concentration 25 mM), the gas composition in the vessel headspace Were analyzed as described below at each selected time point.

タンパク質が、フェレドキシン依存性ヒドロゲナーゼの活性を有するか否かは、例えば、ヒドロゲナーゼの有無もまたテストされることを除いて、フェレドキシンの機能性を決定するために用いた方法と同じ方法で決定し得る。タンパク質が、フラボドキシン依存性ヒドロゲナーゼの活性を有するか否かは、例えば、フラボドキシンに特異性をもつヒドロゲナーゼを用いることを除いて、フェレドキシン依存性ヒドロゲナーゼと同じ方法で決定し得る。   Whether a protein has ferredoxin-dependent hydrogenase activity can be determined in the same manner as used to determine the functionality of ferredoxin, for example, except that the presence or absence of hydrogenase is also tested. . Whether or not a protein has the activity of a flavodoxin-dependent hydrogenase can be determined in the same manner as a ferredoxin-dependent hydrogenase except that, for example, a hydrogenase having specificity for flavodoxin is used.

ybdk遺伝子およびフェレドキシン/フラボドキシンおよび/またはフェレドキシン/フラボドキシン依存性ヒドロゲナーゼをコードする遺伝子は、同じ組み換えベクターに含んでもよいし、または、それら遺伝子を、別々の組み換えベクターに含んで、宿主微生物に、別々の組み換えベクターを共トランスフェクションしてもよい。後者の場合に、3またはそれ以上の遺伝子を宿主に導入するならば、同じベクター中に含まれるべき遺伝子の組み合わせは、特に制限されない。また、3またはそれ以上のベクターも用いられ得る。   The genes encoding the ybdk gene and ferredoxin / flavodoxin and / or ferredoxin / flavodoxin-dependent hydrogenase may be included in the same recombinant vector, or they may be included in separate recombinant vectors and separated into host microorganisms. A recombinant vector may be co-transfected. In the latter case, the combination of genes to be contained in the same vector is not particularly limited as long as 3 or more genes are introduced into the host. Three or more vectors can also be used.

本発明の方法に用い得る微生物として、例えば、大腸菌属(Escherichia)、エンテロバクター属、サッカロマイセス属(Saccharomyces)、サーモトガ属、クロストリジウム属、コリネバクテリウム属(Corynebacterium)からなる群から選ばれる属に属するものが挙げられる。これら属のひとつに属する種として、大腸菌、エンテロバクター・クロアカ(Enterobacter cloacae)、出芽酵母(Saccharomyces cerevisiae)、サーモトガ・ネアポリタナ(Thermotoga neapolitana)、クロストリジウム・サーモセラム(Clostridium thermocellum)、コリネバクテリウム・グルタミクム(Corynebacterium glutamicum)が挙げられる。   Examples of microorganisms that can be used in the method of the present invention belong to a genus selected from the group consisting of Escherichia, Enterobacter, Saccharomyces, Thermotoga, Clostridium, and Corynebacterium. Things. Species belonging to one of these genera include Escherichia coli, Enterobacter cloacae, Saccharomyces cerevisiae, Thermotoga neapolitana, Clostridium thermocellum, Corynebacterium glutamine glutamicum).

生産をさらに向上する目的で、1つまたはそれ以上の遺伝子の削除または破壊のような、更なる遺伝子操作を、微生物に施してもよい。YBDKの生産を増加するための遺伝子操作が微生物に実施される限り、更なる遺伝子操作が施されるいかなる微生物も、本発明の範囲内である。 In order to further improve H 2 production, further genetic manipulations may be performed on the microorganism, such as deletion or disruption of one or more genes. Any microorganism that is subjected to further genetic manipulation is within the scope of the present invention so long as the genetic manipulation is performed on the microorganism to increase the production of YBDK.

例えば、本発明者らにより、iscR遺伝子の削除が本発明の微生物によるH生産を高めることが見出された。従って、上記の微生物iscR遺伝子の削除が好ましい。iscR遺伝子は周知であり、大腸菌のその遺伝子は、ジェンバンク受託番号ECK2528(配列番号3および4)に示されている。iscR遺伝子の欠損変異体の構築は、従来の方法、例えば、DatsenkoおよびWannerにより記載されているプロトコール(Datsenko, K. A., and Wanner, B. L. (2000) One-step inactivation of chromosomal gene in Escherichia coli K-12 using PCR products,Proc Natl Acad Sci U S A 97: 6640-6645.)を用いてなされ得る。iscR遺伝子の欠損変異体の構築の詳細は、下記の実施例に述べられている。言うまでもなく、iscR遺伝子の削除と同じ効果が、例えば、機能するタンパク質が生産されるのを妨げる配列またはナンセンスコドンを挿入することで、iscR遺伝子を破壊することによって得られうる。代わりに、iscRのプロモーター領域を、その遺伝子の発現を抑制または減少するように、修飾してもよい。つまり、ここで好ましいのは、iscR遺伝子によってコードされる機能的なタンパク質が、実質的に生産されない状態を得ることである。「実質的に生産されない」とは、機能的なタンパク質が、全く生産されない、または微生物が正常なiscR遺伝子を有する場合と比較して、H生産が増加するように、減少した程度に生産されることを意味する。 For example, the present inventors, deletion of iscR genes were found to increase of H 2 production by microorganisms of the present invention. Therefore, deletion of the above microbial iscR gene is preferred. The iscR gene is well known and its gene in E. coli is shown in Genbank accession number ECK2528 (SEQ ID NOs: 3 and 4). The construction of a deletion mutant of the iscR gene is performed by a conventional method such as the protocol described by Datsenko and Wanner (Datsenko, KA, and Wanner, BL (2000) One-step inactivation of chromosomal gene in Escherichia coli K-12. using PCR products, Proc Natl Acad Sci USA 97: 6640-6645.). Details of the construction of deletion mutants of the iscR gene are described in the examples below. Needless to say, the same effect as deletion of the iscR gene can be obtained by disrupting the iscR gene, for example by inserting a sequence or nonsense codon that prevents the functioning protein from being produced. Alternatively, the promoter region of iscR may be modified to suppress or reduce the expression of that gene. That is, it is preferable here to obtain a state in which the functional protein encoded by the iscR gene is not substantially produced. “Substantially not produced” means that no functional protein is produced or produced to a reduced extent so that H 2 production is increased compared to when the microorganism has a normal iscR gene. Means that.

本発明によるH生産は、遺伝子ldhA(例えば、配列番号5)、大腸菌のピルビン酸:ギ酸リアーゼ複合体の構造メンバーをコードする遺伝子のいずれか、例えばpflB(例えば、配列番号7)、および大腸菌のフマル酸還元酵素複合体の構造メンバーをコードする遺伝子のいずれか、例えば、frdA(例えば、配列番号9)またはfrdB(例えば、配列番号11)をまた削除または破壊した場合、また更に高められる可能性がある。その根拠は、これら遺伝子の削除が、ピルビン酸を他の代謝物に変換する還元反応によって、大腸菌においてピルビン酸生産を高めることがすでに示されている(Causey et al., 2004)という事実に基づいている。また、ldhAおよびfrdBの削除の大腸菌の醗酵バランスへの影響は、Alamらによってすでに示されている(Alam et al., 1989)。従って、そのような反応は、YDBKと同じ初期基質、即ち、ピルビン酸を競合し得る。ピルビン酸の競合を減じることによって、より多くの流れがYDBK依存性H生産経路を経ることが予測され、開始時の基質(糖)あたりのより多くのHの収量が可能となる。更なるiscRの削除もまた、前述のように、H生産速度および/またはH生産収量を高める可能性がある。よって、この遺伝子もまた削除することが、好ましい。本発明のHを生産する方法において、このようにして調製された微生物細胞は、吸収可能な炭水化物および吸収可能な窒素源を含む培養培地中で培養される。吸収可能な炭水化物として、グルコース、麦芽糖、果糖、キシロース、グリセロールが好ましく、グルコースが最も好ましい。炭水化物がグルコースである場合、培養培地中のグルコースの濃度は、通常、0.1w/v%から2.0w/v%であり、好ましくは、0.5w/v%から1.0w/v%であり得る。窒素源として、酵母抽出物が好ましいが、窒素源はこれに限定されず、微生物によって吸収される他の窒素源を用いてもよい。酵母抽出物を使用する場合、培養培地中の酵母抽出物の濃度は、通常、0.05w/v%から1.0w/v%、好ましくは0.1w/v%から0.3w/v%であり得る。培養培地は、さらに、各微生物用の従来の培養培地に一般に含まれる微量元素およびビタミンを、従来用いられる濃度で含む。大腸菌培養に用いる好ましい培養培地の具体的な組成は、実施例において後述される。 H 2 production according to the present invention can be achieved by gene ldhA (eg SEQ ID NO: 5), any of the genes encoding structural members of the pyruvate: formate lyase complex of E. coli, eg pflB (eg SEQ ID NO: 7), and E. coli Any of the genes encoding structural members of the fumarate reductase complex of, eg, frdA (eg, SEQ ID NO: 9) or frdB (eg, SEQ ID NO: 11) may also be deleted or destroyed and further enhanced There is sex. The rationale is based on the fact that deletion of these genes has already been shown to increase pyruvate production in E. coli by a reduction reaction that converts pyruvate to other metabolites (Causey et al., 2004). ing. Also, the effect of deletion of ldhA and frdB on the fermentation balance of E. coli has already been shown by Alam et al. (Alam et al., 1989). Thus, such a reaction can compete for the same initial substrate as YDBK, namely pyruvate. By reducing pyruvate competition, more streams are expected to go through the YDBK-dependent H 2 production pathway, allowing for a higher yield of H 2 per starting substrate (sugar). Further iscR deletion may also increase H 2 production rate and / or H 2 production yield, as described above. Therefore, it is preferable to delete this gene as well. In the method for producing H 2 of the present invention, the microbial cells thus prepared are cultured in a culture medium containing an absorbable carbohydrate and an absorbable nitrogen source. As an absorbable carbohydrate, glucose, maltose, fructose, xylose and glycerol are preferable, and glucose is most preferable. When the carbohydrate is glucose, the concentration of glucose in the culture medium is usually 0.1 w / v% to 2.0 w / v%, preferably 0.5 w / v% to 1.0 w / v%. It can be. As the nitrogen source, yeast extract is preferable, but the nitrogen source is not limited to this, and other nitrogen sources absorbed by microorganisms may be used. When using yeast extract, the concentration of yeast extract in the culture medium is usually 0.05 w / v% to 1.0 w / v%, preferably 0.1 w / v% to 0.3 w / v%. It can be. The culture medium further contains trace elements and vitamins that are commonly included in conventional culture media for each microorganism at concentrations conventionally used. The specific composition of a preferable culture medium used for E. coli culture will be described later in Examples.

培養が行われる雰囲気は、好ましくは、H生産に最適な酸素濃度を有する。通常、雰囲気(空気)は、酸素濃度5%(v/v)またはそれ未満、好ましくは3.0から3.5%(v/v)である。他の培養条件は、従来用いられるものと同じでよい。すなわち、大腸菌の場合、培養は、通常、温度範囲18Cから47C、好ましくは30から37C程度で実施され得る。バッチ法、すなわち、微生物が、新鮮な細胞と交換されない方法において、培養は、通常、約2日から15日間ほど続けられ得る。すべてまたは一部の微生物細胞が、培養のあいだ、新鮮な細胞に、連続的または断続的に交換される、連続した方法において、培養時間は限定されず、培養は、連続的に実施してもよい。培養開始時の培養培地の細胞集団は、通常、培養培地1mlあたり100個の細胞から10,000,000個の細胞、好ましくは10,000細胞から1,000,000細胞がよい。 The atmosphere in which the culture is performed preferably has an optimal oxygen concentration for H 2 production. Usually, the atmosphere (air) has an oxygen concentration of 5% (v / v) or less, preferably 3.0 to 3.5% (v / v). Other culture conditions may be the same as those conventionally used. That is, in the case of Escherichia coli, the culture can usually be performed in a temperature range of 18 ° C. to 47 ° C., preferably about 30 ° C. to 37 ° C. In a batch process, i.e., where the microorganisms are not replaced with fresh cells, the culture can typically be continued for about 2 to 15 days. In a continuous process where all or some of the microbial cells are continuously or intermittently replaced with fresh cells during culture, the culture time is not limited and the culture can be performed continuously. Good. The cell population of the culture medium at the start of the culture is usually 100 to 10,000,000 cells, preferably 10,000 to 1,000,000 cells per ml of culture medium.

微生物の培養によって、水素ガスが生産され、培養培地の雰囲気に放出される。または、その放出は、培養の機械的動作および/またはガス拡散を含むが排除しない、それ自体が当業者に周知の方法によって、補助される。水素ガスは、培養容器内の上部空間に蓄積する。それは、ポンプによって生じる醗酵装置の内側と外側のあいだの負の圧力差によって補助促進してもよいししなくてもよい。二酸化炭素ガス(COガス)もまた、生産され、上部空間に蓄積する。上部空間の水素ガスは、それ自体が当業者に周知の方法によって、例えば、周知の水素分離膜を利用した方法、または、COの選択的な化学的結合を通して、回収され得る。必要なら、水素ガスを、例えば、HガスおよびCOガスの混合物といった、他の1種類またはそれ以上の種類の気体との混合物のかたちで収集してもよい。 By culturing microorganisms, hydrogen gas is produced and released into the culture medium atmosphere. Alternatively, the release is assisted by methods well known to those skilled in the art, which include but do not exclude the mechanical operation of the culture and / or gas diffusion. Hydrogen gas accumulates in the upper space in the culture vessel. It may or may not be assisted by a negative pressure difference between the inside and outside of the fermenter produced by the pump. Carbon dioxide gas (CO 2 gas) is also produced and accumulates in the upper space. The headspace hydrogen gas can be recovered by methods well known to those skilled in the art, for example, using a well-known hydrogen separation membrane, or through selective chemical bonding of CO 2 . If necessary, hydrogen gas may be collected in the form of a mixture with one or more other types of gases, for example, a mixture of H 2 gas and CO 2 gas.

本発明を、その実施例を用いて、より具体的に説明する。尚、実施例は、例示の目的だけであって、いかなる限定的な意味でも、限定されるものではない。   The present invention will be described more specifically with reference to the examples. The examples are for illustrative purposes only and are not intended to be limiting in any limiting sense.

1.大腸菌ydbk遺伝子を含む組み換えベクターの構築
大腸菌ピルビン酸:フラボドキシン酸化還元酵素遺伝子(配列番号1)を次のように調製した。遺伝子ydbK(受託番号(accession #)AAC74460)のオープンリーディングフレームを、pET46-Ek/LIC(Novagen, Merck KGaA, ドイツ国Darmstadt)に、プライマー5'-gacgacgacaagatgattactattgacggtaatggcgcggと5'-gaggagaagcccggtttaatcggtgttgcttttttccgcttttccg、大腸菌JM109から、Qiagen DNAeasy kit (Qiagen Sciences, Maryland, USA)およびAccuprime PFX Polymerase(Invitrogen, Carlsbad, CA)を用い、DNA抽出キットの製造者の取扱説明書に従って抽出したゲノムDNA、DNAポリメラーゼ、並びにプラスミドベクターを用いクローンし、組み換えベクターpET46−ybdKを構築した。リバースプライマーが、終止コドンを含むため、pET46−ybdKベクターは、N末端にのみヒスチジンタグをコードする融合タンパク質を生成することが予期された。
1. Construction of recombinant vector containing E. coli ydbk gene An E. coli pyruvate: flavodoxin oxidoreductase gene (SEQ ID NO: 1) was prepared as follows. The open reading frame of gene ydbK (accession # AAC74460) is transferred to pET46-Ek / LIC (Novagen, Merck KGaA, Darmstadt, Germany) from primers 5'-gacgacgacaagatgattactattgacggtaatggcgcgg and 5'-gaggagaagccctct Using DNAeasy kit (Qiagen Sciences, Maryland, USA) and Accuprime PFX Polymerase (Invitrogen, Carlsbad, Calif.), Clone using genomic DNA, DNA polymerase, and plasmid vector extracted according to the manufacturer's instructions for the DNA extraction kit. A recombinant vector pET46-ybdK was constructed. Since the reverse primer contains a stop codon, the pET46-ybdK vector was expected to produce a fusion protein encoding a histidine tag only at the N-terminus.

大腸菌BL21(DE3)細胞および大腸菌HMS174(DE3)細胞(Novagen)を、このようにして得られたpET46−ybdkおよび組み換えプラスミドベクターpCDOPFEGAFdxを、共に形質転換した。pCDOPFEGAFdxベクターは、市販のプラスミドベクターpCDF中に、クロストリジウム・アセトブチリクムHydAおよびクロストリジウム・パスツリアヌム[4Fe4S]−フェレドキシンの合成に必要な遺伝子を含んでいる。より具体的に、pCDOPFEGAFdxベクターは、クロストリジウム・アセトブチリクムhydF(ヒドロゲナーゼ成熟因子HydFをコードする、ジェンバンク受託番号NP_348277)、クロストリジウム・アセトブチリクムHydE(ヒドロゲナーゼ成熟因子HydEをコードする、ジェンバンク受託番号NP_348258)、クロストリジウム・アセトブチリクムhydG(ヒドロゲナーゼ成熟因子HydGをコードする、ジェンバンク受託番号NP_347984)、クロストリジウム・アセトブチリクムhydA(ヒドロゲナーゼHydAをコードする、ジェンバンク受託番号U15277)およびクロストリジウム・パスツリアヌムclofdx([4Fe4S]−フェレドキシンをコードする、ジェンバンク受託番号M11214)の遺伝子を上流からこの順番に含む。pCDF−FEGAFdxベクターの関連部分の構造を、Hが生産される代謝経路とともに図1に示す。図1において、「G6P」は、グルコース−6−リン酸を、「GAP」は、グリセルアルデヒド−3−リン酸を、「PYR」は、ピルビン酸を表す。 E. coli BL21 (DE3) cells and E. coli HMS174 (DE3) cells (Novagen) were transformed together with pET46-ybdk thus obtained and the recombinant plasmid vector pCDOPFEGAFdx. The pCDOPFEGAFdx vector contains genes necessary for the synthesis of Clostridium acetobutylicum HydA and Clostridium pasturianum [4Fe4S] -ferredoxin in a commercially available plasmid vector pCDF. More specifically, the pCDOPFEGAFdx vector comprises Clostridium acetobutylicum hydF (encoding hydrogenase maturation factor HydF, Genbank accession number NP_348277), Clostridium acetobutylicum HydE (encoding hydrogenase maturation factor HydE, Genbank accession number NP_348258), Clostridium Acetobutylicum hydG (encoding hydrogenase maturation factor HydG, Genbank accession number NP_347984), Clostridium acetobutylicum hydA (encoding hydrogenase HydA, Genbank accession number U15277) and Clostridium pasturium clofdx ([4Fe4S] -ferredoxin encoding The gene of Genbank accession number M11214) is included in this order from the upstream. The structure of the relevant part of the pCDF-FEGAFdx vector, shown in Figure 1 together with a metabolic pathway H 2 is produced. In FIG. 1, “G6P” represents glucose-6-phosphate, “GAP” represents glyceraldehyde-3-phosphate, and “PYR” represents pyruvic acid.

pCDOPFEGAFdxベクターを、次のように構築した。CpFdをコードする遺伝子(クロストリジウム・パスツリアヌム[4Fe4S]フェレドキシンをコードする(受託番号(accession number)M11214)を、プライマーFEGAFdx-for(ATAGGATCCGAATTTAAATAAAATGGCATATAAAATCGCTGATTCATG)およびFEGAFdx-rev(TACCTAGGAGGCCTCCTTTATTCTTGTACTGGTGCTCCAACTGGAC)のプライマーを用いて、pCDOPFEGAに加えることによって、プラスミドpCDOPFEGAFdxを構築した。pCDOPFEGAベクターおよびpCDOPFEGHisAベクターを、次のように構築した。HydE(受託番号CAC1631)、HydF(受託番号CAC1651)、HydG(受託番号CAC1356)およびHydA(受託番号U15277)をコードする遺伝子を、6つのヒスチジンをコードするN末端コドン付きまたはそれらヒスチジンコドン無しで、クロストリジウム・アセトブチリクムゲノムDNAから増幅した。クローニング工程(c)から(e)のために生成されたすべてのPCR産物(フォワードおよびリバースプライマーは角括弧に示す)は、内部にStuI制限酵素部位(AGGCCT)および6塩基のリボソーム結合部位配列(AGGAGG)を3末端に含んでいた。リボソーム結合部位は、上流の遺伝子終止コドン(TAA)の末端塩基対とTAAGGAGGのように重なるか、または、終止コドンから2塩基対下流にTAATCAGGAGGとして置かれるかのいずれかであった。さらに、工程(c)から(e)によるPCR産物は、また、8塩基対の任意の配列AAAATAAAを含み、リボソーム結合部位と挿入された遺伝子の最初の開始コドンとの間に十分なスペースを付与した。図1に示されている各々の工程;(a)最初に、pCDFDuet−1ベクター(Novagen, Carlsbad,USA)を制限酵素NcoI(CCATGG)およびEcoRV(GATATC、平滑末端を作る)で消化し、(b)NcoIで消化したhydFPCR産物と結合(5'-aatataccATGGATGAACTTAACTCAACACCCAAAGG-3'および5'-aggcctcctgaTTAGTTCCTACTCGATTGATTAAATATTCTATCAGC-3')して、プラスミドpFを生成する。(c)hydEPCR産物(5'-atataatatttaaataaaATGGATAATATAATAAAGTTAATTAATAAAGC-3'および5'-tacctaggaggcctcctgaTTAACCAATAGATTCTTTGTAGC-3')をSwaI(ATTTAAAT)およびAvrII(CCTAGG)で消化し、StuI/AvrII制限酵素処理したpFに結合して、プラスミドpFEを作成する。同様にして、hydG(5'-atataatatttaaataaaATGTATAATGTTAAATCTAAAGTTGCAACTG-3'および5'-tacctaggaggcctcctgaTTAGAATCTAAAATCTCTTTGTCCC-3')およびhydA(5'-atataatatttaaataaaATGAAAACAATAATCTTAAATGGCAATGAAG-3'および5'-tacctaggaggcctccTTATTCATGTTTTGAAACATTTTTATCTTTTGTG-3')を順にクローンして、d)pFEGプラスミドおよびe)pFEGAプラスミドをそれぞれ作成した。各段階で、個々の新しいインサートは、シーケンスにより確認した。 The pCDOPFEGAFdx vector was constructed as follows. The gene encoding CpFd (Crostridium pasturium [4Fe4S] ferredoxin (accession number M11214) is used as primers FEGAFdx-for (ATAGGATCCGA ATTTAAAT AAAATGGCATATAAAATCGCTGATTCATG) and FEGAFdx-rev ( TACGTATTATTCTCCT Plasmid pCDOPFEGAFdx was constructed by adding to pCDOPFEGA, pCDOPFEGA vector and pCDOPFEGHHisA vector were constructed as follows: HydE (Accession number CAC1631), HydF (Accession number CAC1651), HydG (Accession number CAC1356H) The gene encoding the accession number U15277) with or without an N-terminal codon encoding 6 histidines All PCR products generated for the cloning steps (c) to (e) (with the forward and reverse primers shown in square brackets) are internal to the StuI restriction enzyme. A site (AGGCCT) and a 6 base ribosome binding site sequence (AGGAGG) were included at the end of 3. The ribosome binding site overlaps the terminal base pair of the upstream gene stop codon (TAA) as TAAGGAGG, or It was either placed as TAATCAGGAGG 2 base pairs downstream from the stop codon.In addition, the PCR product according to steps (c) to (e) also contains the optional sequence AAAATAAA of 8 base pairs and contains ribosome binding Sufficient space was provided between the site and the first start codon of the inserted gene, each step shown in Figure 1; pCDFDuet-1 vector (Novagen, Carlsbad, USA) was digested with restriction enzymes NcoI (CCATGG) and EcoRV (GATATC, making blunt ends) and (b) ligated with NcoI digested hyFPCR product (5'-aatata ccATGG ATGAACTTAACTCAACACCCAAAGG -3 ′ and 5′-aggcctcctgaTTAGTTCCTACTCGATTGATTAAATATTCTATCAGC-3 ′) to generate plasmid pF. (C) The hyEPCR products (5'-atataat atttaaat aaaATGGATAATATAATAAAGTTAATTAATAAAGC-3 'and 5'-ta cctagg aggcctcctgaTTAACCAATAGATTCTTTGTAGC-3') were digested with SwaI (ATTTAAAT) and AvrII (CCTAGG) and restricted to StuI / AvrII Thus, plasmid pFE is prepared. Similarly, hydG (5'-atataatatttaaataaaATGTATAATGTTAAATCTAAAGTTGCAACTG-3 'and 5'-tacctaggaggcctcctgaTTAGAATCTAAAATCTCTTTGTCCC-3'TG and TT Plasmid and e) pFEGA plasmid were prepared respectively. At each stage, each new insert was confirmed by sequencing.

YBDK、クロストリジウム・アセトブチリクムHydAおよびクロストリジウム・パスツリアヌム[4Fe4S]−フェレドキシンを生産する形質転換体は、抗生物質アンピシリンおよびスペクチノマイシン(50μg/mL)に対する抗生質耐性により選択された。対照形質転換体も、プラスミドpET46−ybdkの代わりに、ピルビン酸:フラボドキシン酸化還元酵素遺伝子およびピルビン酸:フェレドキシン酸化還元酵素遺伝子が挿入されていないことを除いてpET46−ybdkと同じ構造をもつプラスミドpET−Duetを用い、前述と同様の方法で調製した。   Transformants producing YBDK, Clostridium acetobutylicum HydA and Clostridium pasteurium [4Fe4S] -ferredoxin were selected for antibiotic resistance to the antibiotics ampicillin and spectinomycin (50 μg / mL). The control transformant was also a plasmid pET having the same structure as pET46-ybdk except that the pyruvate: flavodoxin oxidoreductase gene and the pyruvate: ferredoxin oxidoreductase gene were not inserted instead of the plasmid pET46-ybdk. -Prepared in the same manner as described above using Duet.

2.H生産
培養は、唯一の炭素源として1.5% グルコースを含み、カナマイシン(50mg/ml)、カルベニシリン(50mg/ml)またはスペクチノマイシン(50mg/ml)を添加したMOPS最少培地(Teknova, Hollister, CA)(5〜10ml)中で行った。前培養は、新鮮なLBプレートから播種し、30CでOD600が0.1〜0.5になるまで増殖させた。次に、前培養を用い、OD600約0.02で播種し、本培養(同じ培地に、0.05mMのイソプロピル−β−チオガラクトピラノシドを添加)を行った。培養はすべて24から48時間増殖し、30Cで、ブチルゴムセプタムでキャップし、播種後99.9995%Nを5分間より長く拡散した120mL容の血清瓶で行った。気体試料は、Carboxen(商標)1010 PLOTキャピラリーカラム(30m x 0.32mm)(Supelco, Bellefonte, USA)を取り付けた6890Nガスクロマトグラフィー(Agilent Technologies, Palo Alto, CA)を用いて分析した。200μLガス試料は、血清瓶培養の上部空間からサンプルロック注射器(Hamilton, Reno, NV)を用いて取り出し、スプリット/スプリットレス試料導入口(室温、5:1プリット比)に直接注入した。試料は、均一濃度(35C、4〜5分)で溶出した。キャリアガスはN(17.6mL/分)とし、熱伝導度検出器(230C、2.0mL/min)を用いて、試料を検出した。〜3.3分で溶出したHおよび上部空間のH分圧(pH)を、0.25%および5% 標準Hガス試料(Kamimaru、横浜、日本)並びに100% H(GL Sciences、東京、日本)を用いて作成した検量線に対比することによって定量した。グルコースあたりのHの収量を推定するためには、液体培地中の残留グルコースの量もまた、Hが定量される最低でも2つのサンプルポイントで測定される必要がある。培地上清中のグルコース濃度は、Roche-Biopharm(ドイツ国Darmstadt)によるD−グルコースキットを用い、製造者の取扱説明書に従って測定した。
2. H 2 production cultures contained 1.5% glucose as the sole carbon source and were supplemented with MOPS minimal medium (Teknova, 50 mg / ml), carbenicillin (50 mg / ml) or spectinomycin (50 mg / ml). Hollister, CA) (5-10 ml). Precultures were seeded from fresh LB plates and grown at 30 ° C. until OD600 was 0.1-0.5. Next, using a preculture, seeding was performed at an OD600 of about 0.02 and main culture (0.05 mM isopropyl-β-thiogalactopyranoside was added to the same medium) was performed. All cultures were grown for 24-48 hours, capped at 30 ° C. with a butyl rubber septum, and seeded in 120 mL serum bottles with 99.9995% N 2 diffused for more than 5 minutes after seeding. The gas samples were analyzed using a 6890N gas chromatography (Agilent Technologies, Palo Alto, Calif.) Fitted with a Carboxen ™ 1010 PLOT capillary column (30 m × 0.32 mm) (Supelco, Bellefonte, USA). A 200 μL gas sample was removed from the upper space of the serum bottle culture using a sample lock syringe (Hamilton, Reno, NV) and injected directly into the split / splitless sample inlet (room temperature, 5: 1 pret ratio). Samples were eluted at a uniform concentration (35 ° C., 4-5 minutes). The carrier gas was N 2 (17.6 mL / min), and the sample was detected using a thermal conductivity detector (230 ° C., 2.0 mL / min). H 2 eluted at ~ 3.3 minutes and H 2 partial pressure (pH 2 ) in the headspace were adjusted to 0.25% and 5% standard H 2 gas samples (Kamimaru, Yokohama, Japan) and 100% H 2 (GL Sciences, Tokyo, Japan) was quantified by comparison with a calibration curve created. In order to estimate the yield of H 2 per glucose, the amount of residual glucose in the liquid medium also needs to be measured at a minimum of two sample points where H 2 is quantified. The glucose concentration in the culture supernatant was measured using a D-glucose kit from Roche-Biopharm (Darmstadt, Germany) according to the manufacturer's instructions.

結果を図2に示す。図2は、培養培地の上部の空間中の%H(v/v)濃度に換算にした経時的な大腸菌BL21(DE3)形質転換体の水素の生産を示している。図2から明らかにわかるように、外来のピルビン酸:フラボドキシン酸化還元酵素遺伝子およびピルビン酸:フェレドキシン酸化還元酵素遺伝子を含む大腸菌BL21(DE3)形質転換体によるH生産は、対照形質転換体より約15倍多かった。大腸菌HMS174(DE3)形質転換体を用いた場合にも、同様の結果が得られた。従って、本発明の方法が、微生物によるH生産を高めることが証明された。 The results are shown in FIG. FIG. 2 shows the hydrogen production of E. coli BL21 (DE3) transformant over time converted to% H 2 (v / v) concentration in the upper space of the culture medium. As can be clearly seen from FIG. 2, H 2 production by the E. coli BL21 (DE3) transformant containing the exogenous pyruvate: flavodoxin oxidoreductase gene and the pyruvate: ferredoxin oxidoreductase gene is approximately less than that of the control transformant. 15 times more. Similar results were obtained when E. coli HMS174 (DE3) transformants were used. Thus, the method of the present invention, to increase of H 2 production by microorganisms has been demonstrated.

1.iscR遺伝子欠損変異体の構築
iscR遺伝子欠損変異体を、次のように構築した。大腸菌MG1655におけるiscR遺伝子の削除は、DatsenkoおよびWannerの方法(Datsenko and Wanner, 2000)に従って、実施した。pKD13のカナマイシン耐性カセットに隣接するFRTを、プライマーiscR−forおよびiscR−revを用いて、PCRで増幅した。DpnIで処理および精製した後、削除カセット(deletion cassette)pKD46をもつMG1655WTに形質転換した。カナマイシン耐性クローンを選択し、その削除は、プライマーiscRDWF(CACTCCGGCCTGATTCTGAATTCTTTTTATTAAGCGCGTAACTTAACGTCATTCCGGGGATCCGTCGACC)およびiscRDWR(TACAATAAAAAACCCCGGGCAGGGGCGAGTTTGAGGTGAAGTAAGACATGTGTAGGCTGGAGCTGCTTCG)を用いて、PCRで検証した。得られた株を、MG1655ΔydbK::kanとし、BL21(DE3)(Novagen, Merck KGaA, ドイツ国Darmstadt)を受け手として、P1トランスダクションによりBL21(DE3)ΔydbKを生成する供与株として用いた(Miller, J. H. (1972) Experiments in Molecular Genetics. Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, N.Y.)。P1トランスダクションの後、カナマイシン耐性遺伝子を、酵母リコンビナーゼをコードするpCP20(Datsenko and Wanner, 2000)を用いて取り除いた。代わりに、BL21(DE3)のΔiscR変異体を、MG1655ΔiscR株(University of Wisconsin, USA)およびBL21(DE3)(Novagen, Merck KGaA, ドイツ国Darmstadt)をそれぞれ供与株および受容株として用いP1トランスダクション(Miller, 1972)によって得た。
1. Construction of iscR gene deletion mutant An iscR gene deletion mutant was constructed as follows. Deletion of the iscR gene in E. coli MG1655 was performed according to the method of Datsenko and Wanner (Datsenko and Wanner, 2000). FRT flanking the pKD13 kanamycin resistance cassette was amplified by PCR using primers iscR-for and iscR-rev. After treatment with DpnI and purification, it was transformed into MG1655WT with a deletion cassette pKD46. Kanamycin resistant clones were selected and their deletion was verified using primers iscRDWF (CACTCCGGCCTGATTCTGAATTCTTTTTATTAAGCGCGTAACTTAACGTCATTCCGGGGATCCGTCGACC) and iscRDWR (TACAATAAAAAACCCCGGGCAGGGGCGAGTTTGAGGTGAAGTAAGACATGTGTAGGCTGGAGCTGCTTCG). The obtained strain was designated as MG1655ΔydbK :: kan, BL21 (DE3) (Novagen, Merck KGaA, Darmstadt, Germany), and used as a donor strain that produces BL21 (DE3) ΔydbK by P1 transduction (Miller, JH (1972) Experiments in Molecular Genetics. Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, NY). After P1 transduction, the kanamycin resistance gene was removed using pCP20 (Datsenko and Wanner, 2000) encoding yeast recombinase. Instead, the ΔiscR mutant of BL21 (DE3) was used as P1 transduction (MG1655 ΔiscR strain (University of Wisconsin, USA) and BL21 (DE3) (Novagen, Merck KGaA, Darmstadt, Germany) as donor and acceptor strains, respectively. Miller, 1972).

2.H生産
このように調製した変異体およびiscR遺伝子を含む元の微生物によるH生産を、前述と同じ方法で調べた。結果を図3に示す。図3に示されるように、本発明の実施例1で調製した微生物からiscR遺伝子を削除することにより、H生産は、約3倍増加した。従って、iscR遺伝子の削除により、本発明の微生物によるH生産が増加することが証明された。
2. Of H 2 production by the original microorganism containing H 2 production thus prepared variants and iscR gene was investigated in the same manner as described above. The results are shown in FIG. As shown in FIG. 3, by deleting the iscR gene from the microorganism prepared in Example 1 of the present invention, H 2 production was increased about 3-fold. Therefore, it has been proved that deletion of the iscR gene increases H 2 production by the microorganism of the present invention.

前述のように、本発明によるH生産は、遺伝子ldhA(配列番号5)、大腸菌のピルビン酸:ギ酸リアーゼ複合体の構造メンバーをコードする遺伝子のいずれか、例えばpflB(配列番号7)、および大腸菌のフマル酸還元酵素複合体の構造メンバーをコードする遺伝子のいずれか、例えばfrdA(配列番号9)またはfrdB(配列番号11)をも削除した場合、さらに高まる可能性がある。その根拠は、これらの遺伝子の削除が、ピルビン酸を他の代謝物に変換する反応を減じることによって大腸菌におけるピルビン酸生産を高める(Causey et al., 2004)ことが、すでに示されていることに基づいている。ldhAおよびfrdB欠損の大腸菌の醗酵バランスへの影響もまた、Alamらによってすでに示されている(Alam et al.、 1989)。従って、そのような反応は、同じ初期基質すなわちピルビン酸を、YDBKと競合し得る。ピルビン酸のYDBKとの競合を減じることで、より多くの流れがYDBK依存性H生産経路を通ることが予期され、開始時の基質(糖)あたり、より多くの水素の収量が可能になる。iscRの更なる削除もまた、上に示したように、H生産速度および/または収量を高める可能性もある。従って、この遺伝子を削除することもまた好ましい。 As mentioned above, H 2 production by the present invention, the gene ldhA (SEQ ID NO: 5), E. coli pyruvate: any gene encoding a structural member of the formic acid lyase complex, for example, pflB (SEQ ID NO: 7), and If one of the genes encoding the structural members of the fumarate reductase complex of E. coli, such as frdA (SEQ ID NO: 9) or frdB (SEQ ID NO: 11), is also deleted, it may be further increased. Evidence has already been shown that deletion of these genes increases pyruvate production in E. coli by reducing the reaction of converting pyruvate to other metabolites (Causey et al., 2004). Based on. The effect of ldhA and frdB deletion on the fermentation balance of E. coli has also been shown previously by Alam et al. (Alam et al., 1989). Thus, such a reaction can compete with YDBK for the same initial substrate, pyruvate. By reducing competition with YDBK pyruvate, more number of flows are expected to pass through the YDBK dependent H 2 production route, per starting substrate (sugar), allowing more yield of hydrogen . Further deletion of iscR also, as indicated above, also may increase of H 2 production rate and / or yield is. Therefore, it is also preferable to delete this gene.

遺伝子ldhA、pflB、frdAB、およびiscRの削除のピルビン酸依存性H生産への影響の実験的な証明は、次のように得ることができる。はじめに、遺伝子ldhA、pflBおよびfrdABを、MG1655において、削除する。これは、既報のように((Baba et al., 2006))遺伝子ldhA、pflB、およびfrdABに対して、それぞれ、プライマーldhADWF ctcccctggaatgcaggggagcggcaagattaaaccagttcgttcgggcaattccggggatccgtcgacc、ldhADWR tatttttagtagcttaaatgtgattcaacatcactggagaaagtcttatgtgtaggctggagctgcttcg、pflBDWF ttttactgtacgatttcagtcaaatctaattacatagattgagtgaaggtattccggggatccgtcgacc、pflBDWR cgaagtacgcagtaaataaaaaatccacttaagaaggtaggtgttacatgtgtaggctggagctgcttcg、frdBDWF gtttacgtttagtcgtcatgttgcactccttagcgtggtttcagggtcgcattccggggatccgtcgacc、frdADWR accctgaagtacgtggctgtgggataaaaacaatctggaggaatgtcgtgtgtaggctggagctgcttcg、を用いること除いて、前述のように行う。削除を、前述のようにP1トランスダクションより、ひとつずつBL21に移し、それぞれ前述のように抽出したゲノムDNAを用いてPCRによって確認される導入の成功後、次の削除を導入する前に、カナマイシン耐性遺伝子を、pCP20を用いて前述のように取り除く。iscR欠損を構築し、前述のように導入する。最終的に、これによって、BL21(DE3)ΔldhAΔpflBΔfrdABΔiscR株が生成されるであろう。この株に、プラスミドpCDOPFEGAFdxおよびpydbKを電気穿孔法で形質転換し、前述のようにH生産およびグルコース消費を調べる。 Gene ldhA, pflB, frdAB, and experimental proof of the effect of the deletion of the pyruvate-dependent H 2 production iscR may be obtained as follows. First, the genes ldhA, pflB and frdAB are deleted in MG1655. This is because, as described previously ((Baba et al., 2006)) genes ldhA, pflB, and against FrdAB, respectively, primers ldhADWF ctcccctggaatgcaggggagcggcaagattaaaccagttcgttcgggcaattccggggatccgtcgacc, ldhADWR tatttttagtagcttaaatgtgattcaacatcactggagaaagtcttatgtgtaggctggagctgcttcg, pflBDWF ttttactgtacgatttcagtcaaatctaattacatagattgagtgaaggtattccggggatccgtcgacc, pflBDWR cgaagtacgcagtaaataaaaaatccacttaagaaggtaggtgttacatgtgtaggctggagctgcttcg, frdBDWF gtttacgtttagtcgtcatgttgcactccttagcgtggtttcagggtcgcattccggggatccgtcgacc, frdADWR accctgaagtacgtggctgtgggataaaaacaatctggaggaatgtcgtgtgtaggctggagctgcttcg, the Except for use, this is done as described above. The deletions are transferred one by one from the P1 transduction as described above to BL21 one by one, and after each successful introduction confirmed by PCR using the genomic DNA extracted as described above, before introducing the next deletion, kanamycin The resistance gene is removed as described above using pCP20. An iscR deficiency is constructed and introduced as described above. Eventually, this will produce the BL21 (DE3) ΔldhAΔpflBΔfrdABΔiscR strain. This strain is transformed with plasmids pCDOPFEGAFdx and pydbK by electroporation and examined for H 2 production and glucose consumption as described above.

Claims (18)

少なくとも1種の微生物を、吸収可能な炭水化物および吸収可能な窒素源を含む培養培地で培養し、それによって水素ガスを生成する工程であって、前記微生物は、フェレドキシン/フラボドキシン依存性ヒドロゲナーゼおよびフェレドキシン/フラボドキシンを生産し、前記微生物は、ピルビン酸:フラボドキシン/フェレドキシン酸化還元酵素の酵素活性を持つタンパク質の生産が増加するように遺伝子操作され、前記微生物は前記培養培地中の前記炭水化物を吸収すると同時に水素ガスを生成することができる工程、および
生成した水素ガスを回収する工程、
を含む、水素ガスの生産方法。
Culturing at least one microorganism in a culture medium comprising an absorbable carbohydrate and an absorbable nitrogen source, thereby producing hydrogen gas, the microorganism comprising ferredoxin / flavodoxin-dependent hydrogenase and ferredoxin / Producing flavodoxin, the microorganism is genetically engineered to increase the production of protein with the enzyme activity of pyruvate: flavodoxin / ferredoxin oxidoreductase, and the microorganism absorbs the carbohydrate in the culture medium and simultaneously hydrogenates A process capable of generating a gas, and a process of recovering the generated hydrogen gas,
A method for producing hydrogen gas, including:
前記タンパク質が、前記微生物のピルビン酸:フラボドキシン/フェレドキシン酸化還元酵素のアミノ酸配列に90%以上の相同性をもつアミノ酸配列を有する、請求項1に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the protein has an amino acid sequence having 90% or more homology with the amino acid sequence of pyruvate: flavodoxin / ferredoxin oxidoreductase of the microorganism. 前記タンパク質が、前記微生物のピルビン酸:フラボドキシン/フェレドキシン酸化還元酵素のアミノ酸配列を有する、請求項2に記載の方法。   3. The method of claim 2, wherein the protein has the amino acid sequence of the microorganism pyruvate: flavodoxin / ferredoxin oxidoreductase. 前記遺伝子操作が、前記微生物に、前記タンパク質をコードする外来性の遺伝子を導入することを含む、請求項1ないし3のいずれか1項に記載の方法。   The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the genetic manipulation includes introducing an exogenous gene encoding the protein into the microorganism. 前記微生物が、iscR遺伝子にコードされる機能的なタンパク質を実質的に生産しない、請求項1ないし3のいずれか1項に記載の方法。   The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the microorganism does not substantially produce a functional protein encoded by the iscR gene. 前記微生物が、大腸菌属(Escherichia)、エンテロバクター属(Enterobacter)、サッカロマイセス属(Saccharomyces)、サーモトガ属(Thermotoga)、クロストリジウム属(Clostridium)、コリネバクテリウム属(Corynebacterium)からなる群から選択される属に属する少なくともひとつである、請求項1に記載の方法。   The microorganism is a genus selected from the group consisting of Escherichia, Enterobacter, Saccharomyces, Thermotoga, Clostridium, Corynebacterium The method according to claim 1, wherein the method is at least one belonging to. 前記微生物が大腸菌(Escherichia coli)である、請求項6に記載の方法。   The method according to claim 6, wherein the microorganism is Escherichia coli. 前記炭水化物がグルコースである、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the carbohydrate is glucose. 前記培養が無酸素の雰囲気のもとで行われる、請求項1に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the culture is performed under an oxygen-free atmosphere. フェレドキシン/フラボドキシン依存性ヒドロゲナーゼおよびフェレドキシン/フラボドキシンを生産する微生物であって、前記微生物は、ピルビン酸:フラボドキシン/フェレドキシン酸化還元酵素の酵素活性を持つタンパク質の生産が増加するように遺伝子操作され、前記微生物は、培養培地中の炭水化物を吸収すると同時に水素ガスを生成することができる微生物。   A microorganism producing ferredoxin / flavodoxin-dependent hydrogenase and ferredoxin / flavodoxin, wherein the microorganism is genetically engineered to increase production of a protein having the enzyme activity of pyruvate: flavodoxin / ferredoxin oxidoreductase, Is a microorganism that can absorb hydrogen in the culture medium and generate hydrogen gas at the same time. 前記タンパク質が、フェレドキシンまたはフラボドキシンを還元すると共に同時にピルビン酸を酸化することにより定義される、ピルビン酸:フェレドキシン酸化還元酵素の酵素活性を有する、請求項10に記載の微生物。   11. The microorganism according to claim 10, wherein the protein has pyruvate: ferredoxin oxidoreductase enzymatic activity, defined by reducing ferredoxin or flavodoxin and simultaneously oxidizing pyruvate. 前記タンパク質が、前記微生物のピルビン酸:フラボドキシン/フェレドキシン酸化還元酵素のアミノ酸配列に90%以上の相同性をもつアミノ酸配列を有する、請求項11に記載の微生物。   The microorganism according to claim 11, wherein the protein has an amino acid sequence having 90% or more homology with the amino acid sequence of pyruvate: flavodoxin / ferredoxin oxidoreductase of the microorganism. 前記タンパク質が、前記微生物のピルビン酸:フラボドキシン/フェレドキシン酸化還元酵素のアミノ酸配列を有する、請求項12に記載の微生物。   The microorganism according to claim 12, wherein the protein has an amino acid sequence of pyruvate: flavodoxin / ferredoxin oxidoreductase of the microorganism. 前記の増加した生産が、前記タンパク質をコードする外来性の遺伝子を、前記微生物に導入することによって得られる、請求項10ないし13のいずれか1項に記載の微生物。   The microorganism according to any one of claims 10 to 13, wherein the increased production is obtained by introducing an exogenous gene encoding the protein into the microorganism. 前記微生物が、iscR遺伝子にコードされる機能的なタンパク質を実質的に生産しない、請求項10ないし13のいずれか1項に記載の微生物。   The microorganism according to any one of claims 10 to 13, wherein the microorganism does not substantially produce a functional protein encoded by an iscR gene. 前記微生物が、大腸菌属、エンテロバクター属、サッカロマイセス属、サーモトガ属、クロストリジウム属、コリネバクテリウム属からなる群から選択される属に属する請求項10に記載の微生物。   The microorganism according to claim 10, wherein the microorganism belongs to a genus selected from the group consisting of Escherichia coli, Enterobacter, Saccharomyces, Thermotoga, Clostridium, and Corynebacterium. 前記微生物が大腸菌である、請求項16に記載の微生物。   The microorganism according to claim 16, wherein the microorganism is Escherichia coli. 前記炭水化物がグルコースである、請求項10に記載の微生物。   11. The microorganism according to claim 10, wherein the carbohydrate is glucose.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20150110806A (en) * 2013-01-30 2015-10-02 란자테크 뉴질랜드 리미티드 Recombinant microorganisms comprising nadph dependent enzymes and methods of production therefor
JP2020527359A (en) * 2017-07-14 2020-09-10 バイオシンティア アペィエスBiosyntia Aps Cell plant with improved transport of iron-sulfur clusters

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20150110806A (en) * 2013-01-30 2015-10-02 란자테크 뉴질랜드 리미티드 Recombinant microorganisms comprising nadph dependent enzymes and methods of production therefor
JP2016508718A (en) * 2013-01-30 2016-03-24 ランザテク・ニュージーランド・リミテッド Recombinant microorganism containing NADPH-dependent enzyme and method for producing the same
KR102290728B1 (en) * 2013-01-30 2021-08-19 란자테크 뉴질랜드 리미티드 Recombinant microorganisms comprising nadph dependent enzymes and methods of production therefor
JP2022116003A (en) * 2013-01-30 2022-08-09 ランザテク エヌゼット,インコーポレイテッド Recombinant microorganisms comprising nadph-dependent enzymes and methods of producing the same
JP2020527359A (en) * 2017-07-14 2020-09-10 バイオシンティア アペィエスBiosyntia Aps Cell plant with improved transport of iron-sulfur clusters

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