JP2014003970A - Highly active mutant of protein having laccase activity, nucleic acid molecule encoding the same and use thereof - Google Patents

Highly active mutant of protein having laccase activity, nucleic acid molecule encoding the same and use thereof Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a mutant having a substrate-oxidizing activity superior to that of the known proteins having laccase activity.SOLUTION: The protein is selected from the group consisting of: (a) proteins including an amino acid sequence in which methionine at position 308 of a specific amino acid sequence is replaced by another amino acid; and (b) proteins including an amino acid sequence in which one or more amino acids in a specific amino acid sequence are deleted or replaced or added, and the amino acid at position 308 of the specific amino acid sequence is not methionine, where the protein has an improved laccase activity in comparison to a protein having the specific amino acid sequence.

Description

本発明は、ラッカーゼ活性を有するタンパク質の高活性化変異体、及びこれをコードする核酸分子、及びその利用に関する。詳細には、ラッカーゼ活性を有するタンパク質の高活性化変異体、当該高活性化変異体をコードする遺伝子、当該遺伝子を含むベクター、当該ベクターを含む宿主細胞、当該高活性化変異体の製造方法、及び当該高活性化変異体を利用するバイオ電池、バイオセンサー、及びフェノール類化合物の検出方法に関する。   The present invention relates to a highly activating mutant of a protein having laccase activity, a nucleic acid molecule encoding the same, and use thereof. Specifically, a highly activated mutant of a protein having laccase activity, a gene encoding the highly activated mutant, a vector containing the gene, a host cell containing the vector, a method for producing the highly activated mutant, The present invention also relates to a biobattery, a biosensor, and a method for detecting a phenol compound using the highly activated mutant.

酵素は、生体内の化学反応(代謝)を進行させる生体触媒であり、アミノ酸の鎖からなるタンパク質を基本構造とする。酵素の特性としては、(1)常温、常圧付近の温和な条件で触媒作用を示す、(2)特定の基質にのみ作用する基質特異性と、特定の化学反応に対して触媒作用を示し、副反応を起こさない反応特異性とを併せ持つ、ことが挙げられる。酵素の中でも、生体内の酸化還元を触媒する酵素を、酸化還元酵素という。特に、基質を酸化させる酵素を酸化酵素といい、基質を還元させる酵素を還元酵素という。電極表面にある種の酸化還元酵素を固定すると、酵素の触媒作用によって電極上で特定の酸化還元反応のみが選択的に進行し、酸化還元反応による物質の変化を電極により電気信号に変換することができる。このような電極は酵素電極と呼ばれており、バイオ電池の電極等に利用されている。   An enzyme is a biocatalyst that promotes a chemical reaction (metabolism) in a living body, and has a protein composed of an amino acid chain as a basic structure. The enzyme has the following characteristics: (1) catalysis under mild conditions at room temperature and pressure, (2) substrate specificity acting only on specific substrates, and catalysis on specific chemical reactions And having reaction specificity that does not cause side reactions. Among enzymes, an enzyme that catalyzes redox in vivo is called an oxidoreductase. In particular, an enzyme that oxidizes a substrate is called an oxidase, and an enzyme that reduces a substrate is called a reductase. When a certain oxidoreductase is immobilized on the electrode surface, only a specific redox reaction proceeds selectively on the electrode due to the catalytic action of the enzyme, and the change of the substance due to the redox reaction is converted into an electrical signal by the electrode. Can do. Such an electrode is called an enzyme electrode and is used for an electrode of a bio battery.

近年、炭酸ガス増加による地球温暖化や化石燃料枯渇など地球規模の課題が表面化しており、その対応の方向として、再生可能エネルギーの利用、CO2を原料とした物質変換による、炭素循環サイクルの適正化が求められている。そのような将来の低炭素社会の実現には、再生可能エネルギーの大量導入やSmart grid技術で、化石燃料に依存していたエネルギーバランスを改善(エネルギーの地産地消)する必要がある。再生可能エネルギーの中でも特に、バイオマス発電は安定したエネルギー源で大型設備が不要なため地産地消に適している。バイオマスエネルギー利用技術として、生物の酵素反応を利用したクリーンで安価な発電技術であるバイオ電池は、高効率、低コストで安全性が高く小型の移動型電源に適している。 In recent years, global issues such as global warming and depletion of fossil fuels due to the increase in carbon dioxide gas have surfaced, and the direction of the response is the use of renewable energy and the carbon cycle cycle by material conversion using CO 2 as a raw material. Optimization is required. To realize such a low-carbon society in the future, it is necessary to improve the energy balance (local production for local consumption of energy) that relied on fossil fuels through the introduction of large amounts of renewable energy and smart grid technology. Among renewable energies, biomass power generation is a stable energy source and is suitable for local production for local consumption because large facilities are not required. As a biomass energy utilization technology, a bio-battery, which is a clean and inexpensive power generation technology utilizing an enzyme reaction of a living organism, is suitable for a highly efficient, low-cost, high safety and small mobile power source.

そして、ラッカーゼも前記酸化還元酵素の一つである。基質酸化活性を有し、フェノール類化合物であるo-, p-ジフェノール、p-フェニレンジアミン、アスコルビン酸などを酸化する反応を触媒するマルチ銅酸化酵素である。ラッカーゼは、計4個の銅イオンが結合した活性中心を有し、それらの機能は、基質から電子を引き抜き(電子受容部位)、その電子を用いて酸素を水に還元する反応を触媒する。電子供与体との反応サイト(タイプI銅部位)と、電子受容体との反応サイトが異なる特徴をもつ。このようなマルチ銅酸化酵素であるラッカーゼの触媒能力は、種々の化学反応に応用可能である。例えば、毒性の強いフェノール類化合物や芳香族アミンを含む廃液の処理、パルプ製造処理等におけるリグリンの除去、電極触媒、人工漆の製造、有機化合物の合成、紅茶の褐変処理、化粧品用メラニン製造、食品のゲル化剤、臨床検査試薬、漂白剤としての利用等、多くの産業分野への利用が期待されている。また、ラッカーゼは電極を電子供与体とすることが知られており、カーボン基材等の適当な電極基材との組合せにより、バイオ電池のカソード(酸素還元極)用の電極触媒やバイオセンサー用の電極触媒としての産業利用が期待されている。   Laccase is also one of the oxidoreductases. It is a multi-copper oxidase that has substrate oxidation activity and catalyzes a reaction that oxidizes phenolic compounds such as o-, p-diphenol, p-phenylenediamine, and ascorbic acid. Laccase has an active center to which a total of four copper ions are bound, and their function catalyzes a reaction of drawing electrons from the substrate (electron accepting site) and using the electrons to reduce oxygen to water. The reaction site with an electron donor (type I copper site) is different from the reaction site with an electron acceptor. Such a catalytic ability of laccase, which is a multi-copper oxidase, can be applied to various chemical reactions. For example, treatment of waste liquids containing highly toxic phenolic compounds and aromatic amines, removal of ligrin in pulp production treatment, etc., electrode catalyst, production of artificial lacquer, synthesis of organic compounds, browning treatment of tea, production of melanin for cosmetics, It is expected to be used in many industrial fields such as food gelling agents, clinical test reagents, and bleaching agents. In addition, laccase is known to use an electrode as an electron donor. By combining with an appropriate electrode substrate such as a carbon substrate, an electrode catalyst for an anode (oxygen reduction electrode) of a bio battery or a biosensor. Industrial use as an electrode catalyst is expected.

ラッカーゼをはじめとするマルチ銅酸化酵素は、微生物、菌類、植物等に広く存在することが知られており、多種多様の生物から単離されている(非特許文献1等)。非特許文献1には、ラッカーゼに関する特許総説であり、種々のラッカーゼの特性が開示されている。なかでも、大腸菌(非特許文献2等)、枯草菌Bacillus subtillis(非特許文献3等)、クワ暗斑病菌Myrothecium verrucaria(非特許文献4等)、サーマス・サーモフィラスThermus thermophilus(非特許文献5、6等)等に由来するマルチ銅酸化酵素の研究が特に進められている。非特許文献2には、大腸菌の銅排出系に関与するマルチ銅酸化酵素(CueO)が報告され、CueOが他のマルチ銅酸化酵素とは異なる基質特異性を示す等、その特性が開示されている。非特許文献3には、枯草菌の芽胞外殻タンパク質(CotA)がラッカーゼ活性を有し、非常に安定した活性を示すことが報告されている。非特許文献4には、クワ暗斑病菌由来のビリルビンオキシダーゼが報告され、高い熱安定性、pH安定性を示す等、その特性が開示されている。非特許文献5、6には、サーマス・サーモフィラスのHB27株由来のラッカーゼが報告され、高い熱安定性を有する等、その生物学的特性等の特性が開示されている。特に非特許文献6には、その電気化学的特性が開示されている。また、非特許文献2に記載の大腸菌由来のCueOの高活性化変異体について報告されている(非特許文献7)。   Multi-copper oxidase including laccase is known to exist widely in microorganisms, fungi, plants and the like, and has been isolated from a wide variety of organisms (Non-patent Document 1, etc.). Non-Patent Document 1 is a patent review on laccase and discloses various characteristics of laccase. Among them, Escherichia coli (Non-patent document 2 etc.), Bacillus subtillis (Non-patent document 3 etc.), Mulberry cactus fungus Myrothecium verrucaria (Non-patent document 4 etc.), Thermus thermophilus Thermus thermophilus (Non-patent documents 5 and 6) Etc.), etc. are particularly advanced. Non-Patent Document 2 reports multi-copper oxidase (CueO) involved in the copper excretion system of Escherichia coli, and its characteristics are disclosed, such as CueO showing a substrate specificity different from other multi-copper oxidases. Yes. Non-Patent Document 3 reports that the spore coat protein (CotA) of Bacillus subtilis has laccase activity and exhibits very stable activity. Non-Patent Document 4 reports bilirubin oxidase derived from a mulberry dark spot fungus, and discloses its properties such as high thermal stability and pH stability. Non-Patent Documents 5 and 6 report laccase derived from the HB27 strain of Thermus thermophilus and disclose characteristics such as biological characteristics such as high thermal stability. In particular, Non-Patent Document 6 discloses its electrochemical characteristics. Further, a highly activated mutant of CueO derived from E. coli described in Non-Patent Document 2 has been reported (Non-Patent Document 7).

また、環境試料中から微生物の分離培養を介さずに調製されたメタゲノムからもマルチ銅酸化酵素は単離されている(特許文献1、特許文献2等)。特許文献1に開示のラッカーゼは以前に本発明者らによって見出されたものであり、至適温度が高く、至適pHも5.0と酸性領域であり、熱安定性及びpH安定性が優れる等、その特性が報告されている。特許文献2には、活性汚泥から調製されたメタゲノム由来のラッカーゼが報告されている。そして、広範な基質特異性、熱安定性、界面活性剤及びキレート剤耐性を示し、また至適pHがアルカリ性である等、その特性が開示されている。   Multi-copper oxidase has also been isolated from a metagenome prepared from environmental samples without using microorganisms for separation and culture (Patent Document 1, Patent Document 2, etc.). The laccase disclosed in Patent Document 1 was previously discovered by the present inventors, has a high optimum temperature, an optimum pH of 5.0 and an acidic region, and has excellent thermal stability and pH stability. Its characteristics have been reported. Patent Document 2 reports a metagenome-derived laccase prepared from activated sludge. The characteristics are disclosed, such as exhibiting a wide range of substrate specificity, heat stability, surfactant and chelating agent resistance, and an optimum pH being alkaline.

特開2011-87474号公報(特願2009-241586)Japanese Unexamined Patent Publication No. 2011-87474 (Japanese Patent Application No. 2009-241586) 特願2009-201481号公報(特願2008-50087)Japanese Patent Application No. 2009-201481 (Japanese Patent Application 2008-50087)

Adinarayana Kunamneni他著、“Laccases and Their Applications: A Patent Review(ラッカーゼ及びそれらの出願:特許総説)” Recent Patents on Biotechnology、2008年、第2巻、第1号、第10〜24頁、ISSN:1872-2083Adinarayana Kunamneni et al., “Laccases and Their Applications: A Patent Review” Recent Patents on Biotechnology, 2008, Vol. 2, No. 1, pp. 10-24, ISSN: 1872 -2083 Kataoka K.他著、“Four-Electron Reduction of Dioxygen by a Multicopper Oxidase, CueO, and Roles of Asp112 and Glu506 Located Adjacent to the Trinuclear Copper Center(マルチ銅酸化酵素、CueOによる酸素分子の4電子還元、及び三核銅センター近傍に位置するAsp112及びGlu506の役割)”、J. Biol. Chem.、2009年、第284巻、第21巻、第14405〜14413頁Kataoka K. et al., “Four-Electron Reduction of Dioxygen by a Multicopper Oxidase, CueO, and Roles of Asp112 and Glu506 Located Adjacent to the Trinuclear Copper Center (multi-copper oxidase, 4-electron reduction of oxygen molecules by CueO Roles of Asp112 and Glu506 located near the nuclear copper center) ”, J. Biol. Chem., 2009, 284, 21, 14405-14413 Ligia O. Martins 他著、“Molecular and Biochemical Characterization of a Highly Stable Bacterial Laccase That Occurs as a Structural Component of the Bacillus subtilis Endospore Coat(枯草菌の芽胞外殻の構造的成分として存在する非常に安定なバクテリアラッカーゼの分子的及び生化学的特性)”、J Biol Chem.、2002年、第277巻、第21号、第18849〜18859頁Ligia O. Martins et al., “Molecular and Biochemical Characterization of a Highly Stable Bacterial Laccase That Occurs as a Structural Component of the Bacillus subtilis Endospore Coat. And J Biol Chem., 2002, 277, 21, 18849-18859 アマノエンザイム社製試薬Bilirubin Oxidase"Amano" 3(Myrothecium sp.)データシートAmiloenzyme Bilirubin Oxidase "Amano" 3 (Myrothecium sp.) Data sheet Miyazaki K.他著、“A hyperthermophilic laccase from Thermus thermophilus HB27.(サーマス・サーモフィラスHB27株由来の超好熱性ラッカーゼ)” Extremophiles : life under extreme conditions." Extremophiles、2005年、第9巻、第6号、第415〜425頁Miyazaki K. et al., "A hyperthermophilic laccase from Thermus thermophilus HB27." Extremophiles: life under extreme conditions. "Extremophiles, 2005, Vol. 9, No. 6, Pages 415-425 Liu X.他著、“Electrochemical properties and temperature dependence of a recombinant laccase from Thermus thermophilus.(Thermus thermophilus HB27由来の組換えラッカーゼの電気化学的性質および温度依存性)”、Anal. Bioanal. Chem.、2011年、第399巻、第1号、第361〜366頁Liu X. et al., “Electrochemical properties and temperature dependence of a recombinant laccase from Thermus thermophilus.”, Anal. Bioanal. Chem., 2011 399, No.1, pp.361-366 Kataoka K.他著、Enhancement of laccase activity through the construction and breakdown of a hydrogen bond at the type I copper center in Escherichia coli CueO and the deletion mutant Δα5-7 CueO.(大腸菌CueO中のタイプIの銅中心における水素結合の構築及び破壊を通したラッカーゼ活性の増強、および欠失変異体Δα57 CueO)”Biochemistry、2011年、第50巻、第4号、第558〜565頁Kataoka K. et al., Enhancement of laccase activity through the construction and breakdown of a hydrogen bond at the type I copper center in Escherichia coli CueO and the deletion mutant Δα5-7 CueO. Enhancement of laccase activity through bond construction and destruction, and deletion mutant Δα57 CueO) ”Biochemistry, 2011, 50, 4, 558-565

しかしながら、上記した通り、多種多様の生物からラッカーゼ活性を有するタンパク質が単離されているが、バイオ電池やバイオセンサーの電極触媒等としての実用化のためには、触媒活性の更なる向上が望まれていた。触媒活性の向上は、バイオ電池の出力向上やバイオセンサーの感度向上等につながり、当該分野における技術発展を促進する。そこで、本発明は、既知のラッカーゼ活性を有するタンパク質に比べ、優れた基質触媒活性を有する高活性化変異体の提供を目的とする。また、電極への優れた直接的な電子伝達効率及び安定した触媒機能を有し、電極触媒としての利用に適した高活性化変異体の提供を目的とする。   However, as described above, proteins with laccase activity have been isolated from a wide variety of organisms. However, for practical application as biocatalysts and electrode sensors for biosensors, further improvement in catalytic activity is desired. It was rare. Improvement of the catalytic activity leads to an improvement in the output of the bio battery, an improvement in the sensitivity of the biosensor, and the like, and promotes technological development in this field. Therefore, an object of the present invention is to provide a highly activated mutant having a substrate catalytic activity superior to that of a protein having a known laccase activity. Another object of the present invention is to provide a highly activated mutant that has excellent direct electron transfer efficiency to the electrode and a stable catalytic function, and is suitable for use as an electrode catalyst.

そこで、本発明者らは上記目的を達成するべく、鋭意研究を行った結果、既知の野生型ラッカーゼの立体構造を構成するアミノ酸の中のある特定のアミノ酸残基が比活性に影響を与えることを見出した。そして、これを他のアミノ酸残基に置換することにより比活性が向上し、野生型との比較でラッカーゼ活性の最大処理能力を3〜4倍向上させることができることを見出した。更に、N末端側の一部領域のアミノ酸群を欠失させることによって、電極への直接的な電子伝達効率及び触媒機能の安定性を向上できることを見出した。これらの知見に基づいて本発明を完成するに至った。   Therefore, as a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have found that a specific amino acid residue in the amino acid constituting the three-dimensional structure of a known wild type laccase affects the specific activity. I found. And it discovered that the specific activity improved by substituting this with another amino acid residue, and the maximum processing capacity of laccase activity can be improved 3 to 4 times compared with the wild type. Furthermore, it has been found that the efficiency of direct electron transfer to the electrode and the stability of the catalytic function can be improved by deleting an amino acid group in a partial region on the N-terminal side. The present invention has been completed based on these findings.

即ち、以下の〔1〕〜〔15〕に示す発明を提供する。
〔1〕以下からなる群より選択されるタンパク質。
(a)配列番号2のアミノ酸配列の第308番目のメチオニンが他のアミノ酸に置換されたアミノ酸配列を含むタンパク質
(b)配列番号2のアミノ酸配列において1若しくは数個のアミノ酸が欠失、置換若しくは付加されており、そして配列番号2のアミノ酸配列の308番目に相当する位置のアミノ酸残基がメチオニン以外であるアミノ酸配列を含み、配列番号2のアミノ酸配列からなるタンパク質と比較して向上したラッカーゼ活性を有するタンパク質
〔2〕前記他のアミノ酸が、アルギニンである。
〔3〕以下からなる群より選択される本発明のタンパク質。
(a)配列番号4のアミノ酸配列からなるタンパク質
(b)配列番号4のアミノ酸配列において1若しくは数個のアミノ酸が欠失、置換若しくは付加されており、そして配列番号4のアミノ酸配列の308番目に相当する位置のアミノ酸残基がアルギニンであるアミノ酸配列からなり、配列番号2のアミノ酸配列からなるタンパク質と比較して向上したラッカーゼ活性を有するタンパク質
(c)配列番号5のアミノ酸配列からなるタンパク質
(d)配列番号5のアミノ酸配列において1若しくは数個のアミノ酸が欠失、置換若しくは付加されており、そして配列番号5のアミノ酸配列の308番目に相当する位置のアミノ酸残基がアルギニンであるアミノ酸配列からなり、配列番号2のアミノ酸配列からなるタンパク質と比較して向上したラッカーゼ活性を有するタンパク質
That is, the invention shown in the following [1] to [15] is provided.
[1] A protein selected from the group consisting of:
(A) a protein comprising an amino acid sequence in which the 308th methionine of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 is substituted with another amino acid (b) one or several amino acids are deleted, substituted or substituted in the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 And an improved laccase activity as compared to a protein comprising the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 comprising an amino acid sequence other than methionine at the position corresponding to position 308 of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 [2] The other amino acid is arginine.
[3] The protein of the present invention selected from the group consisting of:
(A) a protein comprising the amino acid sequence of SEQ ID NO: 4 (b) one or several amino acids have been deleted, substituted or added in the amino acid sequence of SEQ ID NO: 4, and the 308th amino acid sequence of SEQ ID NO: 4 A protein comprising an amino acid sequence in which the corresponding amino acid residue is arginine and having improved laccase activity compared to a protein comprising the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 (c) a protein comprising the amino acid sequence of SEQ ID NO: 5 (d ) From the amino acid sequence in which one or several amino acids have been deleted, substituted or added in the amino acid sequence of SEQ ID NO: 5 and the amino acid residue at the position corresponding to position 308 of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 5 is arginine Improved laccase compared to the protein consisting of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 Protein having sex

〔1〕〜〔3〕の構成によれば、野生型と比べてラッカーゼ活性が向上した新規な高活性化変異体を提供する。当該高活性化変異体は、ラッカーゼ活性における最大処理能力(Vmax値)が3〜4倍向上する等、優れた基質触媒能力を有する。したがって、当該高活性化変異体は、医療、食品、環境分野等の様々な産業分野において、フェノール類化合物の酸化還元反応を要する技術に適用することができる。特に、優れた基質触媒能力が要求されるバイオ電池やバイオセンサーの電極触媒としての利用が期待される。   According to the constitutions [1] to [3], a novel highly active mutant having improved laccase activity compared to the wild type is provided. The highly activated mutant has an excellent substrate catalytic ability such that the maximum throughput (Vmax value) in laccase activity is improved 3 to 4 times. Therefore, the highly activated mutant can be applied to a technique that requires a redox reaction of a phenol compound in various industrial fields such as medical, food, and environmental fields. In particular, it is expected to be used as an electrode catalyst for biocells and biosensors that require excellent substrate catalytic ability.

〔4〕以下からなる群より選択されるタンパク質。
(a)配列番号25のアミノ酸配列からなるタンパク質
(b)配列番号25のアミノ酸配列において1若しくは数個のアミノ酸が欠失、置換若しくは付加されており、そして配列番号25のアミノ酸配列の241番目に相当する位置のアミノ酸残基がアルギニンであるアミノ酸配列からなり、配列番号2のアミノ酸配列からなるタンパク質と比較して向上したラッカーゼ活性、及び配列番号4又は5のアミノ酸配列からなるタンパク質と比較して向上した直接電子伝達活性を有するタンパク質
(c)配列番号27のアミノ酸配列からなるタンパク質
(d)配列番号27のアミノ酸配列において1若しくは数個のアミノ酸が欠失、置換若しくは付加されており、そして配列番号27のアミノ酸配列の268番目に相当する位置のアミノ酸残基がアルギニンであるアミノ酸配列からなり、配列番号2のアミノ酸配列からなるタンパク質と比較して向上したラッカーゼ活性、及び配列番号4又は5のアミノ酸配列からなるタンパク質と比較して向上した直接電子伝達活性を有するタンパク質
[4] A protein selected from the group consisting of:
(A) a protein comprising the amino acid sequence of SEQ ID NO: 25 (b) one or several amino acids have been deleted, substituted or added in the amino acid sequence of SEQ ID NO: 25, and the 241st amino acid sequence of SEQ ID NO: 25 The amino acid residue at the corresponding position consists of an amino acid sequence that is arginine, and has an improved laccase activity compared to the protein consisting of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 and the protein consisting of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 4 or 5. A protein having improved direct electron transfer activity (c) a protein comprising the amino acid sequence of SEQ ID NO: 27, (d) one or several amino acids have been deleted, substituted or added in the amino acid sequence of SEQ ID NO: 27, and the sequence The amino acid residue at the position corresponding to position 268 of the amino acid sequence of No. 27 is arginine To the amino acid sequence is a protein having a comparison with improved laccase activity, and SEQ ID NO: 4 or directly improved as compared to a protein consisting of five amino acid sequence electron transfer activity to the protein consisting of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2

上記〔4〕の構成によれば、野生型と比べてラッカーゼ活性が向上すると共に、電子伝達効率及び性能安定性が向上したN末端側切断型の高活性化変異体を提供する。当該高活性化変異体は、改変の基礎とした野生型に比べて、そのラッカーゼ活性を3〜4倍向上できると共に、既存のラッカーゼ活性を有するタンパク質と比べて電子伝達機能が3〜4倍以上向上している。そして、N末端側切断前の本発明の高活性化変異体、例えば、配列番号4又は5のアミノ酸配列からなるタンパク質、と比べても電子伝達機能を4〜5倍以上向上させることができる等、優れた電極触媒性能を有する。詳細には、本発明のN末端側切断型の高活性化変異体を電極触媒として利用し場合に、電極との直接電子移動が可能であり、高い触媒電流を得ることができる。したがって、当該N末端側切断型の高活性化変異体は、医療、食品、環境分野等の様々な産業分野において、フェノール類化合物の酸化還元反応を要する技術に適用することができる。特に、優れた基質触媒能力及び電極触媒能力が要求されるバイオ電池やバイオセンサーの電極触媒としての利用が期待される。   According to the configuration of [4] above, an N-terminal truncated high activation mutant having improved laccase activity and improved electron transfer efficiency and performance stability as compared with the wild type is provided. The highly activating mutant can improve the laccase activity 3-4 times compared to the wild type that is the basis of the modification, and the electron transfer function is 3-4 times more than the protein having the existing laccase activity. It has improved. And the electron transfer function can be improved 4 to 5 times or more compared to the highly activating mutant of the present invention before cleavage at the N-terminal side, for example, the protein comprising the amino acid sequence of SEQ ID NO: 4 or 5. Excellent electrocatalytic performance. Specifically, when the N-terminal truncated high activation mutant of the present invention is used as an electrode catalyst, direct electron transfer with the electrode is possible, and a high catalyst current can be obtained. Therefore, the N-terminal truncated high activation mutant can be applied to a technique that requires an oxidation-reduction reaction of a phenol compound in various industrial fields such as medical, food, and environmental fields. In particular, it is expected to be used as an electrode catalyst for biocells and biosensors that require excellent substrate catalyst ability and electrode catalyst ability.

〔5〕上記タンパク質(高活性化変異体)をコードする核酸分子。
〔6〕上記核酸分子を含有する組換えベクター。
〔7〕上記組換えベクターを有する形質転換体。
〔8〕上記形質転換体を10〜20℃で培養する工程、及び得られた培養物からラッカーゼ活性を示すタンパク質を採取する工程を含む、上記タンパク質を製造する方法。
[5] A nucleic acid molecule encoding the protein (high activation mutant).
[6] A recombinant vector containing the nucleic acid molecule.
[7] A transformant having the above recombinant vector.
[8] A method for producing the protein, comprising the steps of culturing the transformant at 10 to 20 ° C. and collecting a protein exhibiting laccase activity from the obtained culture.

〔5〕〜〔8〕の構成によれば、野生型と比べてラッカーゼ活性が向上した新規な高活性化変異体をコードする核酸分子、組換えベクター、形質転換体、及び当該高活性化変異体を製造する方法を提供する。また、当該高活性化変異体をコードする塩基配列が判明したことから、遺伝子工学的手法により低コストかつ工業的に当該高活性化変異体を大量生産することができる。これにより、当該高活性化変異体の産業上の利用価値をさらに高めることができる。   According to the configuration of [5] to [8], a nucleic acid molecule encoding a novel highly activating mutant having improved laccase activity compared to the wild type, recombinant vector, transformant, and the activating mutation A method of manufacturing a body is provided. In addition, since the base sequence encoding the highly activated mutant has been found, the highly activated mutant can be mass-produced at low cost and industrially by genetic engineering techniques. Thereby, the industrial utility value of the highly activated mutant can be further increased.

〔9〕上記タンパク質(高活性化変異体)を固定化した電極を、カソード側電極として備えるバイオ電池。
〔10〕上記タンパク質(N末端側切断型の高活性化変異体)を電気伝導性の多孔性材料を介して固定化した電極を、カソード側電極として備える。
〔11〕前記多孔性材料が、直径20〜40nmの細孔を有する多孔性カーボンである。
[9] A biobattery provided with an electrode on which the above protein (high activation mutant) is immobilized as a cathode side electrode.
[10] An electrode on which the above-described protein (N-terminal cleaved highly activated mutant) is immobilized via an electrically conductive porous material is provided as a cathode-side electrode.
[11] The porous material is porous carbon having pores having a diameter of 20 to 40 nm.

〔9〕の構成によれば、野生型と比べてラッカーゼ活性が向上した新規な高活性化変異体をカソード側電極として利用したバイオ電池を提供する。当該バイオ電池は、カソード側電極触媒として利用される当該高活性化変異体が優れた基質触媒能力を有することから、カソード側電極上での酸化還元反応が高効率に進められ、その結果、得られる電気エネルギーが増加し高出力かつ安定した発電が可能となる。これにより高性能で実用性の高いバイオ電池を構築することができる。
特に〔10〕〜〔11〕の構成によれば、上記〔4〕の本発明のN末端側切断型の高活性化変異体を多孔性材料の細孔内に電極との直接電子移動ができる形で固定することができ、これにより直接電子移動型の優れた触媒電流性能を有する電極として構成することができる。そして、細孔内に充填することにより電極上での本発明のN末端側切断型の高活性化変異体の触媒機能等の性能低下を低減でき電極の安定性が向上するとの利点もある。これにより、更なる高出力かつ安定した発電が可能となり、高性能で実用性の高いバイオ電池を構築することができる。
According to the configuration of [9], a biobattery using a novel highly activated mutant having improved laccase activity as compared with the wild type as a cathode side electrode is provided. In the biobattery, since the highly activated mutant used as a cathode-side electrode catalyst has an excellent substrate catalytic ability, the oxidation-reduction reaction on the cathode-side electrode is advanced with high efficiency. As a result, the electric energy generated increases, and high power and stable power generation becomes possible. As a result, a high-performance and highly practical biobattery can be constructed.
In particular, according to the constitutions [10] to [11], the N-terminal truncated high activation variant of the present invention [4] can be directly transferred to the electrode in the pores of the porous material. The electrode can be fixed in the form of an electrode having excellent catalytic current performance of a direct electron transfer type. Further, by filling in the pores, there is an advantage that the performance degradation such as the catalytic function of the N-terminally-cut highly activated mutant of the present invention on the electrode can be reduced and the stability of the electrode is improved. Thereby, further high output and stable power generation becomes possible, and a high-performance and highly practical bio battery can be constructed.

〔12〕上記タンパク質(高活性化変異体)を固定化した電極を、基質認識部位として備えるバイオセンサー。
〔13〕上記のタンパク質(N末端側切断型の高活性化変異体)を電気伝導性の多孔性材料を介して固定化した電極を備える。
〔14〕前記多孔性材料が、直径20〜40nmの細孔を有する多孔性カーボンである。
[12] A biosensor comprising an electrode on which the protein (high activation mutant) is immobilized as a substrate recognition site.
[13] An electrode in which the above-described protein (N-terminal cleavage type highly active mutant) is immobilized via an electrically conductive porous material is provided.
[14] The porous material is porous carbon having pores having a diameter of 20 to 40 nm.

〔12〕の構成によれば、野生型と比べてラッカーゼ活性が向上した新規な高活性化変異体を基質認識部位として利用したバイオセンサーを提供する。基質認識部位として利用される当該高活性化変異体は、優れた基質触媒能力を有することから、基質認識部位である作用電極上で、検出対象物質である基質の酸化還元反応が高効率で進む。その結果、電気信号の高出力化により検出感度の向上を図ることができる。これにより、高性能で実用性の高いバイオセンサーを構築することができる。したがって、当該バイオセンサーは当該高活性化変異体の基質であるフェノール類化合物を検出するためのフェノールセンサーとして、医療、食品、環境分野等、種々の産業分野において利用可能である。
特に〔13〕〜〔14〕の構成によれば、上記〔4〕の本発明のN末端側切断型の高活性化変異体を多孔性材料の細孔内に電極との直接電子移動ができる形で固定することができ、これにより直接電子移動型の優れた触媒電流性能を有する電極として構成することができる。そして、電極上での本発明のN末端側切断型の高活性化変異体の性能低下を低減できるとの利点もある。これにより、更なる電気信号の高出力化により検出感度の向上を図ることができ、高性能で実用性の高いバイオセンサーの構築に貢献できる。
According to the configuration of [12], a biosensor using a novel highly active mutant having improved laccase activity as compared with the wild type as a substrate recognition site is provided. Since the highly active mutant used as a substrate recognition site has excellent substrate catalytic ability, the oxidation-reduction reaction of the substrate that is the detection target substance proceeds with high efficiency on the working electrode that is the substrate recognition site. . As a result, the detection sensitivity can be improved by increasing the output of the electric signal. Thereby, a biosensor with high performance and high practicality can be constructed. Therefore, the biosensor can be used in various industrial fields such as medical, food, and environmental fields as a phenol sensor for detecting a phenol compound that is a substrate of the highly activated mutant.
In particular, according to the constitutions [13] to [14], the N-terminal truncated high activation variant of the present invention [4] can be directly transferred to the electrode in the pores of the porous material. The electrode can be fixed in the form of an electrode having excellent catalytic current performance of a direct electron transfer type. And there also exists an advantage that the performance fall of the N terminal side cutting | disconnection type highly activated variant of this invention on an electrode can be reduced. As a result, the detection sensitivity can be improved by further increasing the output of the electric signal, which contributes to the construction of a biosensor with high performance and high practicality.

〔15〕上記タンパク質(高活性化変異体)と被検試料とを接触させ、ラッカーゼ活性の変化を測定することによりフェノール類化合物を検出する、フェノール類化合物の検出方法。 [15] A method for detecting a phenolic compound, wherein the protein (highly activated mutant) is contacted with a test sample, and the change in laccase activity is measured to detect the phenolic compound.

〔15〕の構成によれば、野生型と比べてラッカーゼ活性が向上した新規な高活性化変異体を利用して、フェノール類化合物を検出する方法を提供する。フェノール類化合物は当該高活性化変異体の基質であり、当該高活性化変異体がもつ優れた基質触媒能力を利用してフェノール類化合物を検出する。検出対象物質である基質の酸化還元反応が高効率で行われるため、検出感度の向上を図ることができる。したがって、当該フェノール類化合物の検出方法は高精度で実用性が高く、医療、食品、環境分野等、種々の産業分野において利用可能である。   According to the structure of [15], the method of detecting a phenol compound is provided using the novel highly activated mutant which improved the laccase activity compared with the wild type. The phenolic compound is a substrate of the highly activated mutant, and the phenolic compound is detected by utilizing the excellent substrate catalytic ability of the highly activated mutant. Since the oxidation-reduction reaction of the substrate that is the detection target substance is performed with high efficiency, the detection sensitivity can be improved. Therefore, the detection method of the phenol compounds is highly accurate and highly practical, and can be used in various industrial fields such as medical, food, and environmental fields.

変異体No.3の構築の基礎とした野生型MELACの塩基配列を示す図。The figure which shows the base sequence of wild-type MELAC used as the foundation of construction of mutant No.3. 変異体No.3の構築の基礎とした野生型MELACのアミノ酸配列を示す図。The figure which shows the amino acid sequence of wild-type MELAC used as the foundation of construction of mutant No.3. 変異体No.3の塩基配列を示す図。The figure which shows the base sequence of variant No.3. 変異体No.3のアミノ酸配列を示す図。The figure which shows the amino acid sequence of variant No.3. 実施例1のステップ4において、野生型MELACを基に作成した変異体のラッカーゼ活性を測定した結果を示す図。The figure which shows the result of having measured the laccase activity of the variant produced based on wild-type MELAC in Step 4 of Example 1. FIG. 実施例4において、実施例1のステップ4で取得した変異体(変異体No.3)の組換え合成及び精製を確認した結果を示す電気泳動図。In Example 4, the electrophoretic diagram which shows the result of having confirmed the recombinant synthesis and purification of the variant (mutant No. 3) acquired at step 4 of Example 1. FIG. 実施例1のステップ4で取得した各変異体のラッカーゼ活性を比較した実施例4の結果を示すグラフ。The graph which shows the result of Example 4 which compared the laccase activity of each variant acquired at Step 4 of Example 1. FIG. 実施例4において高活性化変異体であると確認された変異体No.3のラッカーゼ活性のPH依存性(pH3.5〜5.5)を確認した実施例5の結果を示すグラフ。The graph which shows the result of Example 5 which confirmed PH dependence (pH 3.5-5.5) of the laccase activity of the mutant No. 3 confirmed to be a highly activating mutant in Example 4. 変異体No.3のラッカーゼ活性のPH依存性(pH5.5〜8.0)を確認した実施例5の結果を示すグラフ。The graph which shows the result of Example 5 which confirmed PH dependence (pH5.5-8.0) of the laccase activity of variant No.3. 実施例6において、変異導入部位のラッカーゼ活性向上に対する影響を調べるために、変異体No.3の二箇所の変異導入部位のうちの一箇所のみ変異を導入した変異体(変異体Q225R、変異体M308R)の組換え合成及び精製を確認した結果を示す電気泳動図。In Example 6, in order to examine the effect of the mutation introduction site on the laccase activity improvement, a mutant in which mutation was introduced only in one of the two mutation introduction sites of mutant No. 3 (mutant Q225R, mutant The electrophoretic diagram which shows the result of having confirmed the recombinant synthesis and purification of M308R). 変異体No.3において、変異導入部位のラッカーゼ活性向上に対する影響を確認した実施例6の結果を示すグラフ。In mutant No. 3, the graph which shows the result of Example 6 which confirmed the influence with respect to the laccase activity improvement of a mutation introduction site | part. 変異体No.3、変異体M308R、野生型MELACのラッカーゼ活性の基質濃度依存性(0〜2000μM)を確認した実施例7の結果を示すグラフ。The graph which shows the result of Example 7 which confirmed the substrate concentration dependence (0-2000 micromol) of the laccase activity of mutant No.3, mutant M308R, and wild-type MELAC. 変異体No.3、変異体M308R、野生型MELACのラッカーゼ活性の基質濃度依存性(1000〜4500μM)を確認した実施例7の結果を示すグラフ。The graph which shows the result of Example 7 which confirmed the substrate concentration dependence (1000-4500 micromol) of the laccase activity of mutant No.3, mutant M308R, wild-type MELAC. 実施例9にて構築した野生型MELACの立体構造モデルを示す図であり、Ball&Stick表示によりM308及びタイプIの銅の位置を示す。It is a figure which shows the three-dimensional structure model of the wild-type MELAC constructed | assembled in Example 9, and shows the position of M308 and the type I copper by Ball & Stick display. 実施例9にて構築した野生型MELACの類似酵素Mv.BOの立体構造モデルを示す図であり、Ball&Stick表示により基質結合に関与すると推定されるアミノ酸群を示す。It is a figure which shows the three-dimensional structure model of the similar enzyme Mv.BO of the wild-type MELAC constructed | assembled in Example 9, and shows the amino acid group estimated to be involved in substrate binding by Ball & Stick display. 実施例9にて構築した図9Aと図9Bの立体構造モデルを重ね合わせた図。The figure which piled up the three-dimensional structure model of FIG. 9A and FIG. 9B constructed | assembled in Example 9. FIG. 野生型MELAC亜種の配列特定を行った実施例10の結果を示すアライメント図(その1)。The alignment figure which shows the result of Example 10 which performed the sequence specification of the wild type MELAC subspecies (the 1). 野生型MELAC亜種の配列特定を行った実施例10の結果を示すアライメント図(その2)。The alignment figure which shows the result of Example 10 which performed the sequence specification of the wild type MELAC subspecies (the 2). 野生型MELAC亜種の配列特定を行った実施例10の結果を示すアライメント図(その3)。The alignment figure which shows the result of Example 10 which performed the sequence specification of the wild type MELAC subspecies (the 3). 変異体M308Rのラッカーゼ活性を電気化学的に測定より電極触媒活性として確認した実施例11の結果を示すグラフ。The graph which shows the result of Example 11 which confirmed the laccase activity of the variant M308R as an electrocatalytic activity from the electrochemical measurement. 酵素改変の検討を行った実施例12の結果を示す図であり、変異体M308Rとサーマス・サーモフィラスHB27株由来の耐熱性ラッカーゼとのアミノ酸配列比較の結果を示す。It is a figure which shows the result of Example 12 which examined the enzyme modification, and shows the result of the amino acid sequence comparison with mutant M308R and thermostable laccase derived from Thermus thermophilus HB27 strain. 酵素改変の検討を行った実施例12の結果を示す図であり、変異体M308Rと変異体M308R-Del68との構造モデルの比較を表す。It is a figure which shows the result of Example 12 which examined the enzyme modification | reformation, and represents the comparison of the structural model of variant M308R and variant M308R-Del68. 改変酵素の作製を行った実施例13において、作製した変異体M308R-Del68の基礎とした変異体M308Rの塩基配列と、変異体M308R-Del68作製、変異体M308R-Del41、変異体M308R-Del77のための欠失部位を示す図。In Example 13 in which the modified enzyme was prepared, the base sequence of the mutant M308R based on the mutant M308R-Del68 prepared, the mutant M308R-Del68 production, the mutant M308R-Del41, and the mutant M308R-Del77 The figure which shows the deletion site for 改変酵素の作製を行った実施例13において、作製した変異体M308R-Del68の基礎とした変異体M308Rのアミノ酸配列と、変異体M308R-Del68変異体M308R-Del41、変異体M308R-Del77作製のための欠失部位を示す図。In Example 13 where the modified enzyme was prepared, the amino acid sequence of the mutant M308R based on the prepared mutant M308R-Del68, and the mutant M308R-Del68 mutant M308R-Del41 and mutant M308R-Del77 were prepared. FIG. 改変酵素の作製を行った実施例13において、作製した変異体M308R-Del68の塩基配列を示す図。The figure which shows the base sequence of the produced variant M308R-Del68 in Example 13 which produced the modification enzyme. 改変酵素の作製を行った実施例13において、作製した変異体M308R-Del68のアミノ酸配列を示す図。The figure which shows the amino acid sequence of the produced variant M308R-Del68 in Example 13 which produced the modification enzyme. 改変酵素の作製を行った実施例13の結果を示す電気泳動図であり、電気泳動によるタンパク質の確認結果を示す。It is an electrophoretic diagram which shows the result of Example 13 which performed preparation of a modification enzyme, and shows the confirmation result of the protein by electrophoresis. ラッカーゼ活性の測定により変異体の活性確認を行った実施例14の結果を示すグラフ。The graph which shows the result of Example 14 which performed activity confirmation of the variant by the measurement of laccase activity. 実施例13で作製した変異体の電極触媒活性の比較により変異体の活性確認を行った実施例15の結果を示すグラフ。The graph which shows the result of Example 15 which performed the activity confirmation of the variant by comparing the electrocatalytic activity of the variant produced in Example 13. FIG. 既存の酵素との電極触媒活性の比較により変異体M308R-Del68の活性確認を行った実施例16の結果を示すグラフ。The graph which shows the result of Example 16 which performed activity confirmation of variant M308R-Del68 by the comparison of the electrocatalytic activity with the existing enzyme. 多孔性カーボン電極を作製する際のカーボンゲル細孔径の最適化を固定化量により検討した実施例17の結果を示すグラフ。The graph which shows the result of Example 17 which examined optimization of the carbon gel pore diameter at the time of producing a porous carbon electrode by the amount of fixation. 多孔性カーボン電極を作製する際のカーボンゲル細孔径の最適化を電極触媒活性により検討した実施例17の結果を示すグラフ。The graph which shows the result of Example 17 which examined optimization of the carbon gel pore diameter at the time of producing a porous carbon electrode by electrocatalytic activity. 既存の酵素との電極触媒活性の比較により変異体M308R-Del68の活性確認を行った実施例18の結果を示すグラフ。The graph which shows the result of Example 18 which performed activity confirmation of the variant M308R-Del68 by the comparison of the electrocatalytic activity with the existing enzyme. 既存の酵素との耐久性の比較により変異体M308R-Del68の活性確認を行った実施例19の結果を示すグラフであり、変異体M308R-Del68の溶媒中での耐久性を検討した結果を示す。It is a graph which shows the result of Example 19 which performed activity confirmation of mutant M308R-Del68 by comparison with durability with the existing enzyme, and shows the result of having examined durability in the solvent of mutant M308R-Del68 . 既存の酵素との耐久性の比較により変異体M308R-Del68の活性確認を行った実施例19の結果を示すグラフであり、既存の酵素の溶媒中での耐久性を検討した結果を示す。It is a graph which shows the result of Example 19 which performed activity confirmation of mutant M308R-Del68 by comparison with durability with the existing enzyme, and shows the result of having examined the durability in the solvent of the existing enzyme.

以下、本発明について詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail.

1.本発明のラッカーゼ活性を有するタンパク質の高活性化変異体
本発明のラッカーゼ活性を有するタンパク質の高活性化変異体(以下、本明細書において「高活性化変異体」と称する場合がある。)は、天然に存在する野生型のラッカーゼ活性を有するタンパク質(以下、本明細書において「野生型ラッカーゼ」と称する場合がある。)のアミノ酸配列において、少なくとも1つの位置のアミノ酸の欠失、置換、付加或いは挿入により改変されており、そして、野生型ラッカーゼに比べてその触媒活性が向上している。ここで、「少なくとも1つの位置のアミノ酸の欠失、置換、付加或いは挿入により改変」とは、改変の基礎となるタンパク質をコードする遺伝子に対して、公知のDNA組換え技術、及び点変異導入方法等によって、欠失、置換、付加或いは挿入することができる程度の数のアミノ酸が、欠失、置換、付加或いは挿入されることを意味し、これらの組み合わせをも含む。したがって、高活性化変異体は、これらの改変を1つ有するものであっても、また2つ以上が組み合わされたものであってもよい。このような改変は、自然界において非意図的に生じることもあるが、人為的に導入したものであることが好ましい。
1. Highly Activated Variant of Protein Having the Laccase Activity of the Present Invention The highly activated variant of the protein having the laccase activity of the present invention (hereinafter sometimes referred to as “highly activated variant” in the present specification). Deletion, substitution, or addition of an amino acid at at least one position in the amino acid sequence of a protein having a wild-type laccase activity that exists in nature (hereinafter sometimes referred to as “wild-type laccase” in the present specification) Alternatively, it is modified by insertion, and its catalytic activity is improved compared to wild type laccase. Here, “modified by deletion, substitution, addition or insertion of an amino acid at at least one position” means a known DNA recombination technique and a point mutation introduction for a gene encoding a protein that is the basis of the modification. It means that as many amino acids as can be deleted, substituted, added or inserted by a method or the like are deleted, substituted, added or inserted, and combinations thereof are also included. Therefore, the highly activating mutant may have one of these modifications, or may be a combination of two or more. Such modification may occur unintentionally in nature, but is preferably artificially introduced.

ここで、ラッカーゼとは、基質酸化反応の触媒能力を有する酸化酵素であり、その触媒中心に4個の銅イオンが結合したマルチ銅酸化酵素である。つまり、ラッカーゼ活性とは基質酸化活性であり、具体的には、フェノール類化合物であるo-, p-ジフェノール、p-フェニレンジアミン、アスコルビン酸などの酸化が挙げられ、その触媒機能は、基質から電子を引き抜き(電子受容部位)、その電子を用いて酸素を水に還元することにより発揮される。そして、電子供与体との反応部位(タイプI銅部位)と、電子受容体との反応部位が異なることが知られている。基質としては、例えば、2,2'-アジノ-ビス-(3-エチルベンゾチアゾリン-6-スルホン酸(2,2'-azino-bis-(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonate (以下、「ABTS」と略する)、N-エチル-N-(2-ヒドロキシ-3-スルホプロピル)-3-メチルアニリン(以下、「TOOS」と略する)、ジメチルアニリン、ジエチルアニリン、N,N-ジメチル-p-フェニレンジアミン、カテコール、レゾルシノール、ヒドロキノン、フェノール、グアヤコール、ピロガロール、p-ヒドロキシ安息香酸、カフェイン酸、ヒドロカフェイン酸、o-クレゾール、p-トルイジン、o-クロロフェノール、m-クロロフェノール、p-クロロフェノール、2,4-ジクロロフェノール、2,6-ジクロロフェノール、2,4,6-トリクロロフェノール、2,6-ジメトキシフェノール、p-フェニレンジアミン、没食子酸プロピル等が例示でき、特にABTSが好ましく利用できる。   Here, the laccase is an oxidase having a catalytic ability for a substrate oxidation reaction, and is a multi-copper oxidase in which four copper ions are bonded to the center of the catalyst. In other words, laccase activity is substrate oxidation activity, and specifically includes oxidation of phenolic compounds such as o-, p-diphenol, p-phenylenediamine, and ascorbic acid. It is exhibited by pulling out electrons from the electron (electron accepting site) and reducing oxygen to water using the electrons. It is known that the reaction site with the electron donor (type I copper site) is different from the reaction site with the electron acceptor. Examples of the substrate include 2,2′-azino-bis- (3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonate (hereinafter referred to as “ABTS”). N-ethyl-N- (2-hydroxy-3-sulfopropyl) -3-methylaniline (hereinafter abbreviated as “TOOS”), dimethylaniline, diethylaniline, N, N-dimethyl-p -Phenylenediamine, catechol, resorcinol, hydroquinone, phenol, guaiacol, pyrogallol, p-hydroxybenzoic acid, caffeic acid, hydrocaffeic acid, o-cresol, p-toluidine, o-chlorophenol, m-chlorophenol, p -Chlorophenol, 2,4-dichlorophenol, 2,6-dichlorophenol, 2,4,6-trichlorophenol, 2,6-dimethoxyphenol, p-phenylenediamine, propyl gallate, etc. S can be preferably used.

そして、「高活性化」とは、ラッカーゼ活性が、野生型のラッカーゼよりも向上した活性を示すことを意味し、野生型ラッカーゼよりも少なくとも2倍以上の活性を示すことを意味し、好ましくは3〜3.5倍以上の活性を示すことを意味する。活性の確認は、ラッカーゼ活性を公知方法により測定し改変部位を有しない野生型ラッカーゼと比較して、活性が向上しているか否かを確認することによって行うことができる。したがって、基質であるフェノール類化合物に対する酸化活性を測定することにより行うことができる。例えば、活性の向上は、酵素の最大処理能力を示す最大反応速度(Vmax値)の比較等により確認することができる。具体的には、フェノール類化合物の酸化還元反応を触媒する酵素の活性測定法として知られる方法をいずれをも利用して行うことができる。例えば、ABTSを基質とし、基質の酸化反応に伴う418nmにおける吸光度変化を測定し、かかる吸光度変化をもって当該酵素の活性とすることができる。したがって、ABTSの酸化速度を418 nmでの吸光度の変化から算出することができる。   And, “highly activated” means that the laccase activity shows an activity that is improved over that of the wild type laccase, and means that the laccase activity is at least twice as high as that of the wild type laccase, preferably It means that the activity is 3 to 3.5 times or more. The activity can be confirmed by measuring the laccase activity by a known method and confirming whether the activity is improved as compared with a wild-type laccase having no modified site. Therefore, it can be carried out by measuring the oxidative activity for the phenolic compound as a substrate. For example, the improvement in activity can be confirmed by comparing the maximum reaction rate (Vmax value) indicating the maximum throughput of the enzyme. Specifically, any method known as a method for measuring the activity of an enzyme that catalyzes a redox reaction of a phenol compound can be performed using any method. For example, using ABTS as a substrate, the change in absorbance at 418 nm accompanying the oxidation reaction of the substrate can be measured, and the change in absorbance can be used as the activity of the enzyme. Therefore, the oxidation rate of ABTS can be calculated from the change in absorbance at 418 nm.

野生型ラッカーゼとは、自然界より分離された ラッカーゼ活性を有するタンパク質のアミノ酸配列、及び該タンパク質をコードする核酸分子の塩基配列が、一般的には、意図的もしくは非意図的に改変が生じている改変部位を有していないことを意味する。ただし、Hisタグ等のタグペプチド等のタンパク質の機能に変化を与えないことが明らかな改変は許容される。また、野生型ラッカーゼの由来は特に制限されない。ラッカーゼ活性を有するタンパク質を生産する能力を有する生物体である限り、いずれの生物体に由来するものであってもよい。特には細菌由来である。好ましくは、堆肥等の環境試料中に存在する生物体に由来する。たとえば、環境試料から調製されたメタゲノムDNAより発現させたタンパク質から、ラッカーゼ活性を有するタンパク質をスクリーニングすることにより取得することができる。特に好ましくは、野生型ラッカーゼとして、環境試料からのメタゲノム由来の配列番号2(図1B)に示すタンパク質や当該タンパク質にタグペプチドを付加した配列番号22に示すタンパク質を用いることができる。なお、本明細書においては、これを「MELAC」と称する場合があり、また「MELAC」をコードする核酸分子を「melac」と称する場合がある。野生型「MELAC」は、常温域で活性化する共に耐熱性に優れたラッカーゼである。したがって、これを基礎として高活性化変異体を作製することは、高い活性を持ち、かつ耐熱性に優れた利用価値の高い変異体の構築が可能となり、特に好ましい。   Wild-type laccase is generally deliberately or unintentionally altered in the amino acid sequence of a protein having a laccase activity isolated from nature and the base sequence of a nucleic acid molecule encoding the protein. It means that there is no modification site. However, it is permissible to make modifications that do not change the function of proteins such as tag peptides such as His tags. The origin of wild type laccase is not particularly limited. As long as the organism has the ability to produce a protein having laccase activity, it may be derived from any organism. In particular, it is derived from bacteria. Preferably, it originates from organisms present in environmental samples such as compost. For example, it can be obtained by screening a protein having laccase activity from a protein expressed from metagenomic DNA prepared from an environmental sample. Particularly preferably, as the wild-type laccase, a protein shown in SEQ ID NO: 2 (FIG. 1B) derived from a metagenome from an environmental sample or a protein shown in SEQ ID NO: 22 obtained by adding a tag peptide to the protein can be used. In the present specification, this may be referred to as “MELAC”, and the nucleic acid molecule encoding “MELAC” may be referred to as “melac”. Wild-type “MELAC” is a laccase that is activated at room temperature and has excellent heat resistance. Therefore, it is particularly preferable to produce a highly activated mutant based on this, because it enables the construction of a highly active mutant having high activity and excellent heat resistance.

野生型ラッカーゼとしてはそのアミノ酸組成の違いにより異なる分子量を有していてもよいが、好ましくは比較的小さな分子量を有していることが望ましい。ラッカーゼが特に適用が期待されるバイオ電池やバイオセンサー等の電極は、出力向上の観点から触媒酵素を導電性部材上に高密度かつ大量に固定化して構成されることが要求される。そのため、低分子量の物質は、導電性部材の面積あたりの分子の担持量を高めることができ、電流密度を向上させることができる。上記MELAC は約47.5kDa とラッカーゼとしては比較的小さな分子量を有するため、バイオ電池やバイオセンサーの高性能化を期待できる。そのため、これを基礎として高活性化変異体を作製することは、高い活性を持ち、かつ分子量が小さな利用価値の高い変異体の構築が可能となり、特に好ましい。   The wild-type laccase may have different molecular weights depending on the difference in amino acid composition, but preferably has a relatively small molecular weight. Electrodes such as biocells and biosensors for which laccase is particularly expected to be applied are required to be configured by immobilizing a catalytic enzyme on a conductive member in high density and in large quantities from the viewpoint of improving output. Therefore, the low molecular weight substance can increase the amount of molecules supported per area of the conductive member and can improve the current density. Since the above MELAC has a relatively small molecular weight of about 47.5 kDa and laccase, it can be expected to improve the performance of biocells and biosensors. Therefore, it is particularly preferable to produce a highly activated mutant based on this, because it enables the construction of a mutant having high activity and a small molecular weight and high utility value.

ここで、改変としては、好ましくは他のアミノ酸への置換である。そして、他のアミノ酸としては、置換前のアミノ酸以外の何れもが含まれる。しかしながら、タンパク質機能改変の観点から極性、電荷、親水性、若しくは疎水性等の点で置換前のアミノ酸と異なる性質を有するアミノ酸であることが好ましい。例えば、アラニン、バリン、ロイシン、イソロイシン、プロリン、メチオニン、フェニルアラニン、トリプトファンは、共に非極性アミノ酸に分類されるため、互いに似た性質を有するが、これら以外のアミノ酸への置換はタンパク質機能へ影響を与えることが考えられる。また、非荷電性アミノ酸としては、グリシン、セリン、スレオニン、システイン、チロシン、アスパラギン、グルタミンが挙げられる。また、酸性アミノ酸としては、アスパラギン酸およびグルタミン酸が挙げられる。また、塩基性アミノ酸としては、リシン、アルギニン、ヒスチジンが挙げられる。これらの各グループ内以外へのアミノ酸置換は、タンパク質の機能が改変されることが特に予想されるが、これに制限されるものではない。好ましくは、野生型MELACを示す配列番号2のアミノ酸配列において第308位に対応する位置におけるメチオニンの他のアミノ酸残基への置換が例示され、特に好ましくはアルギニンへの置換が例示される。そのアミノ酸配列を配列番号5に示す。かかるタンパク質は、耐熱性及びpH安定性が高く、かつ分子量の小さな野生型MELACを基礎に高活性化を目指して構築されたものであることから、高いラッカーゼ活性を有すると共に野生型MELACの優れた性質を有する。そして、このタンパク質は、前述の非特許文献2に記載の大腸菌由来ラッカーゼとは21%、非特許文献3の枯草菌由来のラッカーゼとは16%、非特許文献4のクワ暗斑病菌由来のラッカーゼとは18%、特許文献2に記載の環境試料のメタゲノム由来のラッカーゼとは13%程度のアミノ酸配列相同性しか示さず、新規なラッカーゼ活性を有するタンパク質である。   Here, the modification is preferably substitution with another amino acid. The other amino acids include any amino acid other than the amino acid before substitution. However, from the viewpoint of protein function modification, an amino acid having a property different from that of the amino acid before substitution in terms of polarity, charge, hydrophilicity, hydrophobicity and the like is preferable. For example, alanine, valine, leucine, isoleucine, proline, methionine, phenylalanine, and tryptophan are both classified as nonpolar amino acids and have similar properties to each other, but substitution with other amino acids has an effect on protein function. It is possible to give. Examples of the uncharged amino acid include glycine, serine, threonine, cysteine, tyrosine, asparagine, and glutamine. Examples of acidic amino acids include aspartic acid and glutamic acid. Examples of basic amino acids include lysine, arginine, and histidine. Amino acid substitutions other than within these groups are particularly expected to alter the function of the protein, but are not limited thereto. Preferably, substitution of methionine to another amino acid residue at a position corresponding to position 308 in the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 showing wild type MELAC is exemplified, and substitution to arginine is particularly preferred. Its amino acid sequence is shown in SEQ ID NO: 5. Such a protein has high heat resistance and pH stability, and is constructed with the aim of high activation based on wild-type MELAC having a small molecular weight. Therefore, the protein has high laccase activity and excellent wild-type MELAC. Has properties. This protein is 21% from the E. coli-derived laccase described in Non-Patent Document 2, 16% from the Bacillus subtilis-derived laccase described in Non-Patent Document 3, and the laccase derived from mulberry dark-spot fungus of Non-Patent Document 4. Is a protein having a novel laccase activity, showing only 13% amino acid sequence homology with the laccase derived from the metagenome of the environmental sample described in Patent Document 2.

ここで、配列番号2に示すアミノ酸配列は、環境試料からのメタゲノム由来の野生型ラッカーゼのアミノ酸配列であるが、他の生物由来の当該酵素のホモログについても同様の位置が改変されたものも本発明の高活性化変異体に含まれる。   Here, the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2 is the amino acid sequence of the wild-type laccase derived from the metagenome from the environmental sample, but the homologue of the enzyme derived from other organisms also has the same position modified Included in the highly activated variants of the invention.

また、前述の高活性化変異体の性質を保持している限り、更に特定のアミノ酸に改変が生じている改変部位を有するアミノ酸配列を含むものであってもよい。例えば、野生型MELACの場合、配列番号2のアミノ酸配列において、第308位に対応する位置のメチオニンが他のアミノ酸に置換されている限り、他の位置のアミノ酸の1若しくは数個のアミノ酸が欠失、置換若しくは付加されていても、高活性化変異体の性質を保持している限り本発明に含まれる。例えば、配列番号2のアミノ酸配列の第308番目に対応する位置のメチオニンがアルギニンへ置換されており、かつ配列番号2のアミノ酸配列と70%、好ましくは80%、特に好ましくは90%以上の相同性を有するものが例示される。特に好ましくは、配列番号5に示すアミノ酸配列を有するタンパク質を例示することができる。また、好ましくは、配列番号2のアミノ酸配列の第308番目に対応する位置のアミノ酸残基の置換に加え、第255番目のグルタミンが他のアミノ酸に置換されたものが例示され、特に好ましくはアルギニンに置換された配列番号4(図1D)に示すアミノ酸配列を有するタンパク質を例示することができる。当業者はアミノ酸配列の改変に際して本発明の高活性化変異体の高活性化されたラッカーゼ活性を保持する改変を容易に予測することができる。具体的には、例えばアミノ酸置換の場合には、タンパク質構造保持の観点から極性、電荷、親水性、若しくは疎水性等の点で置換前のアミノ酸と類似した性質を有するアミノ酸に置換することができる。このような類似した性質のアミノ酸への置換は保守的置換として当業者には周知であり、タンパク質の機能が維持されるとして許容される。また、その後の精製、固相への固定化等の便宜のため、アミノ酸配列のN、又はC末端にヒスチジンタグ(以下、「Hisタグ」と略する)ペプチド、FLAGタグペプチド等を付加したものも好適に例示される。このようなタグペプチドの導入は常法により行なうことができる。また、本発明の酵素活性の喪失を引き起こさない範囲内で、C末端側若しくはN末端側のアミノ酸残基を切断した切断型でもよい。更に、グルコシル化等の化学修飾を付加してもよい。   Moreover, as long as the property of the above-mentioned high activation mutant is hold | maintained, you may include the amino acid sequence which has the modification site | part in which modification | change has generate | occur | produced in the specific amino acid further. For example, in the case of wild-type MELAC, in the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2, as long as the methionine at the position corresponding to position 308 is substituted with another amino acid, one or several amino acids at other positions are missing. Any loss, substitution or addition is included in the present invention as long as it retains the properties of a highly activating mutant. For example, methionine at the position corresponding to position 308 of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 is substituted with arginine, and is 70%, preferably 80%, particularly preferably 90% or more homologous to the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2. The thing which has property is illustrated. Particularly preferably, a protein having the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 5 can be exemplified. Further, preferably, in addition to the substitution of the amino acid residue at the position corresponding to the 308th position of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2, the 255th glutamine is substituted with another amino acid, and particularly preferably arginine As an example, a protein having the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 4 (FIG. 1D) substituted in can be exemplified. Those skilled in the art can easily predict a modification that retains the highly activated laccase activity of the highly activated mutant of the present invention upon modification of the amino acid sequence. Specifically, for example, in the case of amino acid substitution, an amino acid having properties similar to the amino acid before substitution in terms of polarity, charge, hydrophilicity, hydrophobicity, etc. can be substituted from the viewpoint of maintaining the protein structure. . Such substitutions with amino acids of similar nature are well known to those skilled in the art as conservative substitutions and are accepted as maintaining the function of the protein. In addition, histidine tag (hereinafter abbreviated as “His tag”) peptide, FLAG tag peptide, etc. are added to the N- or C-terminus of the amino acid sequence for convenience such as subsequent purification and immobilization on a solid phase. Is also preferably exemplified. Such tag peptide can be introduced by a conventional method. Moreover, the cut | disconnected type which cut | disconnected the amino acid residue of the C terminal side or the N terminal side may be sufficient as long as it does not cause the loss of the enzyme activity of this invention. Furthermore, chemical modification such as glucosylation may be added.

特に、上記高活性化変異体のN末端側の1〜68個のアミノ酸を欠失させたN末端側切断型の高活性化変異体が例示できる。例えば、配列番号2のアミノ酸配列において、第308番目に対応する位置のメチオニンが他のアミノ酸配列に置換され、かつ、N末端から連続する第1〜68番目までのアミノ酸の1以上のアミノ酸が欠失したアミノ酸配列を有するN末端側切断型の高活性化変異体も本発明に含まれる。好ましくは、配列番号2のアミノ酸配列において、第308番目に対応する位置のメチオニンが他のアミノ酸配列に置換され、第1〜68番目までの68個のアミノ酸が欠失した配列を有するものが好ましく例示される。また、好ましくは、配列番号2のアミノ酸配列において、第308番目に対応する位置のメチオニンが他のアミノ酸配列に置換され、第1〜41番目までの41個のアミノ酸が欠失したアミノ酸配列を有するものが好ましく例示される。なお、一番目のアミノ酸メチオニンは開始コドンにより付加されたものであるので、見かけ上は、N末端から第2〜68番目の連続するアミノ酸又は第2〜41番目の連続するアミノ酸を欠失させたと表現することもできる。当然ながら、配列番号4及び5のアミノ酸配列のうち、上記の部位に相当するアミノ酸が欠失したアミノ酸配列を有するものも本発明に含まれる。ここで、他のアミノ酸への置換としては、アルギニンが特に好ましく例示される。具体的には、配列番号5のアミノ酸配列の第1〜68番目の連続するアミノ酸を欠失させた配列番号25のアミノ酸配列(第1番目にメチオニンが付加)、及び配列番号5のアミノ酸配列の第1〜41番目の連続するアミノ酸を欠失させた配列番号27に示すアミノ酸配列(第1番目にメチオニンが付加)を有するものが特に好ましい。   In particular, an N-terminal truncated high activation mutant in which 1 to 68 amino acids on the N-terminal side of the above highly activated mutant are deleted can be exemplified. For example, in the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2, the methionine at the position corresponding to the 308th position is substituted with another amino acid sequence, and one or more amino acids from the 1st to 68th amino acids continuing from the N-terminus are missing. An N-terminal truncated high activation mutant having the lost amino acid sequence is also included in the present invention. Preferably, in the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2, the methionine at the position corresponding to the 308th position is substituted with another amino acid sequence, and the 68th amino acid from the 1st to 68th positions is deleted. Illustrated. Preferably, the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 has an amino acid sequence in which the methionine at the position corresponding to the 308th position is substituted with another amino acid sequence, and 41 amino acids from the 1st to 41st positions are deleted. Those are preferably exemplified. Since the first amino acid methionine was added by the start codon, apparently, the 2nd to 68th consecutive amino acids or the 2nd to 41st consecutive amino acids were deleted from the N-terminus. It can also be expressed. Of course, the amino acid sequences of SEQ ID NOs: 4 and 5 having an amino acid sequence in which the amino acid corresponding to the above-mentioned site is deleted are also included in the present invention. Here, arginine is particularly preferably exemplified as the substitution with other amino acids. Specifically, the amino acid sequence of SEQ ID NO: 25 in which the first to 68th consecutive amino acids of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 5 have been deleted (methionine added first), and the amino acid sequence of SEQ ID NO: 5 Those having the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 27 from which the first to 41st consecutive amino acids have been deleted (addition of methionine to the first) are particularly preferred.

そして、本発明のN末端側切断型の高活性化変異体は、前述のN末端側切断型でない高活性化変異体と同様に、野生型に比べてラッカーゼ活性が向上している。したがって、本願明細書において、単に「高活性化変異体」と称する場合には、N末端側切断型の高活性化変異体とN末端側切断型でない高活性化変異体の双方を含むものとする。更に、N末端側切断型の高活性化変異体は、電極触媒と使用した場合に電極への電子伝達効率が向上している。ここで、電子伝達効率の向上とは、好ましくは、既存のラッカーゼ活性を有する酵素比べて電子伝達効率が3〜4倍程度向上していることを意味する。そして、N末端側切断前の本発明の高活性化変異体、例えば、配列番号4又は5のアミノ酸配列からなるタンパク質、と比べても電子伝達機能を4〜5倍程度向上させることができる等、優れた電極触媒性能を有することを意味する。ここで、ラッカーゼは、電極を電子供与体とすることが判明しており、適当なカーボン電極との組合せにより、バイオ燃料電池やバイオセンサー用の電極触媒として産業利用が期待されているものである。そして、本発明のN末端側切断型の高活性化変異体は、カーボンゲル等の多孔性材料に固定して電極を構成したときに、電子伝達効率を向上させることができるものである。つまり、本発明のN末端側切断型の高活性化変異体は、多孔性材料の細孔内に電極との直接電子移動ができる形で固定することができ、これにより直接電子移動型の優れた触媒電流性能を有する電極として構成することができる。そして、細孔内に充填することにより電極上での本発明のN末端側切断型の高活性化変異体の性能低下を低減できるとの利点もある。したがって、本発明のN末端側切断型の高活性化変異体を、バイオ電池やバイオセンサー等の電極触媒に応用することにより、それらの性能向上に貢献することができる。   The N-terminal truncated high activation mutant of the present invention has improved laccase activity compared to the wild-type mutant as in the above-described high activation mutant that is not N-terminal truncated. Therefore, in the present specification, when simply referred to as “high activation mutant”, it includes both N-terminal truncated high activation mutants and non-N-terminal truncated mutants. Further, the N-terminally truncated high activation mutant has improved electron transfer efficiency to the electrode when used as an electrode catalyst. Here, the improvement of the electron transfer efficiency preferably means that the electron transfer efficiency is improved by about 3 to 4 times compared to an enzyme having an existing laccase activity. And even if compared with the highly activating mutant of the present invention before cleavage at the N-terminal side, for example, a protein comprising the amino acid sequence of SEQ ID NO: 4 or 5, the electron transfer function can be improved by about 4 to 5 times, etc. , Which means excellent electrocatalytic performance. Here, laccase has been found to use an electrode as an electron donor, and is expected to be industrially used as an electrode catalyst for biofuel cells and biosensors in combination with an appropriate carbon electrode. . The N-terminal truncated high activation mutant of the present invention can improve the electron transfer efficiency when it is fixed to a porous material such as carbon gel to constitute an electrode. In other words, the N-terminal truncated high activation mutant of the present invention can be fixed in the pores of the porous material in such a way that direct electron transfer with the electrode is possible, which makes it excellent in direct electron transfer type. It can be configured as an electrode having catalytic current performance. And there is also an advantage that the performance degradation of the N-terminal side cleavage type highly activated mutant of the present invention on the electrode can be reduced by filling the pores. Therefore, by applying the N-terminal truncated high activation mutant of the present invention to an electrode catalyst such as a biobattery or a biosensor, it is possible to contribute to the improvement of performance.

そして、配列番号2のアミノ酸配列の第308番目に対応する位置のメチオニンが他のアミノ酸に置換され、かつ、N末端側の1〜68個のアミノ酸うちの1以上のアミノ酸が欠失したアミノ酸配列を有するもののうち、前述のN末端側切断型の高活性化変異体の性質を保持している限り、他の位置のアミノ酸の1若しくは数個のアミノ酸が欠失、置換若しくは付加されていてもよい。つまり、配列番号2のアミノ酸配列の第308番目に対応する位置のメチオニンがアルギニンへ置換されており、かつN末端側の1〜68個のアミノ酸の1以上のアミノ酸が欠失したアミノ酸配列に対して、70%、好ましくは80%、特に好ましくは90%以上の相同性を有するものが例示される。当然ながら、配列番号25及び27に示すアミノ酸配列に対して、70%、好ましくは80%、特に好ましくは90%以上の相同性を有するものも本発明に含まれる。アミノ酸配列の改変については、前述の通りである。この場合も、配列番号2の第308番目に対応する位置のメチオニンはアルギニンに置換させていることが好ましく、配列番号25では第241番目、配列番号27では第268番目である。   An amino acid sequence in which the methionine at the position corresponding to position 308 of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 is substituted with another amino acid, and one or more amino acids are deleted from 1 to 68 amino acids on the N-terminal side As long as it retains the properties of the above-mentioned N-terminal truncation type highly active mutant, one or several amino acids at other positions may be deleted, substituted or added. Good. That is, for an amino acid sequence in which methionine at the position corresponding to position 308 of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 is substituted with arginine and one or more amino acids of 1 to 68 amino acids on the N-terminal side are deleted And those having a homology of 70%, preferably 80%, particularly preferably 90% or more. Of course, those having homology of 70%, preferably 80%, particularly preferably 90% or more to the amino acid sequences shown in SEQ ID NOs: 25 and 27 are also included in the present invention. The modification of the amino acid sequence is as described above. Also in this case, the methionine at the position corresponding to the 308th position in SEQ ID NO: 2 is preferably substituted with arginine, the 241st position in SEQ ID NO: 25 and the 268th position in SEQ ID NO: 27.

本発明の高活性化変異体は公知の方法によって取得することができる。例えば、改変の基礎となる野生型ラッカーゼをコードする遺伝子に対して改変を施し、得られた改変型遺伝子を用いて宿主細胞を形質転換し、かかる形質転換体の培養物から上記活性を有するタンパク質を採取することによって取得することができる。   The highly activating mutant of the present invention can be obtained by a known method. For example, a gene encoding a wild-type laccase that is the basis of the modification is modified, a host cell is transformed using the obtained modified gene, and a protein having the above activity from the culture of the transformant Can be obtained by sampling.

改変の基礎となる野生型ラッカーゼをコードする遺伝子は、公知の遺伝子クローニング技術を用いて取得することができる。例えば、GenBank等の公知のデータベースを検索することによって取得することができる遺伝子情報を基にしてプライマーを設計し、ラッカーゼ活性を有するタンパク質を産生し得る生物体から抽出したゲノムDNAを鋳型としてPCRを行うことにより取得することができる。また公知の遺伝子情報に基づいて、常法のホスホルアミダイト(phosphoramidite)法等の核酸合成法により合成することによっても取得するができる。ここで、本発明の改変型の基礎として好適なラッカーゼの遺伝子配列情報として、野生型MELACの塩基配列を配列表の配列番号1、図1Aに示す。これは、上記配列番号2に示す野生型MELACをコードする。また、配列番号2にタグ配列を付加した配列番号22のアミノ酸配列をコードする配列番号21の塩基配列も好適に利用できる。   A gene encoding a wild-type laccase serving as a basis for modification can be obtained using a known gene cloning technique. For example, primers are designed based on gene information that can be obtained by searching known databases such as GenBank, and PCR is performed using genomic DNA extracted from an organism capable of producing a protein with laccase activity as a template. It can be obtained by doing. It can also be obtained by synthesis by a nucleic acid synthesis method such as a conventional phosphoramidite method based on known gene information. Here, as the gene sequence information of laccase suitable as the basis of the modified type of the present invention, the base sequence of wild-type MELAC is shown in SEQ ID NO: 1 in the sequence listing and FIG. 1A. This encodes the wild type MELAC shown in SEQ ID NO: 2 above. In addition, the base sequence of SEQ ID NO: 21 encoding the amino acid sequence of SEQ ID NO: 22 obtained by adding a tag sequence to SEQ ID NO: 2 can be suitably used.

野生型ラッカーゼをコードする遺伝子に改変を施す方法としては、特に制限はなく、当業者に公知の改変タンパク質作製のための変異導入技術を利用することができる。例えば、部位特異的突然変異誘発法、PCR法等を利用して変異を導入するPCR突然誘発法、あるいは、トランスポゾン挿入突然変異誘発法などの公知の変異導入技術を利用することができる。また、市販の変異導入用キット(例えば、QuikChange(登録商標) Site-directed Mutagenesis Kit(Stratagene社製))を利用してもよい。   The method for modifying the gene encoding wild-type laccase is not particularly limited, and mutagenesis techniques for preparing modified proteins known to those skilled in the art can be used. For example, a known mutagenesis technique such as a site-directed mutagenesis method, a PCR abrupt induction method that introduces a mutation using a PCR method, or a transposon insertion mutagenesis method can be used. A commercially available mutation introduction kit (for example, QuikChange (registered trademark) Site-directed Mutagenesis Kit (manufactured by Stratagene)) may be used.

特には、野生型ラッカーゼをコードするDNAを鋳型として、所望の改変を施した配列を含むオリゴヌクレオチドをプライマーとしてPCRを行うことによって取得することが、好ましく例示される。ここで、本発明の高活性化変異体の調製において、PCRを利用する場合に用いられるプライマーは、野性型ラッカーゼをコードする核酸分子と相補的な配列を含み、かつ所望の改変が生じるように設計されたものであり、常法に基づいて調製することができる。例えば、ホスホルアミダイト法等に基づく化学合成法等が利用可能である。化学合成法に基づきプライマーを調製する場合には、合成に先立って標的核酸の配列情報に基づいて設計される。プライマーの設計は、所望の領域を増幅するように、例えばプライマー設計支援ソフト等を利用して設計することができる。プライマーは合成後、HPLC等の手段により精製される。また、化学合成を行う場合には市販の自動合成装置を利用することも可能である。このようなプライマーとしては、10以上、好ましくは15以上、更に好ましくは約20〜50の塩基からなるオリゴヌクレオチドが例示される。   In particular, preferably obtained by performing PCR using a DNA encoding wild-type laccase as a template and an oligonucleotide containing a sequence subjected to a desired modification as a primer. Here, in the preparation of the highly activating mutant of the present invention, the primer used in the case of using PCR includes a sequence complementary to a nucleic acid molecule encoding a wild type laccase so that a desired modification occurs. Designed and can be prepared based on conventional methods. For example, a chemical synthesis method based on the phosphoramidite method or the like can be used. When preparing a primer based on a chemical synthesis method, it is designed based on the sequence information of the target nucleic acid prior to synthesis. The primer can be designed using, for example, primer design support software so as to amplify a desired region. After synthesis, the primer is purified by means such as HPLC. Moreover, when performing chemical synthesis, it is also possible to use a commercially available automatic synthesizer. Examples of such primers include oligonucleotides composed of 10 or more, preferably 15 or more, and more preferably about 20 to 50 bases.

また、目的とする高活性化変異体のアミノ酸配列が定まると、それをコードする適当な塩基配列を決定でき、常法のホスホルアミダイト法等の核酸合成技術を利用して本発明の高活性化変異体をコードするDNAを化学的に合成することができる。   In addition, once the amino acid sequence of the target highly active mutant is determined, an appropriate base sequence encoding the same can be determined, and the high activity of the present invention can be determined using a nucleic acid synthesis technique such as a conventional phosphoramidite method. DNA encoding the mutated mutant can be chemically synthesized.

また、このような本発明の高活性化変異体は自然又は人工の突然変異により生じた突然変異体の中から前述のラッカーゼ活性が向上したタンパク質をスクリーニングすることにより取得できるが、人工の突然変異導入を施すことが好ましい。   Further, such a highly activating mutant of the present invention can be obtained by screening the above-mentioned protein having improved laccase activity from mutants generated by natural or artificial mutation. It is preferable to introduce.

2.本発明の高活性化変異体をコードする核酸分子
本発明の高活性化変異体をコードする核酸分子は、前述のラッカーゼ活性が向上した全ての高活性化変異体をコードするものを包含する。例えば、配列番号4、及び5に記載されるアミノ酸配列を含むタンパク質をコードする全てのポリヌクレオチドであり、一具体例としては、配列番号4のアミノ酸配列をコードする配列番号3に示す塩基配列、配列番号5のアミノ酸配列をコードする配列番号23、配列番号25のアミノ酸配列をコードする配列番号24、配列番号27のアミノ酸配列をコードする配列番号26を含む核酸分子が挙げられるが、これに限定するものではない。ここで、本発明における核酸分子は、DNA及びRNAの双方が含まれ、DNAである場合には、一本鎖であると、二本鎖であるとは問わない。
2. Nucleic Acid Molecules Encoding the Highly Activated Variant of the Present Invention Nucleic acid molecules encoding the highly activated variant of the present invention include those that encode all of the above highly activated variants with improved laccase activity. For example, all polynucleotides encoding a protein containing the amino acid sequence described in SEQ ID NOs: 4 and 5, and as one specific example, the base sequence shown in SEQ ID NO: 3 encoding the amino acid sequence of SEQ ID NO: 4, Examples include, but are not limited to, a nucleic acid molecule comprising SEQ ID NO: 23 encoding the amino acid sequence of SEQ ID NO: 5, SEQ ID NO: 24 encoding the amino acid sequence of SEQ ID NO: 25, and SEQ ID NO: 26 encoding the amino acid sequence of SEQ ID NO: 27. Not what you want. Here, the nucleic acid molecule in the present invention includes both DNA and RNA, and when it is DNA, it does not matter whether it is single-stranded or double-stranded.

本発明の高活性化変異体をコードする核酸分子は、本明細書においてその塩基配列が明確になったことから、かかる配列情報に基づいて、常法のホスホルアミダイト法等のDNA合成法を利用して化学的に合成することができる。また、改変の基礎となる野生型MELACをコードするDNAに対して改変を施すことによっても製造することができる。なお、詳細については前述した。   Since the nucleotide sequence of the nucleic acid molecule encoding the highly activating variant of the present invention has been clarified in the present specification, a DNA synthesis method such as a conventional phosphoramidite method is used based on such sequence information. It can be chemically synthesized. It can also be produced by modifying the DNA encoding wild-type MELAC that is the basis of modification. Details have been described above.

3.本発明の組換えベクター
本発明の組換えベクターは、適当なベクターに本発明の高活性化変異体をコードする核酸分子を組み込ことによって構築することができる。利用可能なベクターとしては、外来DNAを組み込め、かつ宿主細胞中で自律的に複製可能なものであれば特に制限はない。したがって、ベクターは、本発明の高活性化変異体をコードする核酸分子を挿入できる少なくとも1つの制限酵素部位の配列を含むものである。例えば、プラスミドベクター(pEX系、pUC系、及びpBR系等)、ファージベクター(λgt10、λgt11、及びλZAP等)、コスミドベクター、ウイルスベクター(ワクシニアウイルス、及びバキュロウイルス等)等が包含される。
3. Recombinant Vector of the Present Invention The recombinant vector of the present invention can be constructed by incorporating a nucleic acid molecule encoding the highly activating mutant of the present invention into an appropriate vector. The vector that can be used is not particularly limited as long as it can incorporate foreign DNA and can replicate autonomously in a host cell. Accordingly, the vector contains a sequence of at least one restriction enzyme site into which a nucleic acid molecule encoding the highly activating variant of the present invention can be inserted. For example, plasmid vectors (pEX system, pUC system, pBR system, etc.), phage vectors (λgt10, λgt11, λZAP, etc.), cosmid vectors, virus vectors (vaccinia virus, baculovirus, etc.) and the like are included.

そして、本発明の組換えベクターは、本発明の高活性化変異体をコードする核酸分子がその機能を発現できるように組み込まれている。したがって、核酸分子の機能発現に必要な他の既知の塩基配列が含まれていてもよい。例えば、プロモータ配列、リーダー配列、シグナル配列、並びにリボソーム結合配列等が挙げられる。プロモータ配列としては、例えば、宿主が大腸菌の場合にはlacプロモータ、trpプロモータ等が好適に例示される。しかしながら、これに限定するものではなく既知のプロモータ配列を利用できる。更に、本発明の組換えベクターには、宿主において表現型選択を付与することが可能なマーキング配列等をも含ませることができる。このようなマーキング配列としては、薬剤耐性、栄養要求性などの遺伝子をコードする配列等が例示される。具体的には、カナマイシン耐性遺伝子、クロラムフェニコール耐性遺伝子、アンピシリン耐性遺伝子等が例示される。   The recombinant vector of the present invention is incorporated so that the nucleic acid molecule encoding the highly activated mutant of the present invention can express its function. Therefore, other known base sequences necessary for the functional expression of the nucleic acid molecule may be included. For example, a promoter sequence, a leader sequence, a signal sequence, a ribosome binding sequence and the like can be mentioned. As the promoter sequence, for example, when the host is Escherichia coli, lac promoter, trp promoter and the like are preferably exemplified. However, the present invention is not limited to this, and a known promoter sequence can be used. Furthermore, the recombinant vector of the present invention can also include a marking sequence that can confer phenotypic selection in the host. Examples of such marking sequences include sequences encoding genes such as drug resistance and auxotrophy. Specifically, kanamycin resistance gene, chloramphenicol resistance gene, ampicillin resistance gene and the like are exemplified.

ベクターへの本発明の高活性化変異体をコードする核酸分子等の挿入は、例えば、適当な制限酵素で本発明の核酸分子を切断し、適当なベクターの制限酵素部位、又はマルチクローニング部位に挿入して連結する方法などを用いることができるが、これに限定されない。連結に際しては、DNAリガーゼを用いる方法等、既知の方法を利用できる。また、DNA Ligation Kit(タカラバイオ社)等の市販のライゲーションキットを利用することもできる。   Insertion of a nucleic acid molecule or the like encoding a highly activating mutant of the present invention into a vector can be achieved by, for example, cleaving the nucleic acid molecule of the present invention with an appropriate restriction enzyme and inserting it into an appropriate vector restriction enzyme site or multiple cloning site A method of inserting and connecting can be used, but the method is not limited to this. For ligation, a known method such as a method using DNA ligase can be used. Commercially available ligation kits such as DNA Ligation Kit (Takara Bio Inc.) can also be used.

4.本発明の形質転換体
本発明の形質転換体は、適当な細胞を本発明の高活性化変異体をコードする核酸分子を含む組換えベクターで形質転換することによって構築することができる。ここで、宿主となる細胞としては、本発明の高活性化変異体を効率的に発現できる宿主細胞であれば、特に制限はない。原核生物を好適に利用でき、特には大腸菌を利用することができる。その他、枯草菌、バシラス属細菌、シュードモナス属細菌等をも利用できる。大腸菌としては、例えば、E.coli DH5α、E.coli BL21、E.coli JM109等を利用できる。更に、原核生物に限定されず真核生物細胞を利用することが可能である。例えば、サッカロマイセス・セルビシエ(Saccharomyces cerevisiae)等の酵母、Sf9細胞等の昆虫細胞、CHO細胞、COS-7細胞等の動物細胞等を利用することも可能である。形質転換法としては、塩化カルシウム法、エレクトロポレーション法、リポソームフェクション法、マイクロインジェクション法等の既知の方法を利用することができる。
4). Transformant of the Present Invention The transformant of the present invention can be constructed by transforming an appropriate cell with a recombinant vector containing a nucleic acid molecule encoding the highly activating mutant of the present invention. Here, the host cell is not particularly limited as long as it can efficiently express the highly activating mutant of the present invention. Prokaryotes can be preferably used, and in particular, E. coli can be used. In addition, Bacillus subtilis, Bacillus bacteria, Pseudomonas bacteria, and the like can also be used. As E. coli, for example, E. coli DH5α, E. coli BL21, E. coli JM109 and the like can be used. Furthermore, eukaryotic cells can be used without being limited to prokaryotes. For example, yeasts such as Saccharomyces cerevisiae, insect cells such as Sf9 cells, animal cells such as CHO cells and COS-7 cells, and the like can be used. As the transformation method, a known method such as a calcium chloride method, an electroporation method, a liposome transfection method, or a microinjection method can be used.

5.本発明の高活性化変異体の製造方法
本発明の高活性化変異体の製造方法は、前述4の項で説明した本発明の形質転換体を培養し、得られた培養物からラッカーゼ活性を有するタンパク質を採取することにより行なうことができる。即ち、前述の本発明の形質転換体を培養する培養工程と、前記培養工程で発現した前記タンパク質を回収する回収工程とを備える。このように、適当な宿主で発現させることによって、低コストで本発明の高活性化変異体の大量生産が可能となる。
5. Method for Producing Highly Activated Mutant of the Present Invention The method for producing the highly activated mutant of the present invention comprises culturing the transformant of the present invention described in the above section 4, and activating laccase activity from the obtained culture. It can carry out by extract | collecting the protein which has. That is, the method includes a culture step of culturing the transformant of the present invention described above and a recovery step of recovering the protein expressed in the culture step. Thus, by expressing in an appropriate host, mass production of the highly activating mutant of the present invention can be achieved at low cost.

培養工程は、本発明の形質転換体を適当な培地に接種し、常法に準じて培養することにより行なわれる。本発明の形質転換体の培養は、宿主細胞の栄養生理学的性質を勘案して、培養条件を選択すればよい。使用される培地としては、宿主細胞が資化し得る栄養素を含み、形質転換体におけるタンパク質の発現を効率的に行えるものであれば特に制限はない。したがって、宿主細胞の生育に必要な炭素源、窒素源その他必須の栄養素を含む培地であることが好ましく、天然培地、合成培地の別を問わない。   The culturing step is carried out by inoculating the transformant of the present invention in an appropriate medium and culturing according to a conventional method. For the culture of the transformant of the present invention, the culture conditions may be selected in consideration of the nutritional physiological properties of the host cells. The medium to be used is not particularly limited as long as it contains nutrients that can be assimilated by the host cell and can efficiently express the protein in the transformant. Therefore, a medium containing a carbon source, a nitrogen source and other essential nutrients necessary for the growth of the host cell is preferable, regardless of whether it is a natural medium or a synthetic medium.

培養工程は、本発明の形質転換体を適当な培地に接種し、常法に準じて培養することにより行なわれる。本発明の形質転換体の培養は、宿主細胞の栄養生理学的性質を勘案して、培養条件を選択すればよい。使用される培地としては、宿主細胞が資化し得る栄養素を含み、形質転換体におけるタンパク質の発現を効率的に行えるものであれば特に制限はない。したがって、宿主細胞の生育に必要な炭素源、窒素源その他必須の栄養素を含む培地であることが好ましく、天然培地、合成培地の別を問わない。例えば、炭素源として、グルコース、デキストラン、デンプン等が、また、窒素源としては、アンモニウム塩類、硝酸塩類、アミノ酸、ペプトン、カゼイン等が挙げられる。他の栄養素としては、所望により、無機塩類、ビタミン類、抗生物質等とを含ませることができる。宿主細胞が大腸菌の場合には、LB培地、M9培地等が好適利用できる。また、培養形態についても特に制限はないが、大量培養の観点から液体培地が好適に利用できる。   The culturing step is carried out by inoculating the transformant of the present invention in an appropriate medium and culturing according to a conventional method. For the culture of the transformant of the present invention, the culture conditions may be selected in consideration of the nutritional physiological properties of the host cells. The medium to be used is not particularly limited as long as it contains nutrients that can be assimilated by the host cell and can efficiently express the protein in the transformant. Therefore, a medium containing a carbon source, a nitrogen source and other essential nutrients necessary for the growth of the host cell is preferable, regardless of whether it is a natural medium or a synthetic medium. Examples of the carbon source include glucose, dextran, starch, and the like, and examples of the nitrogen source include ammonium salts, nitrates, amino acids, peptone, and casein. As other nutrients, inorganic salts, vitamins, antibiotics, and the like can be included as desired. When the host cell is Escherichia coli, LB medium, M9 medium and the like can be suitably used. Moreover, although there is no restriction | limiting in particular also about a culture | cultivation form, A liquid medium can be utilized suitably from a viewpoint of mass culture.

なお、高活性化変異体の好適例として示した配列番号4、5、25及び27に示すタンパク質を大腸菌細胞内で発現させる場合には、培養条件として20℃以下の温度で行うことが好ましく、大腸菌の成長及びタンパク質産生を阻害しない程度の低い温度で培養することができる。例えば、10〜20℃の範囲内で培養することが好ましく、特には15〜20℃の範囲内で行うことが好ましい。   When expressing the proteins shown in SEQ ID NOs: 4, 5, 25 and 27 shown as preferred examples of highly activating mutants in E. coli cells, it is preferable to carry out the culture conditions at a temperature of 20 ° C. or lower. The cells can be cultured at a low temperature that does not inhibit the growth and protein production of E. coli. For example, the culture is preferably performed within a range of 10 to 20 ° C, and particularly preferably performed within a range of 15 to 20 ° C.

本発明の組換えベクターを保持する宿主細胞の選別は、例えば、マーキング配列の発現の有無により行なうことができる。例えば、マーキング配列として薬剤耐性遺伝子を利用する場合には、薬剤耐性遺伝子に対応する薬剤含有培地で培養することによって行うことができる。   Selection of a host cell carrying the recombinant vector of the present invention can be performed by, for example, the presence or absence of expression of a marking sequence. For example, when a drug resistance gene is used as the marking sequence, it can be performed by culturing in a drug-containing medium corresponding to the drug resistance gene.

精製工程は、前述の培養工程において得られた形質転換体の培養物からの本発明の高活性化変異体を回収、即ち、単離精製することによって行えばよい。本発明の高活性化変異体の存在する画分に応じて、一般的なタンパク質の単離精製方法に準じた手法を適用すればよい。具体的には、本発明の高活性化変異体が宿主細胞外に生産される場合には、培養液をそのまま使用するか、遠心分離、濾過等の手段により宿主細胞を除去して培養上清を得る。続いて、培養上清に、既知のタンパク質精製方法を適宜選択することにより、本発明のタンパク質を単離精製することができる。例えば、硫酸アンモニウム沈殿、透析、SDS-PAGE電気泳動、ゲル濾過、疎水、陰イオン、陽イオン、アフィニティークロマトグラフィ等の各種クロマトグラフィ等の既知の単離精製技術を単独、又は適宜組み合わせて適用することができる。特にアフィニティークロマトグラフィを利用する場合、本発明のタンパク質をHis タグ等のタグペプチドとの融合タンパク質として発現させて、かかるタグペプチドに対する親和性を利用することが好ましい。   The purification step may be performed by recovering, that is, isolating and purifying the highly activated mutant of the present invention from the transformant culture obtained in the above-described culture step. Depending on the fraction in which the highly activating mutant of the present invention is present, a technique according to a general protein isolation and purification method may be applied. Specifically, when the highly activating mutant of the present invention is produced outside the host cell, the culture solution is used as it is, or the host cell is removed by means of centrifugation, filtration, etc. Get. Subsequently, the protein of the present invention can be isolated and purified by appropriately selecting a known protein purification method for the culture supernatant. For example, known isolation and purification techniques such as ammonium sulfate precipitation, dialysis, SDS-PAGE electrophoresis, gel filtration, various types of chromatography such as hydrophobicity, anion, cation, and affinity chromatography can be applied alone or in appropriate combination. . In particular, when affinity chromatography is used, it is preferable to express the protein of the present invention as a fusion protein with a tag peptide such as a His tag and use the affinity for the tag peptide.

一方、本発明の高活性化変異体が宿主細胞内で産生される場合には、培養物を遠心分離、濾過等の手段により宿主細胞を回収する。続いて、リゾチーム処理などの酵素的破砕方法、又は超音波処理、凍結融解、浸透圧ショック等の物理的破砕方法等により、宿主細胞を破砕する。破砕後、遠心分離、濾過等の手段により可溶化画分を収集する。得られた可溶化画分を、前述の細胞外に生産する場合と同様に処理することにより単離精製することができる。   On the other hand, when the highly activating mutant of the present invention is produced in a host cell, the host cell is recovered by means of centrifugation, filtration or the like. Subsequently, the host cells are disrupted by an enzymatic disruption method such as lysozyme treatment or a physical disruption method such as ultrasonic treatment, freeze-thawing, and osmotic shock. After crushing, the solubilized fraction is collected by means such as centrifugation or filtration. The obtained solubilized fraction can be isolated and purified by treating in the same manner as in the case of producing extracellularly.

本発明の高活性化変異体が、高い触媒活性に加え、耐熱性が高い場合には、前述の単離、精製工程において熱処理を併用することが有用かつ便利である。培養物から得られた宿主細胞及び培養上清には、当該宿主細胞由来の様々なタンパク質を含有する。しかし、熱処理を行なうことにより、宿主細胞由来の夾雑タンパク質は変性し凝縮沈殿する。これに対して、耐熱性の高いタンパク質は生じないことから、遠心分離等により宿主由来の夾雑タンパク質と容易に分離できる。また、培養液をそのまま、若しくは粗抽出液を使用する場合においても、熱処理を行なうことにより、他のタンパク質が失活することから、実質的に目的とする高活性化変異体のみを含むタンパク質溶液として使用することができる。このように、高活性化変異体を遺伝子工学的手法により製造する場合においても、宿主由来のその他のタンパク質を容易に除去することができる。したがって、精製度を向上させることができ、信頼性の高いタンパク質を製造できるという利点がある。   When the highly activated mutant of the present invention has high heat resistance in addition to high catalytic activity, it is useful and convenient to use heat treatment in the isolation and purification steps described above. The host cell and culture supernatant obtained from the culture contain various proteins derived from the host cell. However, the host cell-derived contaminating protein is denatured and condensed and precipitated by heat treatment. On the other hand, since a protein having high heat resistance is not generated, it can be easily separated from contaminating proteins derived from the host by centrifugation or the like. In addition, when the culture solution is used as it is or when a crude extract is used, other proteins are inactivated by heat treatment, so that the protein solution substantially contains only the desired highly activated mutant. Can be used as Thus, even when a highly activating mutant is produced by genetic engineering techniques, other proteins derived from the host can be easily removed. Therefore, there is an advantage that the degree of purification can be improved and a highly reliable protein can be produced.

そして、精製された高活性化変異体が所望の改変が生じている変異部位を有するか否かの確認は、その理化学的性質や配列の分析によって行うことができる。理化学的性質の分析による場合、得られたタンパク質のラッカーゼ活性を公知方法により測定し改変部位を有しない野生型MELACと比較して、活性が向上しているか否かを確認することによって行うことができる。したがって、基質であるフェノール類化合物に対する酸化活性を測定することにより行うことができる。活性の測定は、フェノール類化合物の酸化還元反応を触媒する酵素の活性測定法として知られる方法をいずれをも利用して行うことができる。例えば、ABTSを基質とし、基質の酸化反応に伴う418nmにおける吸光度変化をもって測定し、かかる吸光度変化をもって当該タンパク質の活性とすることができる。したがって、ABTSの酸化速度を418 nmでの吸光度の変化速度から算出することができる。配列の分析による場合には、得られたタンパク質のアミノ酸配列を公知のアミノ酸分析法によって行うことができる。例えば、エドマン分解法に基づく自動アミノ酸決定法が利用できる。   Then, confirmation of whether or not the purified highly active mutant has a mutation site in which a desired modification has occurred can be performed by analyzing its physicochemical properties and sequence. When analyzing physicochemical properties, the laccase activity of the obtained protein is measured by a known method, and it is performed by confirming whether the activity is improved as compared with wild-type MELAC that does not have a modified site. it can. Therefore, it can be carried out by measuring the oxidative activity for the phenolic compound as a substrate. The activity can be measured using any method known as a method for measuring the activity of an enzyme that catalyzes a redox reaction of a phenol compound. For example, ABTS can be used as a substrate, and measurement can be performed with the change in absorbance at 418 nm accompanying the oxidation reaction of the substrate, and the activity of the protein can be determined by the change in absorbance. Therefore, the oxidation rate of ABTS can be calculated from the rate of change in absorbance at 418 nm. In the case of sequence analysis, the amino acid sequence of the obtained protein can be performed by a known amino acid analysis method. For example, an automatic amino acid determination method based on Edman degradation can be used.

6.本発明の高活性化変異体の利用
本発明の高活性化変異体は、高いラッカーゼ活性を有することから、種々の産業分野において利用することができる。その利用形態を以下に説明するが、しかしながらこれらに限定されるものではない。
6). Utilization of Highly Activated Mutant of the Present Invention The highly activated mutant of the present invention has high laccase activity and can be used in various industrial fields. The mode of use will be described below, but is not limited thereto.

6−1.酵素電極
本発明の高活性化変異体を、酵素電極の触媒として利用することができる。好ましくは、本発明の高活性化変異体を外部回路に接続した導電性基材上に固定化することにより構築することができ、構築された電極をバイオ電池やバイオセンサーなどに利用することができる。
6-1. Enzyme electrode The highly activated mutant of the present invention can be used as a catalyst for an enzyme electrode. Preferably, it can be constructed by immobilizing the highly activated mutant of the present invention on a conductive substrate connected to an external circuit, and the constructed electrode can be used for a biobattery or a biosensor. it can.

導電性基材としては、グラファイト、グラッシーカーボン等のカーボン材、アルミニウム、銅、金、白金、銀、ニッケル、パラジウム等の金属又は合金、SnO2、In2O3、WO3、TiO2等の導電性酸化物等、従来公知の材質の導電性物質を使用することができる。また、これを単層又は2種以上の積層構造をもって構成してもよい。電極の大きさ及び形状等は特に限定されるものではなく、使用目的に応じて適宜調整することができる。 Examples of conductive substrates include carbon materials such as graphite and glassy carbon, metals or alloys such as aluminum, copper, gold, platinum, silver, nickel, and palladium, SnO 2 , In 2 O 3 , WO 3 , TiO 2, etc. Conventionally known conductive materials such as conductive oxides can be used. Moreover, you may comprise this with a single layer or a 2 or more types of laminated structure. The size and shape of the electrode are not particularly limited, and can be appropriately adjusted according to the purpose of use.

上述の本発明のN末端側切断型の高活性化変異体は、多孔性材料の細孔内に電極との直接電子移動ができる形で固定することができ、これにより直接電子移動型の優れた触媒電流性能を有する電極として構成することができる。そして、細孔内に充填することにより電極上での本発明のN末端側切断型の高活性化変異体の性能低下を低減できるとの利点もある。つまり、電極の安定性が向上するとの利点もある。   The N-terminal truncated high activation mutant of the present invention described above can be fixed in the form of direct electron transfer with the electrode in the pores of the porous material. It can be configured as an electrode having catalytic current performance. And there is also an advantage that the performance degradation of the N-terminal side cleavage type highly activated mutant of the present invention on the electrode can be reduced by filling the pores. That is, there is an advantage that the stability of the electrode is improved.

ここで多孔性材料とは、多数の細孔を有する材料を意味し、その表面に多数の細孔を有する電気伝導性(導電性)物質である限り特に制限なく使用することができる。そして、多孔性材料としては、好ましくは多孔性カーボンであり、特にはカーボンゲル等のカーボン微粒子が好ましい。具体的には、カーボンゲル等のカーボン微粒子をカーボンペーパー等の導電性基材に塗布して構成することが好ましい。導電性基材としては、上述したような公知の基材を用いることができる。例えば、実施例15の方法で調製することができる。ここで、カーボンゲルとは、レゾルシノールとホルムアルデヒドの重合によってできる多孔性炭素素材であり、メソ細孔を持つ導電性材料であることから、触媒担体やキャパシタ素材、バイオ電池の酵素電極用基材としての利用が期待されている。   Here, the porous material means a material having a large number of pores, and can be used without particular limitation as long as it is an electrically conductive (conductive) substance having a large number of pores on its surface. The porous material is preferably porous carbon, and carbon fine particles such as carbon gel are particularly preferable. Specifically, it is preferable that carbon fine particles such as carbon gel are applied to a conductive substrate such as carbon paper. As the conductive substrate, a known substrate as described above can be used. For example, it can be prepared by the method of Example 15. Here, the carbon gel is a porous carbon material formed by polymerization of resorcinol and formaldehyde, and is a conductive material having mesopores. Therefore, it is used as a catalyst carrier, a capacitor material, and a base material for an enzyme electrode of a bio battery. Is expected to be used.

多孔性カーボンの細孔の大きさは、固定化する本発明のN末端側切断型の高活性化変異体に応じて適宜設定される。つまり、細孔の大きさは、固定化するタンパク質サイズに合った最適値があり、細孔径が固定化対象の本発明のN末端側切断型の高活性化変異体よりも小さいと当該高活性化変異体は細孔に入ることができず、高密度な固定化を実現できない。一方、細孔径が本発明のN末端側切断型の高活性化変異体より大きいと当該高活性化変異体は細孔に入ることができ、電極との間で高効率な電子伝達反応ができその触媒機能を発揮できるようになる。しかしながら、細孔径が大きすぎる場合にも、固定された高活性化変異体と電極との間に余分な空間でき、直接電子伝達効率が低下する等の不具合が生じるため好ましくない。つまり、酵素上の電子の授受を行う部位が、適当な配向性をもって多孔性カーボンと接触する必要がある。したがって、例えば、配列番号25のN末端側切断型の高活性化変異体の場合には、細孔の直径を20〜40nm、好ましくは20〜35nm、特には22〜22.2nmに構成することができ、最適な細孔の直径は、22.2nmである。   The size of the pores of the porous carbon is appropriately set according to the N-terminal truncated high activation mutant of the present invention to be immobilized. In other words, the pore size has an optimum value that matches the size of the protein to be immobilized, and if the pore size is smaller than the N-terminal truncated highly activated mutant of the present invention to be immobilized, the high activity The modified mutant cannot enter the pores and cannot achieve high density immobilization. On the other hand, if the pore diameter is larger than the N-terminally truncated highly activated mutant of the present invention, the highly activated mutant can enter the pore and perform an efficient electron transfer reaction with the electrode. The catalyst function can be exhibited. However, even when the pore diameter is too large, an extra space is formed between the fixed highly activated mutant and the electrode, which causes a problem such as a decrease in direct electron transfer efficiency, which is not preferable. That is, it is necessary that the site for transferring electrons on the enzyme contacts the porous carbon with appropriate orientation. Therefore, for example, in the case of the N-terminal truncated high activation mutant of SEQ ID NO: 25, the pore diameter may be 20 to 40 nm, preferably 20 to 35 nm, particularly 22 to 22.2 nm. The optimum pore diameter is 22.2 nm.

導電性基材及び多孔性材料上へのタンパク質の固定化は、公知の方法によって行うことができる。例えば、物理的吸着、イオン結合,共有結合を介して固定化する担体結合法を利用することができる。例えば、物理的吸着による固定化の場合、本発明の高活性化変異体を含む溶液に導電性基材を接触させ、これを乾燥させることによって簡便に固定できる。また、グルタルアルデヒドなどの二価性官能基をもつ架橋試薬で架橋固定する架橋法をも利用できる。更には、アルギン酸,カラギーナン等の多糖類、導電性ポリマー、酸化還元ポリマー、光架橋性ポリマー等の網目構造をもつポリマー、透析膜等の半透性膜内に封入して固定化する包括法等をも利用することができる。また、これらを組み合わせて用いてもよい。   The protein can be immobilized on the conductive substrate and the porous material by a known method. For example, it is possible to use a carrier binding method that is immobilized through physical adsorption, ionic bond, or covalent bond. For example, in the case of immobilization by physical adsorption, it can be simply immobilized by bringing a conductive substrate into contact with a solution containing the highly activated mutant of the present invention and drying it. Further, a crosslinking method in which crosslinking is performed with a crosslinking reagent having a divalent functional group such as glutaraldehyde can be used. Furthermore, polysaccharides such as alginic acid and carrageenan, conductive polymers, redox polymers, polymers having a network structure such as photocrosslinkable polymers, and a comprehensive method in which they are sealed in a semipermeable membrane such as a dialysis membrane Can also be used. Moreover, you may use combining these.

6−2.バイオ電池
本発明の高活性化変異体は、バイオ電池の構築に利用することができ、かかるバイオ電池も本発明の一部を構成する。本発明のバイオ電池は、例えば、酸化反応を行うアノード側電極と、還元反応を行うカソード側電極から構成され、必要に応じてアノード側電極とカソード側電極を隔離する電解質層を含んで構成され、好ましくは、6−1の項で説明した本発明の高活性化変異体を外部回路に接続した導電性基材上に固定化した電極を備える。また、高活性化変異体を適当な緩衝液中に溶解させた形態で供給してもよい。固定化に際しては、高活性化変異体は、銅原子を含むホロ酵素の状態で固定化することが好ましい。しかしながら、アポ酵素の形態で固定化し、銅原子を別の層として、又は、適当な緩衝液に溶解させた形態で供給してよい。また、その他の酵素の触媒活性の発現のために必要な物質を、別の層として、又は、適当な緩衝液に溶解させた形態で供給してよい。
6-2. Bio Battery The highly activated mutant of the present invention can be used for the construction of a bio battery, and such a bio battery also forms part of the present invention. The biobattery of the present invention includes, for example, an anode side electrode that performs an oxidation reaction and a cathode side electrode that performs a reduction reaction, and includes an electrolyte layer that separates the anode side electrode and the cathode side electrode as necessary. Preferably, an electrode in which the highly active mutant of the present invention described in the section 6-1 is immobilized on a conductive base material connected to an external circuit is provided. Alternatively, the high activation mutant may be supplied in a form dissolved in an appropriate buffer. At the time of immobilization, the highly active mutant is preferably immobilized in the state of a holoenzyme containing a copper atom. However, it may be immobilized in the form of an apoenzyme and supplied as a separate layer or in a form dissolved in an appropriate buffer solution. In addition, substances necessary for the expression of the catalytic activity of other enzymes may be supplied as a separate layer or in a form dissolved in an appropriate buffer.

そして、好ましくは、高活性化変異体を外部回路に接続した導電性基材上に固定化した電極はカソード側電極として構築する。カソード側電極で、本発明の活性化変異体は、アノード側電極からの電子を受け取り、酸素を水に還元する反応を触媒する。詳細には、負極で発生した電子を用いて分子状酸素を4電子還元し水分子を生成する反応を触媒する。   And preferably, the electrode which fixed the highly activated variant on the electroconductive base material connected to the external circuit is constructed | assembled as a cathode side electrode. At the cathode side electrode, the activation mutant of the present invention catalyzes a reaction that accepts electrons from the anode side electrode and reduces oxygen to water. Specifically, it catalyzes a reaction that generates four water molecules by reducing four-electron molecular oxygen using electrons generated in the negative electrode.

好ましくは、アノード側電極は、炭素電極とし、炭素電極と高活性化変異体との間で直に電子のやり取りを行うように構成する。また、炭素電極と高活性化変異体の間に、酸化還元物質を介在させるように構成してもよい。例えば、アノード側電極として、グルコースデヒドロゲナーゼ等の酸化還元酵素を固定化した電極を使用することができる。また、必要に応じて、酵素反応と電極間の電子伝達を媒介する電子メディエーターを用いる。メディエーターは、特に限定されるものではないが、例えば、キノン類、シトクロム類、ビオロゲン類、フェナジン類、フェノキサジン類、フェノチアジン類、フェリシアン化物、フェレドキシン類、フェロセンおよびその誘導体等が例示される。   Preferably, the anode side electrode is a carbon electrode and is configured to directly exchange electrons between the carbon electrode and the highly activated mutant. Moreover, you may comprise so that a redox substance may be interposed between a carbon electrode and a highly activated variant. For example, an electrode on which an oxidoreductase such as glucose dehydrogenase is immobilized can be used as the anode side electrode. If necessary, an electron mediator that mediates enzyme reaction and electron transfer between electrodes is used. The mediator is not particularly limited, and examples thereof include quinones, cytochromes, viologens, phenazines, phenoxazines, phenothiazines, ferricyanides, ferredoxins, ferrocene and derivatives thereof.

本発明のバイオ電池は、高いラッカーゼ活性を発揮するという優れた基質触媒能力を有する本発明の高活性化変異体を利用することから、カソード側電極上での酸化還元反応が高効率に進められる。その結果、得られる電気エネルギーが増加し、高出力、かつ安定した発電が可能となる。これによりバイオ電池の高性能化を図ることができる。   Since the biobattery of the present invention uses the highly activated mutant of the present invention having an excellent substrate catalytic ability to exhibit high laccase activity, the redox reaction on the cathode side electrode can be advanced with high efficiency. . As a result, the obtained electric energy increases, and high output and stable power generation becomes possible. This can improve the performance of the biobattery.

上述したとおり、本発明のN末端側切断型の高活性化変異体は、多孔性材料の細孔内に電極との直接電子移動ができる形で固定することができ、これにより直接電子移動型の優れた触媒電流性能を有する電極として構成することができる。そして、細孔内に充填することにより電極上での本発明のN末端側切断型の高活性化変異体の性能低下を低減できるとの利点もある。つまり、電極の安定性が向上する。これにより、更なる高出力かつ安定した発電が可能となり、高性能で実用性の高いバイオ電池を構築することができる。   As described above, the N-terminal cleavage type highly active mutant of the present invention can be fixed in a form that allows direct electron transfer with the electrode in the pores of the porous material, thereby allowing direct electron transfer type. It can be configured as an electrode having excellent catalytic current performance. And there is also an advantage that the performance degradation of the N-terminal side cleavage type highly activated mutant of the present invention on the electrode can be reduced by filling the pores. That is, the stability of the electrode is improved. Thereby, further high output and stable power generation becomes possible, and a high-performance and highly practical bio battery can be constructed.

6−3.バイオセンサー
本発明の高活性化変異体は、バイオセンサーの構築に利用することができ、かかるバイオセンサーも本発明の一部を構成する。本発明のバイオセンサーは、6−1の項で説明した高活性化変異体を外部回路に接続した導電性基材上に固定化した電極を備える。例えば、この電極を基質認識部位となる作用電極とし、その対極を設けて構成される。必要に応じて、測定精度の信頼性を高める観点から、銀-塩化銀などの参照極を設けた三電極方式として構成してもよい。このように構成することにより、ラッカーゼの基質となる何れの化合物を検出することができる。特にはフェノール類化合物の検出に好ましく利用でき、フェノールセンサーとして実用的に利用可能である。
6-3. Biosensor The highly activated mutant of the present invention can be used to construct a biosensor, and such a biosensor also forms part of the present invention. The biosensor of the present invention includes an electrode in which the highly activated mutant described in Section 6-1 is immobilized on a conductive base material connected to an external circuit. For example, this electrode is used as a working electrode serving as a substrate recognition site, and its counter electrode is provided. If necessary, from the viewpoint of improving the reliability of measurement accuracy, a three-electrode system provided with a reference electrode such as silver-silver chloride may be used. By comprising in this way, any compound used as the substrate of laccase can be detected. In particular, it can be preferably used for detection of phenol compounds, and can be practically used as a phenol sensor.

また、上述の本発明のN末端側切断型の高活性化変異体は、多孔性材料の細孔内に電極との直接電子移動ができる形で固定することができ、これにより直接電子移動型の高触媒電流性能を有する電極として構成することができる。そして、かかる電極を備えたバイオセンサーも本発明の一部として含まれ、更なるバイオセンサーの性能向上に貢献することができる。   In addition, the above-mentioned N-terminal cleavage type highly active mutant of the present invention can be fixed in a form that allows direct electron transfer with the electrode in the pores of the porous material, thereby enabling direct electron transfer type. It can be configured as an electrode having high catalytic current performance. And the biosensor provided with this electrode is also included as a part of this invention, and can contribute to the further performance improvement of a biosensor.

本発明のバイオセンサーによる測定は、被検試料を当該センサーと接触させ、電極上の本発明の高活性化変異体と基質の酸化反応により生じた変化を電気信号に変換し、これを検知することで行われる。得られた電気信号を処理することにより、被検試料中の基質の存在の有無若しくは濃度を測定することができる。このとき、あらかじめ目的濃度範囲内における標準濃度の基質溶液により作製した標準曲線を作成することにより、得られた電流値に基づいて基質濃度を求めることができる。ここで、試料としては、基質の存在が予想されるすべての試料を対象とすることができる。例えば、血液、尿、唾液等の生物体由来の生物試料、食品試料、土壌や河川水、湖沼水、海水等の水等の環境試料等が例示されるがこれに限定されるものではない。また、必要に応じてこれらの試料に適当な処理を行った試料をも含み得る。そして、本発明のバイオセンサーは、ラッカーゼの基質となることができる全ての物質の検出に利用可能である。更に、本発明のバイオセンサーは、高いラッカーゼ活性を発揮するという優れた基質触媒能力を有する本発明の高活性化変異体を利用することから、作用電極上で酸化還元反応が高効率で進み、その結果、電気信号の高出力化により検出感度の向上を図ることができる。これにより、高性能で実用性の高いバイオセンサーを構築することができる。したがって、医療、食品、環境分野等、種々の産業分野において利用可能である。   In the measurement by the biosensor of the present invention, the test sample is brought into contact with the sensor, and the change caused by the oxidation reaction of the highly activated mutant of the present invention and the substrate on the electrode is converted into an electric signal and detected. Is done. By processing the obtained electrical signal, the presence or concentration of the substrate in the test sample can be measured. At this time, by preparing a standard curve prepared in advance with a substrate solution having a standard concentration within the target concentration range, the substrate concentration can be determined based on the obtained current value. Here, as a sample, all samples in which the presence of a substrate is expected can be targeted. Examples include biological samples derived from organisms such as blood, urine, saliva, food samples, environmental samples such as soil, river water, lake water, seawater, and the like, but are not limited thereto. Moreover, the sample which performed the appropriate process to these samples as needed may also be included. The biosensor of the present invention can be used to detect all substances that can serve as a substrate for laccase. Furthermore, since the biosensor of the present invention uses the highly activated mutant of the present invention having excellent substrate catalytic ability to exhibit high laccase activity, the redox reaction proceeds with high efficiency on the working electrode, As a result, the detection sensitivity can be improved by increasing the output of the electric signal. Thereby, a biosensor with high performance and high practicality can be constructed. Therefore, it can be used in various industrial fields such as medical, food and environmental fields.

6−4.フェノール類化合物の検出方法
本発明の高活性化変異体は、試料中のラッカーゼの基質となり得る全ての化合物の検出のために利用することができる。特には、フェノール類化合物の検出のために利用することができる。フェノール類化合物の検出は、検出対象となるフェノール類化合物に対する活性の変化を測定することにより行うことができる。活性の測定は、フェノール類化合物の酸化還元反応を触媒する酵素の活性測定法として知られる方法をいずれをも利用して行うことができる。例えば、本発明の高活性化変異体を測定対象となる試料と反応させ、フェノール類化合物の酸化反応に伴う吸光度変化を測定し、かかる吸光度変化をもってフェノール類化合物の存在を検出することができる。そして、一旦、適当な試験条件が選択されていれば、この吸光度変化は測定しようとする酵素活性に直線的に比例する。したがって、あらかじめ目的濃度範囲内における標準濃度のフェノール類化合物溶液により標準曲線を作成することにより、得られた吸光度変化値に基づいてフェノール類化合物濃度を求めることができる。
6-4. Method for Detecting Phenol Compounds The highly activated mutant of the present invention can be used for detection of all compounds that can serve as a substrate for laccase in a sample. In particular, it can be used for the detection of phenol compounds. The detection of the phenol compound can be performed by measuring a change in activity with respect to the phenol compound to be detected. The activity can be measured using any method known as a method for measuring the activity of an enzyme that catalyzes a redox reaction of a phenol compound. For example, the highly activated mutant of the present invention can be reacted with a sample to be measured, the change in absorbance associated with the oxidation reaction of the phenol compound can be measured, and the presence of the phenol compound can be detected based on the change in absorbance. Once appropriate test conditions have been selected, this change in absorbance is linearly proportional to the enzyme activity to be measured. Therefore, by preparing a standard curve in advance with a phenol compound solution having a standard concentration within the target concentration range, the phenol compound concentration can be determined based on the obtained absorbance change value.

ここで、被検試料としては、フェノール類化合物等、ラッカーゼ活性を有する酵素の基質となり得る化合物の存在が予想されるすべての試料を対象とすることができる。例えば、血液、尿、唾液等の生物体由来の生物試料、食品試料、土壌や河川や湖沼、海水等の水等の環境試料等が例示されるがこれに限定されるものではない。また、必要に応じて、これらの試料に適当な処理を行った試料をも含み得る。特に、本発明の高活性化変異体は、優れた基質触媒能力を有することから測定対象物質である基質に対する酸化還元反応が高効率に行われる。その結果、検出感度が向上し、高精度に試料の分析を行うことができる。つまり、測定精度の向上を図れ、また、ラッカーゼ使用量を軽減できることからコスト削減効果をも奏することができる。   Here, as a test sample, all samples in which the presence of a compound that can be a substrate of an enzyme having laccase activity, such as a phenol compound, can be used. For example, biological samples derived from organisms such as blood, urine and saliva, food samples, environmental samples such as water such as soil, rivers, lakes, and seawater are not limited thereto. Moreover, the sample which performed the appropriate process to these samples as needed may also be included. In particular, since the highly activated mutant of the present invention has an excellent substrate catalytic ability, an oxidation-reduction reaction with respect to a substrate as a measurement target substance is performed with high efficiency. As a result, the detection sensitivity is improved, and the sample can be analyzed with high accuracy. That is, the measurement accuracy can be improved, and the amount of laccase used can be reduced, so that a cost reduction effect can be achieved.

以下、実施例において、本発明を更に具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。
なお、実施例1〜11は、配列番号4、及び5に示すアミノ酸配列を有するラッカーゼ活性を有するタンパク質に関連する発明について記載する。実施例12〜19は、特には配列番号25及び27に示すアミノ酸配列を有するラッカーゼ活性を有するタンパク質に関連する発明について記載する。しかしながら、本発明を、これらの例に限定する意図はない。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further more concretely, this invention is not limited to these Examples at all.
In addition, Examples 1-11 describe the invention relevant to the protein which has the laccase activity which has the amino acid sequence shown to sequence number 4 and 5. Examples 12 to 19 describe inventions relating specifically to proteins with laccase activity having the amino acid sequences shown in SEQ ID NOs: 25 and 27. However, it is not intended that the present invention be limited to these examples.

〔実施例1〕分子進化工学的手法を用いた酵素改変
分子進化工学的手法と称される酵素改変手法を利用して、高活性化変異体を探索するため野生型ラッカーゼにランダム変異を導入した。ここでは、野生型ラッカーゼとして、配列番号2のアミノ酸配列(図1B)を有する野生型MELACにHisタグを結合させた配列番号22のアミノ酸配列を野生型MELACとして改変の基礎として用いた。
[Example 1] Enzyme modification using molecular evolution engineering technique Random mutations were introduced into wild-type laccase to search for highly active mutants using an enzyme modification technique called molecular evolution engineering technique. . Here, as the wild-type laccase, the amino acid sequence of SEQ ID NO: 22 obtained by binding a His tag to the wild-type MELAC having the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 (FIG. 1B) was used as a base for modification as a wild-type MELAC.

ステップ1:野生型MELAC遺伝子のタンパク質発現プラスミドの構築
大腸菌タンパク質発現ベクターpET-22b(+)のマルチクローニングサイトNdeI/HindIIIに、野生型MELACをコードする遺伝子をクローニングし、タンパク質発現プラスミドを構築した。ここで使用した野生型MELACをコードする遺伝子は、配列番号22のアミノ酸配列をコードする配列番号21に示す塩基配列を有する。
Step 1: Construction of protein expression plasmid of wild type MELAC gene The gene encoding wild type MELAC was cloned into the multicloning site NdeI / HindIII of the E. coli protein expression vector pET-22b (+) to construct a protein expression plasmid. The gene encoding wild type MELAC used here has the base sequence shown in SEQ ID NO: 21 encoding the amino acid sequence of SEQ ID NO: 22.

ステップ2:変異遺伝子ライブラリーの構築
野生型MELACの変異遺伝子ライブラリーを作製するために、エラープローンPCR法を用いて野生型MELAC遺伝子にランダム変異を導入した。具体的には、DNAポリメラーゼのヌクレオチドの取り込み間違い頻度を促進させるために、マグネシウム濃度とマンガン濃度を[Mg, Mn]=[5, 0.5] mMに調製し、分子内の塩基配列上に1〜2箇所の変異を導入したライブラリーを作製した。エラープローンPCR反応条件は、50μlの反応系に、2.5 unitのTaq DNAポリメラーゼ(タカラバイオ社製)、0.5μMのプライマー1及びプライマー2、10 mM トリス塩酸Buffer(pH8.3)、50 mM KCl、5.0 mM MgCl2、0.5 mM MnCl2を混合し反応液を調製した。PCR反応温度プログラムは、98℃で10秒、68℃で60秒での反応を1サイクルとして、これを30サイクル行なった。
Step 2: Construction of mutant gene library In order to prepare a mutant gene library of wild-type MELAC, random mutations were introduced into the wild-type MELAC gene using error-prone PCR. Specifically, in order to promote the frequency of mistaken nucleotide incorporation of DNA polymerase, the magnesium concentration and the manganese concentration are adjusted to [Mg, Mn] = [5, 0.5] mM, and 1 to A library into which two mutations were introduced was prepared. Error-prone PCR reaction conditions were as follows: 50 μl reaction system, 2.5 unit Taq DNA polymerase (manufactured by Takara Bio Inc.), 0.5 μM primer 1 and primer 2, 10 mM Tris-HCl buffer (pH 8.3), 50 mM KCl, 5.0 mM MgCl 2 and 0.5 mM MnCl 2 were mixed to prepare a reaction solution. In the PCR reaction temperature program, the reaction at 98 ° C. for 10 seconds and 68 ° C. for 60 seconds was set as one cycle, and this was performed for 30 cycles.

次に、ランダム変異を導入した遺伝子断片と、変異導入しない遺伝子断片を連結するために、オーバーラッピングPCR法を行った。具体的には、まず変異導入しない遺伝子断片を得るために、ステップ1で作製した発現ベクターを鋳型にして、プライマー3及びプライマー4を用いてPCR増幅を行った。ここで、PCR反応条件は、PrimeSTAR GXL DNA Polymerase(タカラバイオ製)を使用し、プライマー濃度を各0.2μMに調製した。PCR反応温度プログラムは、98℃で10秒、68℃で60秒での反応を1サイクルとして、これを20サイクル行なった。続いて、増幅断片を、DNA精製キット(GEヘルスケア製)を用いて精製した。得られた変異導入した遺伝子断片と変異導入しない遺伝子断片の両方を鋳型にして、プライマー2とプライマー3を用いてPCR増幅を行った。増幅後、DNA精製キット(GEヘルスケア製)を用いて増幅断片を精製した。続いて、得られたMELAC遺伝子をコードするDNA断片の両末端に、1分子PCR用のプライマー配列を付加するために、プライマー5及びプライマー6を用いてPCR増幅を行った。増幅後、DNA精製キットを用いて増幅DNA断片を精製し、TE Bufferを加えてDNA溶液とした。このようにして、野生型MELACをコードする遺伝子において、当該アミノ酸領域Ile250 ? Leu500に相当する塩基配列にランダム変異を導入した変異遺伝子ライブラリーを作製した。   Next, an overlapping PCR method was performed in order to link the gene fragment into which the random mutation was introduced and the gene fragment into which the mutation was not introduced. Specifically, in order to obtain a gene fragment that is not mutagenized, PCR amplification was performed using the expression vector prepared in step 1 as a template and using primer 3 and primer 4. Here, as PCR reaction conditions, PrimeSTAR GXL DNA Polymerase (manufactured by Takara Bio Inc.) was used, and the primer concentration was adjusted to 0.2 μM for each. In the PCR reaction temperature program, a reaction at 98 ° C. for 10 seconds and 68 ° C. for 60 seconds was defined as one cycle, and this was performed for 20 cycles. Subsequently, the amplified fragment was purified using a DNA purification kit (GE Healthcare). PCR amplification was performed using Primer 2 and Primer 3 using both the obtained gene fragment with mutation introduced and the gene fragment without mutation introduced as a template. After amplification, the amplified fragment was purified using a DNA purification kit (GE Healthcare). Subsequently, PCR amplification was performed using the primer 5 and the primer 6 in order to add a primer sequence for single molecule PCR to both ends of the obtained DNA fragment encoding the MELAC gene. After amplification, the amplified DNA fragment was purified using a DNA purification kit, and TE Buffer was added to obtain a DNA solution. Thus, in the gene encoding wild-type MELAC, the amino acid region Ile250? A mutant gene library was prepared by introducing random mutations into the base sequence corresponding to Leu500.

ここで使用したプライマーの塩基配列情報を示す。
プライマー1:5'- GCCAACAAACCAGCAGAATCCGGATAACCTGGTGCGCACG -3' (配列番号6)
プライマー2 :5'- TCCGGATATAGTTCCTCCTTTCAG -3' (配列番号7)
プライマー3:5'- ATCTCGATCCCGCGAAATTAATAC -3' (配列番号8)
プライマー4:5'- CGTGCGCACCAGGTTATCCGGATTCTGCTGGTTTGTTGGC -3' (配列番号9)
プライマー5:5'- GGAGCTAGGGTTTACGAGTGGAATG-ATCTCGATCCCGCGAAATTAATAC -3' (配列番号10)
プライマー6:5'- GGAGCTAGGGTTTACGAGTGGAATG-TCCGGATATAGTTCCTCCTTTCAG -3' (配列番号11)
The base sequence information of the primer used here is shown.
Primer 1: 5'-GCCAACAAACCAGCAGAATCCGGATAACCTGGTGCGCACG-3 '(SEQ ID NO: 6)
Primer 2: 5'-TCCGGATATAGTTCCTCCTTTCAG-3 '(SEQ ID NO: 7)
Primer 3: 5'- ATCTCGATCCCGCGAAATTAATAC -3 '(SEQ ID NO: 8)
Primer 4: 5'-CGTGCGCACCAGGTTATCCGGATTCTGCTGGTTTGTTGGC-3 '(SEQ ID NO: 9)
Primer 5: 5′-GGAGCTAGGGTTTACGAGTGGAATG-ATCTCGATCCCGCGAAATTAATAC -3 ′ (SEQ ID NO: 10)
Primer 6: 5′-GGAGCTAGGGTTTACGAGTGGAATG-TCCGGATATAGTTCCTCCTTTCAG -3 ′ (SEQ ID NO: 11)

ステップ3:変異タンパク質ライブラリーの構築
上述のステップ2で得た変異遺伝子ライブラリーのDNA溶液を、0.5%ブルーデキストランを含むTE Bufferで希釈し、濃度1.5 DNA分子/μl(計算上)のDNA溶液を作製した。次に、1分子PCR増幅を行うために、希釈したDNA溶液を、384ウェルのPCRプレートに分注し、続いて、プライマー7を用いてPCR増幅を行った。PCR反応温度プログラムは、98℃で10 秒、68℃で60秒での反応を1サイクルとして、これを70サイクル行い、68℃にて10分間の最終反応により増幅反応を終えた。
Step 3: Construction of mutant protein library The DNA solution of the mutant gene library obtained in Step 2 above is diluted with TE Buffer containing 0.5% blue dextran, and the DNA solution has a concentration of 1.5 DNA molecules / μl (calculated). Was made. Next, in order to perform single molecule PCR amplification, the diluted DNA solution was dispensed into a 384 well PCR plate, and PCR amplification was then performed using primer 7. In the PCR reaction temperature program, the reaction at 98 ° C. for 10 seconds and 68 ° C. for 60 seconds was set as one cycle, and this was performed for 70 cycles.

次に、得られた増幅DNA断片を鋳型にして、大腸菌の無細胞タンパク質合成系で変異タンパク質ライブラリーを作製した。具体的には、5μlを384ウェルプレートの各ウェルに分注し、続いて1.5μlのPCR反応液を分注した。そして、市販の無細胞タンパク質合成系(ラビットトランスレーションシステム:RTS 100、E.coli HY Kit)を用いて、製造業者の取扱説明書に従い、反応時間4時間、反応温度30℃で、384ウェルプレート内でタンパク質の合成反応を行った。次に、合成したタンパク質(アポ型)を活性化(ホロ化)するために、8μlのタンパク質合成液に、15μlの1 mM のCuSO4溶液を加えて、4℃で4時間反応させた。 Next, using the obtained amplified DNA fragment as a template, a mutant protein library was prepared by a cell-free protein synthesis system of E. coli. Specifically, 5 μl was dispensed into each well of a 384 well plate, followed by 1.5 μl of the PCR reaction solution. Then, using a commercially available cell-free protein synthesis system (Rabbit Translation System: RTS 100, E.coli HY Kit), in accordance with the manufacturer's instructions, reaction time of 4 hours, reaction temperature of 30 ° C, 384-well plate The protein synthesis reaction was performed in the inside. Next, in order to activate (holoform) the synthesized protein (apo-type), 15 μl of 1 mM CuSO 4 solution was added to 8 μl of protein synthesis solution and reacted at 4 ° C. for 4 hours.

ここで使用したプライマーの塩基配列情報を示す。
プライマー7:5'- GGAGCTAGGGTTTACGAGTGGAATG -3' (配列番号12)
The base sequence information of the primer used here is shown.
Primer 7: 5'-GGAGCTAGGGTTTACGAGTGGAATG-3 '(SEQ ID NO: 12)

ステップ4:ラッカーゼ活性の測定と高活性化変異体の選抜
ステップ3で合成しホロ化したタンパク質のラッカーゼ活性についてスクリーニングした。ラッカーゼ活性の測定は、まず、50 mM リン酸Buffer pH7、1.0 mM ABTS、1.0 mM CuSO4により活性測定液80μlを調製し、これを384ウェルプレートに分注した。続いて、各ウェルに2μlのタンパク質合成液を加えてラッカーゼ活性を測定することにより行った。測定は、ABTSを基質とし、基質の酸化に伴う418nmでの吸光度の変化をプレートリーダーにより測定する比色法により行った。
Step 4: Measurement of laccase activity and selection of highly activating mutants The proteins synthesized in Step 3 and screened for laccase activity were screened. For the measurement of laccase activity, 80 μl of an activity measurement solution was first prepared with 50 mM phosphate buffer pH 7, 1.0 mM ABTS, 1.0 mM CuSO 4 and dispensed into a 384 well plate. Subsequently, 2 μl of protein synthesis solution was added to each well and laccase activity was measured. The measurement was performed by a colorimetric method in which ABTS was used as a substrate and the change in absorbance at 418 nm accompanying the oxidation of the substrate was measured with a plate reader.

ここで、本実施例において作製した変異体の塩基変異数、アミノ酸変異数、アミノ酸変異部位を下記の表1に示す。表中における「アミノ酸変異部位」において、例えば「R287H」との表記は、野生型MELACのアミノ酸配列である配列番号22における第287番目のアルギニン(R)がヒスチジン(H)に置換されたことを表す。尚、本明細書においては、アミノ酸の位置は開始コドンであるメチオニンを1として番号付けしている。   Here, the number of base mutations, the number of amino acid mutations, and the amino acid mutation sites of the mutants produced in this example are shown in Table 1 below. In the “amino acid mutation site” in the table, for example, “R287H” indicates that the 287th arginine (R) in SEQ ID NO: 22 which is the amino acid sequence of wild-type MELAC is replaced with histidine (H). Represent. In the present specification, amino acid positions are numbered with 1 being the initiation codon methionine.

スクリーニング結果を図2に示す。その結果、野生型MELACよりも高いラッカーゼ活性を示す変異体を取得できたことが判明した。特に、表1中の「変異体No.3」と称する変異体が、野生型MELACよりも3.43倍のラッカーゼ活性を示した。この変異体No.3は、表1に示す通りQ255R及びM308Rの変異を有する。そして、遺伝子レベルでは764; A->G、923; T->Gのヌクレオチド変異を有する。ここで、ヌクレオチド変異において、例えば「764; A->G」との表記は、野生型MELACの塩基配列である配列番号1における第764番目のアデニン(A)をグアニン(G)に置換されたことを表す。ここで得られた変異体No.3の塩基配列とその推定アミノ酸配列を夫々配列番号3と4に、そして図1C、Dに示す。   The screening results are shown in FIG. As a result, it was found that a mutant exhibiting higher laccase activity than wild type MELAC could be obtained. In particular, the mutant designated as “mutant No. 3” in Table 1 showed 3.43-fold laccase activity as compared to wild-type MELAC. This mutant No. 3 has mutations Q255R and M308R as shown in Table 1. And at the gene level, it has 764; A-> G, 923; T-> G nucleotide mutations. Here, in the nucleotide mutation, for example, the notation “764; A-> G” is obtained by replacing the 764th adenine (A) in SEQ ID NO: 1, which is the base sequence of wild-type MELAC, with guanine (G). Represents that. The nucleotide sequence of mutant No. 3 obtained here and its deduced amino acid sequence are shown in SEQ ID NOs: 3 and 4, and FIGS. 1C and D, respectively.

〔実施例2〕タンパク質の発現プラスミドの作製
実施例1で得られた野生型MELAC又はMELAC変異体をコードする遺伝子を大腸菌に形質転換し、大腸菌細胞内で発現させて組み換えタンパク質を製造するための発現プラスミドを作製した。
[Example 2] Preparation of protein expression plasmid For producing recombinant protein by transforming the gene encoding wild-type MELAC or MELAC mutant obtained in Example 1 into E. coli and expressing it in E. coli cells An expression plasmid was prepared.

タンパク質発現は、野生型MELAC又はMELAC変異体をコードする遺伝子を、大腸菌タンパク質発現ベクターpET22bのマルチクローニングサイトに、タンパク質のC末端にHisタグが融合したタンパク質として発現するようにクローニングした。続いて、この発現プラスミドを大腸菌BL21(DE3)pLysSに形質転換し、遺伝子導入プラスミドを選択した。   For protein expression, a gene encoding a wild-type MELAC or MELAC mutant was cloned into a multicloning site of an E. coli protein expression vector pET22b so as to be expressed as a protein having a His tag fused to the C-terminus of the protein. Subsequently, this expression plasmid was transformed into E. coli BL21 (DE3) pLysS, and a gene transfer plasmid was selected.

具体的には、実施例1で得られた遺伝子の部分配列(N末端領域をコードする5'端配列末端及びC末端領域をコードする3'末端配列)に対する特異的プライマー8及びプライマー9を用いてPCR増幅を行った。得られた増幅産物をアガロースゲル電気泳動に供し分析及び精製を行い、精製後のDNA断片を大腸菌発現用ベクターであるpET22b Vectorのマルチクローニングサイト(NdeI-HindIII)に、クローニングキット(In-Fusion Advantage PCRクローニングキット)を用いてクローニングした。ベクターとインサートの末端に設定する相同な配列(15塩基:それぞれ、5'側の15塩基)間を下線で示す。このとき、ラッカーゼ遺伝子のC末端にあるストップコドンを除き、pET22bのNdeI/HindIIIサイトにクローニングし、C末端側にヒスチジンを含んだペプチド(L-A-A-A-L-E-H-H-H-H-H-H(配列番号13):H-H-H-H-H-HはHisタグ)との融合タンパク質の発現プラスミドを構築した。これを大腸菌DH5α株に形質転換し、遺伝子導入プラスミドを選択した。   Specifically, specific primers 8 and 9 for the partial sequences of the gene obtained in Example 1 (5 ′ end sequence end encoding N-terminal region and 3 ′ end sequence encoding C-terminal region) were used. PCR amplification was performed. The obtained amplification product is subjected to agarose gel electrophoresis for analysis and purification. The purified DNA fragment is cloned into the multi-cloning site (NdeI-HindIII) of the E. coli expression vector pET22b Vector, a cloning kit (In-Fusion Advantage PCR cloning kit). A homologous sequence (15 bases: 15 bases on each 5 ′ side) set at the end of the vector and the insert is underlined. At this time, except for the stop codon at the C-terminus of the laccase gene, cloning into the NdeI / HindIII site of pET22b and fusion with a peptide containing histidine on the C-terminal side (LAAALEHHHHHH (SEQ ID NO: 13): HHHHHH is a His tag) A protein expression plasmid was constructed. This was transformed into E. coli DH5α strain, and a gene transfer plasmid was selected.

ここで使用したプライマーの塩基配列情報を示す。
プライマー8:5'- GAAGGAGATATACATATGGAAGATTCCAGACGGCATGG -'3 (配列番号14)
プライマー9:5'- GAGTGCGGCCGCAAGCTTCACAACCTCGATGATGCCCA -'3 (配列番号15)
The base sequence information of the primer used here is shown.
Primer 8: 5'-GAAGGAGATATACATATGGAAGATTCCAGACGGCATGG -'3 (SEQ ID NO: 14)
Primer 9: 5'-GAGTGCGGCCGCAAGCTTCACAACCTCGATGATGCCCA -'3 (SEQ ID NO: 15)

〔実施例3〕大腸菌でのタンパク質の発現と精製
実施例2で選択したタンパク質発現プラスミドを大腸菌に形質転換し、大腸菌細胞内で発現させて組み換えタンパク質を製造した。
[Example 3] Protein expression and purification in E. coli The protein expression plasmid selected in Example 2 was transformed into E. coli and expressed in E. coli cells to produce recombinant proteins.

実施例2で選択したタンパク質発現プラスミドを、大腸菌BL21(DE3)pLysS株に形質転換した。続いて、このタンパク質発現プラスミドを導入した大腸菌を培養し、イソプロピル 1-チオ-β-D-ガラクトピラノシド(isopropyl thio-β-galactoside:以下、「IPTG」と略する)の添加により、上記融合タンパク質を誘導し発現させた。具体的には、大腸菌を吸光度OD600が約0.2になるまで37℃で培養し、更に0.1mMのIPTG、0.5mM CuCl2を加えて20℃で20時間培養した。培養後、培養液を遠心分離することにより大腸菌を回収し、次の実験まで凍結させた。 The protein expression plasmid selected in Example 2 was transformed into E. coli BL21 (DE3) pLysS strain. Subsequently, Escherichia coli into which the protein expression plasmid was introduced was cultured, and by adding isopropyl 1-thio-β-D-galactopyranoside (isopropyl thio-β-galactoside: hereinafter abbreviated as “IPTG”), The fusion protein was induced and expressed. Specifically, Escherichia coli was cultured at 37 ° C. until the absorbance OD 600 reached about 0.2, and further 0.1 mM IPTG and 0.5 mM CuCl 2 were added and cultured at 20 ° C. for 20 hours. After culturing, E. coli was collected by centrifuging the culture solution and frozen until the next experiment.

タンパク質を発現した菌体を10mM トリス塩酸Buffer、1mM EDTA, pH7.4に懸濁し、0.4%の界面活性剤(Brij58)を加え、氷中で30分間放置した。次に、超音波菌体破砕器にて菌体を破砕し、菌体破砕液を40,000 ×g で30分間遠心して不溶物を遠心分離により除き細胞破砕液を分取した。次に、得られた細胞破砕液に対して、ヒスチジンタグ融合タンパク質精製用金属アフィニティー担体(TALON:クロンテック社製)による精製を行った。具体的には、担体をオープンカラムに適当量充填し、20 mM リン酸ナトリウム、5 mMイミダゾール、0.5 M NaCl溶液で前洗浄後、上記で得られた細胞破砕液に最終濃度が0.5 MになるようにNaClを加え、これをカラムにアプライした。続いて、20 mM リン酸ナトリウム、10 mMイミダゾール、0.5 M NaCl溶液で洗浄後、20mM リン酸ナトリウム、 150 mMイミダゾール、0.5M NaCl溶液でタンパク質を溶出した。溶出後、溶出液に対して、25 mM トリス塩酸Buffer(pH7.4)、1 mM CuCl2を外液として透析を一晩行った。これにより、溶出に用いたイミダゾールやNaCl等の塩類の除去、並びにタンパク質に銅イオンを取り込ませホロ化させることができる。 The bacterial cells expressing the protein were suspended in 10 mM Tris-HCl buffer, 1 mM EDTA, pH 7.4, 0.4% surfactant (Brij58) was added, and the mixture was left on ice for 30 minutes. Next, the cells were crushed with an ultrasonic cell crusher, and the cell lysate was centrifuged at 40,000 × g for 30 minutes to remove insoluble matters by centrifugation, and the cell lysate was collected. Next, the obtained cell lysate was purified with a metal affinity carrier for purifying histidine tag fusion protein (TALON: manufactured by Clontech). Specifically, an appropriate amount of support is packed in an open column, pre-washed with 20 mM sodium phosphate, 5 mM imidazole, and 0.5 M NaCl solution, and the final concentration of the cell lysate obtained above is 0.5 M. NaCl was added and applied to the column. Subsequently, after washing with 20 mM sodium phosphate, 10 mM imidazole, 0.5 M NaCl solution, the protein was eluted with 20 mM sodium phosphate, 150 mM imidazole, 0.5 M NaCl solution. After elution, the eluate was dialyzed overnight using 25 mM Tris-HCl buffer (pH 7.4) and 1 mM CuCl 2 as external solutions. Thereby, removal of salts such as imidazole and NaCl used for elution, and incorporation of copper ions into the protein can be carried out.

〔実施例4〕各変異体のラッカーゼ活性の比較
実施例3において、実施例1で得られた16種のMELAC変異体を大腸菌に形質転換することにより組換え合成した。続いて、本実施例において、夫々の変異体のラッカーゼ活性の測定を行い、その活性を比較した。
[Example 4] Comparison of laccase activity of each mutant In Example 3, the 16 MELAC mutants obtained in Example 1 were recombinantly synthesized by transforming into E. coli. Subsequently, in this example, the laccase activity of each mutant was measured, and the activities were compared.

実施例1のスクリーニングで得られた16種のMELAC変異体について、実施例2及び3の方法に基づいて、夫々組換えタンパク質として発現及び精製を行った。なお、タンパク質の発現と精製を確認するために、得られた精製タンパク質の適量にタンパク質可溶化液を加えて95℃で熱処理した後、12.5%アクリルアミドゲルでの電気泳動に供してCBB染色法(和光純薬社製)によりタンパク質を可視化した。結果を図3に示す。この結果、野生型MELAC及び16種類の変異体の1つである変異体No.3の双方共にタンパク質のシングルバンドが確認でき、タンパク質の精製が成功裏に終了したことを示す。ここで得られた精製タンパク質を以下のラッカーゼ活性の確認実験に使用した。   The 16 MELAC mutants obtained in the screening of Example 1 were expressed and purified as recombinant proteins based on the methods of Examples 2 and 3, respectively. In order to confirm protein expression and purification, a protein lysate was added to an appropriate amount of the obtained purified protein, heat treated at 95 ° C., and then subjected to electrophoresis on 12.5% acrylamide gel (CBB staining method ( The protein was visualized by Wako Pure Chemical Industries). The results are shown in FIG. As a result, both the wild-type MELAC and mutant No. 3, which is one of 16 mutants, confirmed a single band of protein, indicating that protein purification was successfully completed. The purified protein obtained here was used for the following confirmation experiment of laccase activity.

ラッカーゼ活性の測定は、実施例1のステップ4の方法に準じて行った。具体的には、まず、50 mM リン酸Buffer、3.0 mM ABTS、1.0 mM CuSO4により活性測定液200μlを調製した。このとき、リン酸Bufferは、pH6.0、6.5及び7.0の3種類を調製した。活性測定液に上記で調製した1.0μgの精製タンパク質を夫々加えてラッカーゼ活性を測定することにより行った。測定は、ABTSを基質とし、基質の酸化反応に伴う単位時間当たりの418nmでの吸光度変化量を測定した。 The laccase activity was measured according to the method in Step 4 of Example 1. Specifically, first, 200 μl of an activity measurement solution was prepared with 50 mM phosphate buffer, 3.0 mM ABTS, and 1.0 mM CuSO 4 . At this time, three types of phosphate buffers with pH 6.0, 6.5 and 7.0 were prepared. This was performed by adding 1.0 μg of the purified protein prepared above to the activity measurement solution and measuring the laccase activity. In the measurement, ABTS was used as a substrate, and the amount of change in absorbance at 418 nm per unit time due to the oxidation reaction of the substrate was measured.

各変異体のラッカーゼ活性測定の結果を図4に示す。各pH条件下における野生型MELACのラッカーゼ活性の値を1とし、各変異体における相対活性の変化を比較した結果である。この結果から、変異体No.3が、野生型MELACに対して比活性が3倍前後向上し、そして、かかる活性向上は検討した全てのpH条件下で確認できた。したがって、変異体No.3は、野生型MELACの高活性化変異体であることが判明した。なお、図中に測定結果が示されていない5種の変異体(変異体No.6、7、12、14、15)については、タンパク質の発現及び精製には成功したが、ラッカーゼ活性がほぼ消失することが判明した。   The results of measuring the laccase activity of each mutant are shown in FIG. It is the result of comparing the relative activity change in each mutant with the value of laccase activity of wild-type MELAC under each pH condition being 1. From this result, it was confirmed that mutant No. 3 had a specific activity that was about 3 times higher than that of wild-type MELAC, and that this activity improvement was confirmed under all pH conditions examined. Therefore, it was found that mutant No. 3 is a highly active mutant of wild-type MELAC. For the five mutants (mutant Nos. 6, 7, 12, 14, and 15) whose measurement results are not shown in the figure, protein expression and purification were successful, but laccase activity was almost the same. It was found to disappear.

〔実施例5〕変異体の活性確認1−pH依存性
野生型MELACの高活性化変異体であることが確認された変異体No.3の各pHにおけるラッカーゼ活性を確認した。
[Example 5] Mutant activity confirmation 1-pH dependency Mutant No. 3 confirmed to be a highly activating mutant of wild-type MELAC was confirmed for laccase activity at each pH.

実施例3にて精製した野生型MELACと変異体No.3の各pHにおけるラッカーゼ活性を比較した。ラッカーゼ活性の測定は、実施例1及び4の測定方法に準じて行った。具体的には、まず、pH3.5〜8に調整された50 mMの緩衝液、3.0 mM ABTS、1.0 mM CuSO4を含む200μLの活性測定液を調製した。緩衝液としては、pH 3.5〜5.5は酢酸ナトリウムBuffer、pH 5.5〜7.0はリン酸ナトリウムBuffer、pH 7.5〜8.0はトリス塩酸Bufferを用いた。続いて、活性測定液に0.1μgの野生型MELACと変異体No.3を加えてラッカーゼ活性を測定した。測定は、ABTSを基質とし、基質の酸化反応に伴う単位時間(1分間)当たりの418nmでの吸光度変化量から比活性値を算出することにより行った。具体的には、ABTSのモル吸光度係数を36,000/M/cmとして、酸化されたABTSの量を算出することで、1分間に1 μmolのABTSを酸化する酵素量を求めた。 The laccase activity at each pH of wild type MELAC purified in Example 3 and mutant No. 3 were compared. The laccase activity was measured according to the measurement methods of Examples 1 and 4. Specifically, first, a 200 μL activity assay solution containing 50 mM buffer adjusted to pH 3.5 to 8, 3.0 mM ABTS, 1.0 mM CuSO 4 was prepared. As the buffer solution, sodium acetate buffer was used for pH 3.5 to 5.5, sodium phosphate buffer was used for pH 5.5 to 7.0, and Tris-HCl buffer was used for pH 7.5 to 8.0. Subsequently, 0.1 μg of wild-type MELAC and mutant No. 3 were added to the activity measurement solution, and laccase activity was measured. The measurement was performed by calculating the specific activity value from the amount of change in absorbance at 418 nm per unit time (1 minute) associated with the oxidation reaction of the substrate using ABTS as a substrate. Specifically, the amount of enzyme that oxidizes 1 μmol of ABTS per minute was determined by calculating the amount of ABTS oxidized with a molar absorbance coefficient of ABTS of 36,000 / M / cm.

また、コントロールとして、ビリルビンオキシダーゼ(天野エンザイム社製:以下「Mv.BO」)についても、同様にして比活性値を算出した。   As a control, specific activity values were calculated in the same manner for bilirubin oxidase (manufactured by Amano Enzyme Co., Ltd .: hereinafter “Mv.BO”).

ラッカーゼ活性の測定結果を図5A及び図5Bに示す。図5Aは、緩衝液として酢酸ナトリウムBufferを用いてpH 3.5〜5.5におけるラッカーゼ活性を測定した結果を示す。一方、図5Bは、緩衝液としてリン酸ナトリウムBufferを用いてpH 5.5〜7.0におけるラッカーゼ活性を測定した結果、及びにトリス塩酸Bufferを用いてpH 7.5〜8.0におけるラッカーゼ活性を測定した結果を示す。図中、野生型MELACの結果を白丸、変異体No.3の結果を黒丸、Mv.BOの結果を白三角で示す。これらの結果から、野生型MELACとの比較で、変異体No.3は検討した各pH条件下いずれにおいても比活性が向上していることが判明した。   The measurement results of laccase activity are shown in FIGS. 5A and 5B. FIG. 5A shows the results of measuring laccase activity at pH 3.5 to 5.5 using sodium acetate Buffer as a buffer. On the other hand, FIG. 5B shows the results of measuring laccase activity at pH 5.5 to 7.0 using sodium phosphate buffer as a buffer, and the results of measuring laccase activity at pH 7.5 to 8.0 using Tris-HCl buffer. In the figure, the results of wild-type MELAC are indicated by white circles, the results of mutant No. 3 are indicated by black circles, and the results of Mv. BO are indicated by white triangles. From these results, it was found that the specific activity of mutant No. 3 was improved under any of the pH conditions examined in comparison with wild-type MELAC.

〔実施例6〕変異体の活性確認2−変異導入部位の活性向上に対する影響
野生型MELACの高活性化変異体であることが確認された変異体No.3における、変異導入部位が活性向上に与える影響を検討した。
[Example 6] Mutant activity confirmation 2-Effect on activity improvement of mutation introduction site Mutation introduction site in Mutant No. 3 confirmed to be a highly activated mutant of wild-type MELAC improves activity The effect was examined.

変異体No.3は2箇所のアミノ酸変異(Q255R, M308R)を有する。これらのアミノ酸変異の活性向上への影響を調べるために、夫々一箇所のアミノ酸変異のみを有する変異体を作製した。即ち、野生型MELACを示すアミノ酸配列2の255番目のグルタミンがアルギニンに置換された変異体(以下、「変異体Q255R」と称する:配列番号16)、同308番目のメチオニンがアルギニンに置換された変異体(以下、「変異体M308R」と称し、配列番号5)である。そして、これらのラッカーゼ活性を測定し、野生型MELAC及び変異体No.3と比較した。具体的には、2つの変異体を作製するために、アミノ酸変異Q255Rをコードするプライマー10及びプライマー11、アミノ酸変異M308Rをコードするプライマー12とプライマー13を作製した。続いて、部位特異変異導入キット(PrimeSTAR Mutagenesis Basal Kit:タカラバイオ製)を用いて、製造業者による反応プロトコルに従い、実施例1のステップ1で作製した野生型MELACのタンパク質発現プラスミドを鋳型にして、上記で調製したプライマー用いてPCR増幅することにより変異導入操作を行った。   Mutant No. 3 has two amino acid mutations (Q255R, M308R). In order to examine the effect of these amino acid mutations on the activity improvement, mutants each having only one amino acid mutation were prepared. That is, a mutant in which the 255th glutamine of amino acid sequence 2 representing wild-type MELAC was replaced with arginine (hereinafter referred to as “mutant Q255R”: SEQ ID NO: 16), and the 308th methionine was replaced with arginine. It is a mutant (hereinafter referred to as “mutant M308R”, SEQ ID NO: 5). These laccase activities were measured and compared with wild type MELAC and mutant No. 3. Specifically, in order to prepare two mutants, primer 10 and primer 11 encoding amino acid mutation Q255R, primer 12 and primer 13 encoding amino acid mutation M308R were prepared. Subsequently, using the site-directed mutagenesis kit (PrimeSTAR Mutagenesis Basal Kit: manufactured by Takara Bio Inc.), according to the reaction protocol by the manufacturer, the wild-type MELAC protein expression plasmid prepared in Step 1 of Example 1 was used as a template. Mutation was introduced by PCR amplification using the primers prepared above.

ここで使用したプライマーの塩基配列情報を示す。
プライマー10:5'- CAGTTGCGGCCGACCATCCGCATGCGA -'3 (配列番号17)
プライマー11:5'- GGTCGGCCGCAACTGGCCGTTGATCGT -'3 (配列番号18)
プライマー12:5'- CAGCTGAGGATGGGGCCGGGAGAGCGC -'3 (配列番号19)
プライマー13:5'- CCCCATCCTCAGCTGGAAATCGGACAC -'3 (配列番号20)
The base sequence information of the primer used here is shown.
Primer 10: 5'-CAGTTGCGGCCGACCATCCGCATGCGA -'3 (SEQ ID NO: 17)
Primer 11: 5'-GGTCGGCCGCAACTGGCCGTTGATCGT -'3 (SEQ ID NO: 18)
Primer 12: 5'-CAGCTGAGGATGGGGCCGGGAGAGCGC -'3 (SEQ ID NO: 19)
Primer 13: 5'- CCCCATCCTCAGCTGGAAATCGGACAC -'3 (SEQ ID NO: 20)

作製した変異体遺伝子の塩基配列を解読し、そのコード配列が野生型MELACのアミノ酸配列の255番目のグルタミンがアルギニン(変異体Q255R:配列番号16)に、アミノ酸配列の308番目のメチオニンがアルギニン(変異体M308R:配列番号5)に置換されていることを確認した。次に、実施例2に準じた方法で、得られた変異体遺伝子を用いて変異体Q255Rと変異体M308Rのタンパク質発現プラスミドを作製した。続いて、実施例3の方法と同様に、タンパク質の発現と精製を行った。そして、実施例4の方法と同様に、タンパク質の発現と精製を確認した。   Decoding the nucleotide sequence of the mutant gene prepared, the 255th glutamine of the amino acid sequence of wild-type MELAC is arginine (mutant Q255R: SEQ ID NO: 16), and the 308th methionine of the amino acid sequence is arginine ( It was confirmed that the mutant M308R was substituted with SEQ ID NO: 5). Next, protein expression plasmids of mutant Q255R and mutant M308R were prepared by the method according to Example 2 using the obtained mutant gene. Subsequently, protein expression and purification were performed in the same manner as in Example 3. And like the method of Example 4, protein expression and purification were confirmed.

得られた精製タンパク質を電気泳動に供しCBB染色法によりタンパク質を可視化した結果を図6に示す。図6中、レーン1は野生型MELAC、レーン2は変異体No.3、レーン3は変異体Q255R、レーン4は変異体M308R、レーン5はタンパク質の分子量マーカーを示す。この結果、いずれにおいてもタンパク質のシングルバンドが確認でき、タンパク質の精製が成功裏に終了したことを示す。ここで得られた精製タンパク質を以下のラッカーゼ活性の確認実験に使用した。   The obtained purified protein was subjected to electrophoresis and the result of visualizing the protein by CBB staining is shown in FIG. In FIG. 6, lane 1 is wild-type MELAC, lane 2 is mutant No. 3, lane 3 is mutant Q255R, lane 4 is mutant M308R, and lane 5 is a molecular weight marker for protein. As a result, a single band of the protein could be confirmed in any case, indicating that the protein purification was successfully completed. The purified protein obtained here was used for the following confirmation experiment of laccase activity.

次に、これらの精製タンパク質を同量用いてラッカーゼ活性の比較を行った。ラッカーゼ活性の測定は、実施例4と同じ方法で行った。緩衝液としては、pH5.5、 6.0、6.5、7.0の四種類のリン酸Bufferを調製した。   Next, laccase activity was compared using the same amount of these purified proteins. The laccase activity was measured by the same method as in Example 4. Four types of phosphate buffers with pH 5.5, 6.0, 6.5, and 7.0 were prepared as buffer solutions.

各変異体のラッカーゼ活性測定の結果を図7に示す。各pH条件下における野生型MELACのラッカーゼ活性の値を1とし、各変異体における相対活性の変化を比較した。また、コントロールとして、いずれのタンパク質も添加せずにラッカーゼ活性を測定した結果を示す。この結果から、変異体No.3と変異体M308Rが共に、野生型MELACに対して2〜3.5倍程度の比活性の向上が確認できた。一方、変異体Q255Rは野生型MELACよりも活性が低くかった。このことから、変異体No.3の2つのアミノ酸変異の両方が活性向上に影響しているのではなく、アミノ酸変異M308Rのみが比活性の向上に寄与していることが判明した。そして、かかる活性向上は検討した全てのpH条件下で同様の傾向を示した。つまり、MELACの立体構造を形成する約500個のアミノ酸の中で、その比活性の向上に影響を与えるアミノ酸は1個であったことが導ける。   The result of the laccase activity measurement of each mutant is shown in FIG. The value of laccase activity of wild-type MELAC under each pH condition was set to 1, and the change of relative activity in each mutant was compared. Moreover, the result of having measured the laccase activity without adding any protein as control is shown. From this result, both the mutant No. 3 and the mutant M308R were confirmed to have an improvement in specific activity of about 2 to 3.5 times that of the wild-type MELAC. On the other hand, mutant Q255R was less active than wild-type MELAC. From this, it was found that both the two amino acid mutations of mutant No. 3 did not affect the activity improvement, but only amino acid mutation M308R contributed to the improvement of the specific activity. And this activity improvement showed the same tendency under all pH conditions examined. In other words, it can be derived that among about 500 amino acids forming the MELAC three-dimensional structure, only one amino acid affects the improvement of the specific activity.

〔実施例7〕変異体の活性確認3−基質濃度依存性
野生型MELACの高活性化変異体であることが確認された変異体No.3と、変異体No.3の2箇所のアミノ酸変異のうちの何れか一箇所の変異のみを有する変異体M308Rの各基質濃度におけるラッカーゼ活性を確認した。
[Example 7] Mutant activity confirmation 3-Substrate concentration dependency Two amino acid mutations of mutant No. 3 confirmed to be a highly activating mutant of wild-type MELAC and mutant No. 3 The laccase activity at each substrate concentration of mutant M308R having only one mutation was confirmed.

実施例4で精製した変異体No.3、及び実施例6で精製した変異体(変異体M308R)において、基質濃度が反応速度に与える影響を検討した。基質としてはABTSを用いた。ラッカーゼ活性の測定は、実施例1のステップ4及び実施例4〜6の方法に準じて行った。具体的には、まず、50 mM リン酸Buffer(pH6.0)、 ABTS、0.5mM CuSO4により活性測定液200μlを調製した。このとき、基質であるABTSは0〜2000μMの範囲に調整されたものと、1000〜4000μMの範囲に調整したものを作製した。活性測定液に、0.3μgの野生型MELAC、0.1μgの変異体No.3、0.1μgの変異体M308Rを夫々加えてラッカーゼ活性を測定することにより行った。測定は、ABTSを基質とし、基質の酸化反応に伴う単位時間当たりの418nmでの吸光度変化量を測定した。 In the mutant No. 3 purified in Example 4 and the mutant purified in Example 6 (mutant M308R), the influence of the substrate concentration on the reaction rate was examined. ABTS was used as a substrate. The laccase activity was measured according to the method of Step 4 of Example 1 and Examples 4-6. Specifically, first, 200 μl of an activity measurement solution was prepared with 50 mM phosphate buffer (pH 6.0), ABTS, and 0.5 mM CuSO 4 . At this time, the substrate ABTS was prepared in a range of 0 to 2000 μM and in the range of 1000 to 4000 μM. 0.3 μg of wild-type MELAC, 0.1 μg of mutant No. 3, and 0.1 μg of mutant M308R were added to the activity measurement solution, respectively, and the laccase activity was measured. In the measurement, ABTS was used as a substrate, and the amount of change in absorbance at 418 nm per unit time due to the oxidation reaction of the substrate was measured.

ラッカーゼ活性の測定結果を図8A、図8Bに示す。図8Aは、基質濃度0〜2000μMの範囲内でラッカーゼ活性を測定した結果を示す。一方、図8Bは、基質濃度1000〜4500μMの範囲内でラッカーゼ活性を測定した結果を示す。図中、変異体No.3の結果を●、変異体M308Rの結果を■、野生型MELACの結果を○で示す。これらの結果から、野生型MELACは、基質濃度5000μMまでは濃度依存的に活性向上すること、及び変異体のアミノ酸変異によっては、基質の親和性は野生型と大きくは変化しないことが判明した。   The measurement results of laccase activity are shown in FIGS. 8A and 8B. FIG. 8A shows the results of measuring laccase activity within a substrate concentration range of 0 to 2000 μM. On the other hand, FIG. 8B shows the results of measuring laccase activity within a substrate concentration range of 1000 to 4500 μM. In the figure, the result of mutant No. 3 is indicated by ●, the result of mutant M308R is indicated by ■, and the result of wild type MELAC is indicated by ◯. From these results, it was found that the activity of wild-type MELAC increased in a concentration-dependent manner up to a substrate concentration of 5000 μM, and that the affinity of the substrate did not change significantly from that of the wild-type depending on the amino acid mutation of the mutant.

〔実施例8〕変異体No.3の活性向上メカニズムの推定
変異体No.3の活性向上メカニズムを、立体構造解析に基づいて推定を行った。
[Example 8] Estimation of activity improvement mechanism of mutant No. 3 The activity improvement mechanism of mutant No. 3 was estimated based on a three-dimensional structure analysis.

変異体No.3の改変の基礎とした野生型MELACのアミノ酸配列につき、立体構造が既知なタンパク質群に対して相同性検索を行った。その結果、Thermus thermophilus 由来耐熱性ラッカーゼ(PDB ID; 2XU9)と相同性が最も高く32%であった。そこで、このThermus thermophilus 由来耐熱性ラッカーゼを参照構造として、Discovery studio 3.0(アクセルリス社製)を用いて、ホモロジーモデリング(Homology modeling)により、野生型MELACの立体構造モデルを構築した。図9Aは、野生型MELAC立体構造モデルを示し、変異部位(M308)とタイプIの銅の位置をball & stick表示で示す。この結果、変異部位は、電子受容部位 にあるタイプ1の銅の近傍には無いことが推測された。なお、この構造モデルは、上記Thermus thermophilus 由来耐熱性ラッカーゼに基づいて構築したものであるので、野生型MELACとの対応のアミノ酸配列が存在しない、N末端側の約50〜57番目のアミノ酸配列(図12を参照のこと)に相当する構造については示していない。   For the amino acid sequence of wild-type MELAC based on the modification of mutant No. 3, a homology search was performed on a protein group with a known three-dimensional structure. As a result, the homology with the thermostable laccase derived from Thermus thermophilus (PDB ID; 2XU9) was the highest and was 32%. Therefore, a three-dimensional structure model of wild-type MELAC was constructed by homology modeling using Discovery studio 3.0 (manufactured by Accelrys) using the thermostable laccase derived from Thermus thermophilus as a reference structure. FIG. 9A shows a wild-type MELAC conformation model, showing the position of the mutation site (M308) and type I copper in a ball & stick display. As a result, it was speculated that there was no mutation site near the type 1 copper in the electron accepting site. In addition, since this structural model was constructed based on the thermostable laccase derived from Thermus thermophilus, there is no amino acid sequence corresponding to wild-type MELAC, and about 50 to 57th amino acid sequence on the N-terminal side ( The structure corresponding to FIG. 12) is not shown.

そして、図9Bに、ラッカーゼの類似酵素であるMyrothecium verrucaria由来Bilirubin oxidase(以下、「Mv.BO」と略する)の立体構造上の推定結合ポケットの位置を示す。これはMv.BO の立体構造に関する論文(Cracknell, J. A., et al., Dalton Trans , 40, 6668-6675 (2011) )に記載に基づいて、基質結合に関与すると推定されるアミノ酸群をball & stick表示で示したものである。   FIG. 9B shows the position of the putative binding pocket on the three-dimensional structure of Myrothecium verrucaria-derived bilirubin oxidase (hereinafter abbreviated as “Mv.BO”), which is a similar enzyme to laccase. This is based on the description of the Mv.BO three-dimensional structure (Cracknell, JA, et al., Dalton Trans, 40, 6668-6675 (2011)). Shown in stick display.

次に、図9Cに、図9Aと図9Bを、配列アライメントに基づき主鎖を重ね合わせした図を示す。これによると、野生型MELAC上のM308は、タイプIの銅の近傍にはないが、Mv.BO の基質結合に関与すると推定されるアミノ酸群の近傍に位置していた。以上のことから、M308Rの変異により、電子移動に変化が生じた可能性があり、その結果中性領域での活性が向上したと推測された。   Next, FIG. 9C shows a diagram in which main chains are superimposed on FIGS. 9A and 9B based on sequence alignment. According to this, M308 on wild-type MELAC was not in the vicinity of type I copper, but was located in the vicinity of the amino acid group presumed to be involved in the substrate binding of Mv.BO. From the above, it was speculated that the mutation in M308R may cause a change in electron transfer, and as a result, the activity in the neutral region was improved.

〔実施例9〕野生型MELAC亜種の配列特定
野生型MELACの亜種のアミノ酸配列を特定し、変異体No.3が天然に存在する野生型MELACの亜種に含まれるか否かを検討した。
[Example 9] Sequence identification of wild-type MELAC subspecies The amino acid sequence of a wild-type MELAC sub-species is specified, and it is examined whether or not mutant No. 3 is included in a naturally-occurring wild-type MELAC sub-species. did.

天然に存在するタンパク質には、タンパク質をコードする塩基配列の僅かな違いにより、異なるアミノ酸配列を有する亜種が多数存在することが知られている。そこで、野生型MELACを単離した環境試料(千葉市緑区の牧場より採取した堆肥)からのメタゲノム試料(特開2011-87474号公報を参照のこと)に対して、野生型MELACの亜種の探索を行った。具体的には、上記メタゲノム試料を鋳型としてPCR増幅することにより、野生型MELACの亜種を得た。そして、得られた亜種の配列を特定した。   It is known that naturally occurring proteins have many subspecies having different amino acid sequences due to slight differences in the base sequences encoding the proteins. Therefore, a wild-type MELAC subspecies was compared with a metagenomic sample (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 2011-87474) from an environmental sample from which wild-type MELAC was isolated (compost collected from Midori-ku, Chiba City). We searched for. Specifically, wild-type MELAC subspecies was obtained by PCR amplification using the metagenomic sample as a template. And the sequence of the obtained subspecies was specified.

野生型MELAC亜種のアミノ酸配列の特定した結果を図10A、図10B、図10Cに示す。図中、野生型MELACと相同なアミノ酸残基をボックスで囲んだ。この結果、高活性化が確認された変異体M308Rの変異導入部位である第308番目のアミノ酸残基は、今回特定された亜種では変異が生じていなかった。したがって、変異体M308Rは、この亜種の中には含まれておらず、天然には見出されないタンパク質である可能性が極めて高いことが判明した。   The results of specifying the amino acid sequence of the wild-type MELAC subspecies are shown in FIGS. 10A, 10B, and 10C. In the figure, amino acid residues homologous to wild-type MELAC are boxed. As a result, the 308th amino acid residue, which is the mutation introduction site of the mutant M308R confirmed to be highly active, was not mutated in the subspecies identified this time. Therefore, it was found that the mutant M308R is very likely to be a protein that is not contained in this subspecies and is not found in nature.

〔実施例10〕変異体の活性確認4−反応速度
野生型MELACの高活性化変異体であることが確認された変異体No.3と、変異体No.3の2箇所のアミノ酸変異のうちの何れか一箇所の変異のみを有する変異体Q255R及び変異体M308Rの反応速度定数を求めた。
[Example 10] Activity confirmation of mutant 4-Reaction rate Among two amino acid mutations of mutant No. 3 confirmed to be a highly activated mutant of wild-type MELAC and mutant No. 3 The reaction rate constants of mutant Q255R and mutant M308R having only one mutation were determined.

実施例4で精製した変異体No.3、及び実施例6で精製した各変異体(変異体Q255R、変異体M308R)において、基質濃度を変化させて、酵素反応の初期速度のラインウェーバーバークプロットにより、酵素反応の速度定数(Km、Vmax、kcat)を求めた。基質としてはABTSを用い、25℃、pH6.0におけるABTSに対する速度定数を求めた。   In the mutant No. 3 purified in Example 4 and the mutants purified in Example 6 (mutant Q255R, mutant M308R), the substrate concentration was changed, and the Line Weber-Burk plot of the initial rate of the enzyme reaction Thus, rate constants (Km, Vmax, kcat) of the enzyme reaction were obtained. ABTS was used as a substrate, and the rate constant for ABTS at 25 ° C. and pH 6.0 was determined.

その結果、野生型MELACのABTSに対するKmは400μM、Vmaxは13 U/mg protein、kcatは691であった。また、変異体No.3に対するKmは400μM、Vmaxは52 U/mg protein、kcatは2853であった。変異体Q255Rに対するKmは400μM、Vmaxは17 U/mg protein、kcatは934であった。変異体M308Rに対するKmは400μM、Vmaxは61 U/mg protein、kcatは3384であった。これにより、M308Rの変異によりVmaxが4〜5倍程度向上することが判明した。   As a result, the Km for ABTS of wild-type MELAC was 400 μM, Vmax was 13 U / mg protein, and kcat was 691. Further, Km for mutant No. 3 was 400 μM, Vmax was 52 U / mg protein, and kcat was 2853. Km for mutant Q255R was 400 μM, Vmax was 17 U / mg protein, and kcat was 934. Km for the mutant M308R was 400 μM, Vmax was 61 U / mg protein, and kcat was 3384. As a result, it was found that the Vmax was improved about 4 to 5 times by the mutation of M308R.

〔実施例11〕変異体の活性確認5−電気化学測定による電極触媒活性の比較
野生型MELACの高活性化変異体であることが確認された変異体M308Rを電極触媒とした酵素固定化電極の触媒機能を電気化学測定により評価し、野生型MELACとの比較を行った。
[Example 11] Confirmation of activity of mutant 5-Comparison of electrocatalytic activity by electrochemical measurement of enzyme-immobilized electrode using mutant M308R confirmed to be a highly activating mutant of wild-type MELAC as an electrode catalyst The catalytic function was evaluated by electrochemical measurement and compared with wild-type MELAC.

変異体M308Rのバイオ電池の電極触媒としての利用を想定し、酵素固定化電極を作製し、野生型MELACとの比較によりその触媒機能を評価した。バイオ電池は、丸形カーボン電極((有)バイオデバイステクノロジー社製、型名DEP-EP-N)を利用して構築した。具体的な仕様は、3電極系:固定化用印刷電極、作用極の材質:カーボン、寸法:12.5×4mm×t0.3、作用極面積2.64mm2、サンプル量:20〜40μlである。固定化方法としては、光架橋性ポリマーを用いる方法で選択し酵素固定化電極を作製した。具体的には、電気化学検出のバイオセンサーの初期検討に最適な実験キットである酵素固定化キット(東洋合成工業製)を用いて、その製造業者の反応プロトコルに従い、酵素固定化用ポリマーBIOSURFINEにより固定化した。このとき、変異体M308R及び野生型MELACは50μg固定化した。続いて、ポテンショスタットを用いて酵素固定化電極の評価を行った。反応条件は、反応混合液を、50 mM リン酸Buffer pH6.0、1.0 mM CuSO4、4.0 mM ABTSに調製し、作用電極としての酵素固定化電極、対極(カーボン)および参照電極(銀塩化銀)を反応混合液に浸して、メディエーターABTS(酸化還元電位:0.5V)の還元反応に伴う電流応答を測定した。また、コントロールとして、何れのタンパク質も加えずに作製した電極についても同様に電流応答を測定した。 Assuming the use of mutant M308R as an electrocatalyst for biocells, an enzyme-immobilized electrode was prepared and its catalytic function was evaluated by comparison with wild-type MELAC. The biobattery was constructed using a round carbon electrode (model name DEP-EP-N, manufactured by Biodevice Technology Co., Ltd.). Specific specifications are: 3 electrode system: immobilization printing electrode, working electrode material: carbon, dimensions: 12.5 × 4 mm × t0.3, working electrode area 2.64 mm 2 , sample amount: 20-40 μl. The immobilization method was selected by a method using a photocrosslinkable polymer to prepare an enzyme-immobilized electrode. Specifically, using the enzyme immobilization kit (manufactured by Toyo Gosei Co., Ltd.), which is the optimal experimental kit for the initial investigation of electrochemical detection biosensors, according to the manufacturer's reaction protocol, Immobilized. At this time, 50 μg of the mutant M308R and wild type MELAC were immobilized. Subsequently, the enzyme-immobilized electrode was evaluated using a potentiostat. For the reaction conditions, the reaction mixture was prepared in 50 mM phosphate buffer pH 6.0, 1.0 mM CuSO 4 , 4.0 mM ABTS, enzyme-immobilized electrode as working electrode, counter electrode (carbon) and reference electrode (silver silver chloride) ) Was immersed in the reaction mixture, and the current response accompanying the reduction reaction of the mediator ABTS (redox potential: 0.5 V) was measured. As a control, the current response was measured in the same manner with respect to an electrode prepared without adding any protein.

そして、酵素固定化電極上では以下に示す電流応答が生じ、電流を発生する。
4ABTS + O2 + 4H+ → 4ATBS・- + 2H2O
ATBS・- + e- → ATBS
Then, the following current response occurs on the enzyme-immobilized electrode to generate a current.
4ABTS + O 2 + 4H + → 4ATBS ・-+ 2H 2 O
ATBS · - + e - → ATBS

以下に、ポテンショスタットのCA測定条件を示す。
・Init E (V) = 0 (開回路電位)、
・High E (V) = +0.1、Low E (V) = 0
・Init P/N = N、
・Step = 1、
・Pulse Width (sec) = 30、
・Sample Interval (s) = 0.01、
・Quiet Time (sec) = 2
The CA measurement conditions for the potentiostat are shown below.
Init E (V) = 0 (open circuit potential),
・ High E (V) = +0.1, Low E (V) = 0
Init P / N = N,
・ Step = 1,
・ Pulse Width (sec) = 30,
・ Sample Interval (s) = 0.01,
Quiet Time (sec) = 2

電流応答の測定結果を図11に示す。これらの結果から、変異体M308Rを電極触媒に用いることで、野生型MELACを用いた場合よりも、高い触媒電流値が得られることが確認された。したがって、変異体M308Rは、バイオ電池の電極触媒としても非常に有用であることが判明した。   The measurement result of the current response is shown in FIG. From these results, it was confirmed that by using the mutant M308R as an electrode catalyst, a higher catalyst current value can be obtained than when wild type MELAC is used. Therefore, it was found that the mutant M308R is very useful as an electrocatalyst for a bio battery.

〔実施例12〕酵素改変の検討
本実施例では、上記実施例で得られた野生型MELACの高活性化変異体に更なる酵素改変を加えるべく検討を行った。
[Example 12] Examination of enzyme modification In this example, studies were made to add further enzyme modification to the wild-type MELAC highly activating mutant obtained in the above Example.

改変の基礎として、上記実施例にて野生型MELACの高活性化変異体であることが確認された変異体M308Rを用いた。まず、変異体M308Rのアミノ酸構造中、触媒活性を低下させずに欠失可能な領域の選択を行った。具体的には、当該変異体とアミノ酸配列の相同性が最も高く(約32%の相同性)、かつX線構造解析により触媒活性に重要なアミノ酸が判明しているサーマス・サーモフィラス(Thermus thermophilus)HB27株由来の耐熱性ラッカーゼ(PDB ID:2XU9、アミノ酸相同性32%)とのアミノ酸配列比較を行った。   As a basis for modification, the mutant M308R confirmed to be a highly activating mutant of wild-type MELAC in the above example was used. First, in the amino acid structure of mutant M308R, a region capable of being deleted without reducing the catalytic activity was selected. Specifically, Thermus thermophilus has the highest amino acid sequence homology with the mutant (approximately 32% homology), and an amino acid important for catalytic activity has been found by X-ray structural analysis. The amino acid sequence was compared with the heat-resistant laccase derived from the HB27 strain (PDB ID: 2XU9, amino acid homology 32%).

アミノ酸配列比較の結果を図12に示す。図中、矢印は触媒活性に重要なアミノ酸の位置を示す。矢印で示した活性中心アミノ酸は大きく4領域に分かれており、それぞれ銅イオンを配位している。この4領域の近傍を欠失させると活性低下が生じる可能性がある。したがって、それらを外した領域として、N末端側アミノ酸の120個程度、または中央領域の180個程度は、欠失させてもその触媒活性に影響を与えないとして欠失検討の候補とできると考えた。ただし、中央領域については、欠失後の抜けた空間への構造最適化が困難なため、N末端側アミノ酸を検討対象とすることとした。そこで、変異体M308RのN末端側の約100アミノ酸程度は削除しても、その触媒活性を維持できると考え、以下の実験を行った。   The results of amino acid sequence comparison are shown in FIG. In the figure, the arrows indicate the positions of amino acids important for catalytic activity. The active center amino acid indicated by the arrow is roughly divided into four regions, each coordinating a copper ion. Deletion of the vicinity of these 4 regions may cause a decrease in activity. Therefore, it is considered that about 120 of the amino acids on the N-terminal side or about 180 of the central region can be considered as candidates for deletion studies because deletion does not affect the catalytic activity. It was. However, in the central region, since it is difficult to optimize the structure in the missing space after deletion, the N-terminal amino acid was considered. Therefore, the following experiment was conducted on the assumption that the catalytic activity could be maintained even if about 100 amino acids on the N-terminal side of mutant M308R were deleted.

そして、かかるN末端側のアミノ酸を欠失させることによる構造変化の予測結果を図13に示す。ここで構築した構造モデルの構築条件は、解析ソフトとしてDiscovery studio 3.0 Homology modelingを使用して、上記でアミノ酸配列比較を行ったサーマス・サーモフィラス由来の耐熱性ラッカーゼ(PDB ID:2XU9))を参照構造とし、銅結合アミノ酸の距離拘束条件を入れて、構造モデルを構築した。そして、かかる構造モデルにつき、同様にして構築した変異体M308Rの構造モデルと比較を行った。ここでは、変異体M308Rの構造モデルについて、図9Aにおいて明確に開示していなかったN末端側のアミノ酸配列に相当する部分の構造をも含めて推定を行った。   And the prediction result of the structural change by deleting this N terminal amino acid is shown in FIG. As for the construction conditions of the structural model constructed here, the thermostable laccase (PDB ID: 2XU9) derived from Thermus thermophilus, which was compared in the above using Discovery studio 3.0 Homology modeling as analysis software, is the reference structure And a structural model was constructed with distance constraints for copper-bonded amino acids. Then, this structural model was compared with the structural model of mutant M308R constructed in the same manner. Here, the structural model of mutant M308R was estimated including the structure of the portion corresponding to the amino acid sequence on the N-terminal side that was not clearly disclosed in FIG. 9A.

この比較結果から、変異体M308RのN末端には、長く安定せずに揺れ動く、所謂ふらふらした状態のアミノ酸ループ構造があり、変異体M308R-Del68はそのループ構造が削除された構造であると推定された。そして、かかるループ構造がTypeI銅を介する電極との直接電子移動を邪魔する可能性が示唆された。   From this comparison result, the N-terminus of mutant M308R has a so-called swaying amino acid loop structure that oscillates for a long time, and it is estimated that mutant M308R-Del68 has a structure in which the loop structure has been deleted. It was done. And it was suggested that such a loop structure may interfere with direct electron transfer with the electrode via Type I copper.

〔実施例13〕改変酵素の作製
本実施例では、上記実施例12の酵素改変の検討結果に基づいて、野生型MELACの高活性化変異体に更なる酵素改変を加えた変異体を作製した。
[Example 13] Production of modified enzyme In this example, based on the examination result of the enzyme modification of Example 12 above, a mutant obtained by adding a further enzyme modification to a highly activated mutant of wild-type MELAC was produced. .

改変酵素としては、変異体M308RのN末端からの連続する40アミノ酸が欠失した変異体(配列番号27、以下、「変異体M308R-Del41」と称する。開始コドンに対応するメチオニンが付加)、N末端側の連続する68アミノ酸が欠失した変異体(配列番号25、以下、「変異体M308R-Del68」と称する。開始コドンに対応するメチオニンが付加)、及びN末端側の連続する77アミノ酸が欠失した変異体(配列番号28、以下、「変異体M308R-Del77」と称する。開始コドンに対応するメチオニンが付加)を作製した。なお、変異体M308Rからの変異体68M308R-Del68の構築については図14A〜Dに示す。   As a modified enzyme, a mutant in which 40 consecutive amino acids from the N-terminus of mutant M308R have been deleted (SEQ ID NO: 27, hereinafter referred to as “mutant M308R-Del41”, methionine corresponding to the start codon is added), Mutant in which 68 amino acids on the N-terminal side are deleted (SEQ ID NO: 25, hereinafter referred to as “mutant M308R-Del68”, methionine corresponding to the start codon is added), and 77 amino acids on the N-terminal side (SEQ ID NO: 28, hereinafter referred to as “mutant M308R-Del77”. Added methionine corresponding to the start codon). The construction of mutant 68M308R-Del68 from mutant M308R is shown in FIGS.

ステップ1:発現プラスミドの構築
PCRによる遺伝子増幅法を用いて、上記改変酵素をコードするDNA断片を作製した。詳細には、変異体M308R遺伝子を挿入した発現ベクターを鋳型として、PCR増幅を行った。ここで使用したプライマーの配列情報は以下の通りである。
Step 1: Construction of expression plasmid
Using a gene amplification method by PCR, a DNA fragment encoding the modified enzyme was prepared. Specifically, PCR amplification was performed using an expression vector into which the mutant M308R gene was inserted as a template. The sequence information of the primers used here is as follows.

M308R-Del41作製用プライマー
プライマー14:5'-CATATGTATATCTCCTTCTTAAAGTTAAAC-3'(配列番号29)
プライマー15:5'-GAAGGAGATATACATATG-CACCACTCCCACGATGCCACGCCAGTGTCT-3'
(配列番号30)
M308R-Del68作製用プライマー
プライマー14:5'-CATATGTATATCTCCTTCTTAAAGTTAAAC-3'(配列番号29)
プライマー16: 5'-GAAGGAGATATACATATG-GGGCAGGATCTGGTTCAGCCCGAAATGAGG-3'
(配列番号31)
M308R-Del77作製用プライマー
プライマー14:5'-CATATGTATATCTCCTTCTTAAAGTTAAAC-3'(配列番号29)
プライマー17:
5'-GAAGGAGATATACATATG-AGGGAAAGCATCGATGGCGTGCTTGAAACC-3'
(配列番号32)
Primer for M308R-Del41 preparation Primer 14: 5'-CATATGTATATCTCCTTCTTAAAGTTAAAC-3 '(SEQ ID NO: 29)
Primer 15: 5'-GAAGGAGATATACATATG-CACCACTCCCACGATGCCACGCCAGTGTCT-3 '
(SEQ ID NO: 30)
Primer for M308R-Del68 preparation Primer 14: 5'-CATATGTATATCTCCTTCTTAAAGTTAAAC-3 '(SEQ ID NO: 29)
Primer 16: 5'-GAAGGAGATATACATATG-GGGCAGGATCTGGTTCAGCCCGAAATGAGG-3 '
(SEQ ID NO: 31)
Primer for M308R-Del77 preparation Primer 14: 5'-CATATGTATATCTCCTTCTTAAAGTTAAAC-3 '(SEQ ID NO: 29)
Primer 17:
5'-GAAGGAGATATACATATG-AGGGAAAGCATCGATGGCGTGCTTGAAACC-3 '
(SEQ ID NO: 32)

得られたPCR増幅DNA断片を、アガロース電気泳動で分離し、ゲルから切り出し精製を行った。得られたDNA断片には、末端に下線部で示す18bpの大腸菌発現用ベクターpET22b(NdeI-HindIII切断断片)の両端配列に相同は配列が含まれている。この配列を用いてpET22bのマルチクローニングサイト(NdeI-HindIII)にクローニングキット(In-fusion cloning kit)を用いて連結した。このとき、C末端Hisタグ融合タンパク質として上記改変酵素が発現するにように設計した。続いて、大腸菌JM109株に形質転換して、夫々の改変酵素をコードするタンパク質発現プラスミドを構築した。   The obtained PCR amplified DNA fragments were separated by agarose electrophoresis, cut out from the gel and purified. The obtained DNA fragment contains a sequence homologous to the both end sequences of the 18 bp E. coli expression vector pET22b (NdeI-HindIII cleavage fragment) indicated by the underlined portion at the end. Using this sequence, it was ligated to the multi-cloning site (NdeI-HindIII) of pET22b using a cloning kit (In-fusion cloning kit). At this time, the modified enzyme was designed to be expressed as a C-terminal His tag fusion protein. Subsequently, E. coli strain JM109 was transformed to construct protein expression plasmids encoding the respective modified enzymes.

ステップ2.大腸菌でのタンパク質の発現と精製
上記ステップ1で構築した発現プラスミドを、大腸菌BL21(DE3)pLysS株に形質転換した。この発現プラスミドを導入した大腸菌を37 ℃で培養し、イソプロピル1-チオ-β-D-ガラクトピラノシド(isopropyl thio-β-galactoside:IPTG) 添加して20 ℃で培養することで、上記タンパク質を誘導し発現させた。具体的には、大腸菌を吸光度OD600=0.2になるまで37 ℃で培養し、更に、0.2 mM IPTG、0.5 mM CuCl2を加えて20 ℃で20時間培養した。培養後、培養液を遠心分離することにより発現菌体を回収し、次の実験まで凍結させた。
Step 2. Protein expression and purification in E. coli The expression plasmid constructed in Step 1 above was transformed into E. coli BL21 (DE3) pLysS strain. Escherichia coli into which this expression plasmid has been introduced is cultured at 37 ° C, and isopropyl 1-thio-β-D-galactopyranoside (isopropyl thio-β-galactoside: IPTG) is added and cultured at 20 ° C. Was induced and expressed. Specifically, Escherichia coli was cultured at 37 ° C. until the absorbance OD 600 = 0.2, and further 0.2 mM IPTG and 0.5 mM CuCl 2 were added and cultured at 20 ° C. for 20 hours. After culturing, the cells were collected by centrifuging the culture solution and frozen until the next experiment.

そして、発現菌体を10 mM Tris-HCl, 1 mM EDTA、pH7.4に懸濁し、0.4 % 界面活性剤Brij58を加えて、氷中で30分間放置した。次に、菌体を超音波菌体破砕器にて超音波破砕した後42,000 ×gで30分間遠心して不溶物を遠心分離により除き上澄み液を分取し細胞破砕液を得た。   The expressed cells were suspended in 10 mM Tris-HCl, 1 mM EDTA, pH 7.4, 0.4% surfactant Brij58 was added, and the mixture was left on ice for 30 minutes. Next, the cells were sonicated with an ultrasonic cell crusher and then centrifuged at 42,000 × g for 30 minutes to remove insoluble matters by centrifugation, and the supernatant was separated to obtain a cell lysate.

得られた細胞破砕液に対して、ヒスチジンタグ融合タンパク質精製用金属アフィニティー担体(TALON:クロンテック社製)による精製を行った。具体的には、担体をオープンカラムに適当量充填し、20 mM リン酸ナトリウム、5 mMイミダゾール、0.5 M NaCl溶液で前洗浄後、上記で得られた細胞破砕液に最終濃度が0.5 MになるようにNaClを加え、これをカラムにアプライした。続いて、20 mM リン酸ナトリウム、10 mMイミダゾール、0.5 M NaCl溶液で洗浄後、20mM リン酸ナトリウム、 150 mMイミダゾール、0.5M NaCl溶液でタンパク質を溶出した。溶出後、溶出液に対して、25 mM トリス塩酸Buffer(pH7.4)、1 mM CuCl2を外液として透析を一晩行った。これにより、溶出に用いたイミダゾールやNaCl等の塩類の除去、並びにタンパク質(ラッカーゼ)に銅イオンを取り込ませホロ化させることができる。 The obtained cell lysate was purified with a metal affinity carrier (TALON: manufactured by Clontech) for purifying histidine tag fusion protein. Specifically, an appropriate amount of support is packed in an open column, pre-washed with 20 mM sodium phosphate, 5 mM imidazole, and 0.5 M NaCl solution, and the final concentration of the cell lysate obtained above is 0.5 M. NaCl was added and applied to the column. Subsequently, after washing with 20 mM sodium phosphate, 10 mM imidazole, 0.5 M NaCl solution, the protein was eluted with 20 mM sodium phosphate, 150 mM imidazole, 0.5 M NaCl solution. After elution, the eluate was dialyzed overnight using 25 mM Tris-HCl buffer (pH 7.4) and 1 mM CuCl 2 as external solutions. Thereby, removal of salts, such as imidazole and NaCl used for elution, and copper ion can be taken into a protein (laccase), and can be made into a holo.

同様にして、野生型MELAC及び変異体M308Rについても、タンパク質を発現させ精製を行った。   In the same manner, wild-type MELAC and mutant M308R were also expressed and purified.

次に、得られた精製タンパク質の確認を行った。具体的には、透析後の精製タンパク質を適量採取し、タンパク質可溶化剤を加えて95℃で加熱処理した。続いて、12.5%のアクリルアミドゲル電気泳動に供し、電気泳動後にCBB染色法(和光純薬社製)にて、タンパク質を可視化した。   Next, the obtained purified protein was confirmed. Specifically, an appropriate amount of the purified protein after dialysis was collected, a protein solubilizing agent was added, and the mixture was heated at 95 ° C. Subsequently, it was subjected to 12.5% acrylamide gel electrophoresis, and after electrophoresis, the protein was visualized by CBB staining (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.).

結果を図15に示す。図中、レーン1は野生型MELAC、レーン2は変異体M308R、レーン3は変異体M308R-Del41、レーン4は変異体M308R-Del68、レーン5は変異体M308R-Del77の結果を示す。なお、レーンMは分子量マーカーである。この結果より、いずれのタンパク質も大腸菌により発現誘導することができ、そして、凝集等によるタンパク質の変性が生じていないことが確認できた。   The results are shown in FIG. In the figure, lane 1 shows the result of wild-type MELAC, lane 2 shows the result of mutant M308R, lane 3 shows the result of mutant M308R-Del41, lane 4 shows the result of mutant M308R-Del68, and lane 5 shows the result of mutant M308R-Del77. Lane M is a molecular weight marker. From this result, it was confirmed that any protein could be induced to induce expression in E. coli, and no protein denaturation due to aggregation or the like occurred.

なお、ここでは詳細な説明を省略するが、MELACのN末端から110アミノ酸の欠失では、タンパク質を発現させることができなかった。   In addition, although detailed description is abbreviate | omitted here, protein was not able to be expressed by deletion of 110 amino acids from the N terminal of MELAC.

〔実施例14〕変異体の活性確認6−ラッカーゼ活性の測定
本実施例では、実施例13で得られた3つのN末端側切断型変異体のラッカーゼ活性を測定した。
[Example 14] Confirmation of activity of mutant 6-Measurement of laccase activity In this example, the laccase activity of the three N-terminal truncated mutants obtained in Example 13 was measured.

上記実施例13で得られた3つの変異体である変異体M308R-Del41、変異体M308R-Del68、変異体M308R-Del77のラッカーゼ活性を測定した。活性測定は、1×マックバイン緩衝液(McIlvain buffer、pH 5.0)、3.0 mM ABTS、0.5 mM CuSO4を含む測定液200μlに、上記で得られた変異体タンパク質50 ngを加え、ABTSの酸化反応に伴う1分間当たりの波長419nmでの吸光度の変化量を測定した。 The laccase activity of the three mutants M308R-Del41, mutant M308R-Del68, and mutant M308R-Del77 obtained in Example 13 was measured. For the activity measurement, add 50 ng of the mutant protein obtained above to 200 μl of the measurement solution containing 1 × McVine buffer (McIlvain buffer, pH 5.0), 3.0 mM ABTS, 0.5 mM CuSO 4, and oxidize the ABTS. The amount of change in absorbance at a wavelength of 419 nm per minute was measured.

同様にして、野生型MELAC及び変異体M308Rについても、活性測定を行った。   Similarly, the activity of wild-type MELAC and mutant M308R was also measured.

結果を図16に示す。図中、縦軸はABTSの酸化反応に伴う単位時間当たりの419nmでの吸光度変化量(A419nm/分)によりラッカーゼ活性を表すものであり、変異体M308Rを100%としたときの各変異体の相対ラッカーゼ活性(%)を示す。この結果より、変異体M308R-Del41及び変異体M308R-Del68は、変異体MELACM308Rと同等、若しくはそれ以上の活性を示したが、変異体M308R-Del77の活性は著しく低下することが判明した。野生型MELACとの比較によっては、4〜5倍程度のラッカーゼ活性の向上が認められた。 The results are shown in FIG. In the figure, the vertical axis indicates the laccase activity by the amount of change in absorbance at 419 nm per unit time (A 419 nm / min) associated with the oxidation reaction of ABTS, and each mutant when mutant M308R is 100%. Relative laccase activity (%). From these results, it was found that the mutant M308R-Del41 and the mutant M308R-Del68 showed the same or higher activity as the mutant MELACM308R, but the activity of the mutant M308R-Del77 was remarkably reduced. By comparison with wild-type MELAC, an improvement in laccase activity of about 4 to 5 times was observed.

したがって、MELACの高活性化変異体M308Rは、N末端側の連続する68アミノ酸までは、当該高活性化変異体の触媒活性を低下させることなく欠失できることが確認できた。そこで、変異体M308R-Del68を選択して以下の実験を行った。   Therefore, it was confirmed that the MLAAC high activation mutant M308R can be deleted up to 68 consecutive amino acids on the N-terminal side without reducing the catalytic activity of the high activation mutant. Therefore, mutant M308R-Del68 was selected and the following experiment was performed.

〔実施例15〕変異体の活性確認7−電気化学的測定による電極触媒活性の比較−1
上記実施例14により高活性化変異体であると確認された、変異体M308R-Del68を電極触媒として酵素固定化電極の触媒機能を電気化学的測定により評価した。
Example 15 Confirmation of Mutant Activity 7-Comparison of Electrocatalytic Activity by Electrochemical Measurement-1
The catalytic function of the enzyme-immobilized electrode was evaluated by electrochemical measurement using the mutant M308R-Del68, which was confirmed to be a highly activated mutant according to Example 14 above, as an electrode catalyst.

ステップ1:変異体M308R-Del68のカーボン電極基材への固定化
変異体M308R-Del68を、多孔性のカーボン電極基材に吸着させた。ここで、用いたカーボン電極基材は、カーボンペーパー(以下、「CP」と称する)にカーボンゲル(以下、「CG」と称する)を塗布した多孔性の電極基材である。
Step 1: Immobilization of mutant M308R-Del68 on carbon electrode substrate Mutant M308R-Del68 was adsorbed on a porous carbon electrode substrate. Here, the carbon electrode substrate used is a porous electrode substrate obtained by applying carbon gel (hereinafter referred to as “CG”) to carbon paper (hereinafter referred to as “CP”).

カーボンゲルは、以下の通り調製することができる。
レゾルシノール(和光純薬)22 gおよび炭酸ナトリウム0.106 gをミリQ(Milli-Q)水66 mlに溶解した後、37 %ホルムアルデヒド溶液32.4 mlを加えて撹拌した。この混合液から、未希釈、水で50 %希釈、40 %、33.3 %希釈したものを調製した。これは、希釈率によるカーボンゲル細孔の孔径を調整するためである。夫々の溶液を、順次25 ℃で24時間、50 ℃で24時間、90 ℃で72時間静置して反応させて水和溶液(有機ゲル)を得た。次にアセトン中に有機ゲルを浸漬してゲル中の水分をアセトン置換した。この操作を数回繰り返した。アセトン置換後の有機ゲル8gを超臨界乾燥機を使い、18 ℃で1時間 L-CO2洗浄、35 ℃で1時間SC-CO2洗浄し、乾燥有機ゲルを得た。続いて、乾燥有機ゲルをセラミクス電気管状炉で、窒素気流下(流量500 ml/分)で、 順次250℃で1時間、500 ℃で1時間、1,000 ℃で1時間加熱し炭化させることにより、カーボンゲルを作製した。なお、カーボンゲルは40〜50 μmの粒径を有していた。
The carbon gel can be prepared as follows.
After 22 g of resorcinol (Wako Pure Chemical Industries) and 0.106 g of sodium carbonate were dissolved in 66 ml of Milli-Q water, 32.4 ml of 37% formaldehyde solution was added and stirred. From this mixture, undiluted, 50% diluted with water, 40%, 33.3% diluted were prepared. This is for adjusting the pore diameter of the carbon gel pores depending on the dilution rate. Each solution was allowed to react by standing at 25 ° C. for 24 hours, 50 ° C. for 24 hours, and 90 ° C. for 72 hours to obtain a hydrated solution (organic gel). Next, the organic gel was immersed in acetone to replace the water in the gel with acetone. This operation was repeated several times. 8 g of organic gel after acetone substitution was washed with L-CO 2 for 1 hour at 18 ° C. and SC-CO 2 for 1 hour at 35 ° C. using a supercritical dryer to obtain a dried organic gel. Subsequently, the dried organic gel is carbonized in a ceramics electric tube furnace under a nitrogen stream (flow rate 500 ml / min) and sequentially heated at 250 ° C for 1 hour, 500 ° C for 1 hour, and 1,000 ° C for 1 hour. A carbon gel was prepared. The carbon gel had a particle size of 40-50 μm.

そして、カーボンゲル電極基材は以下の通り調製することができる。
上記で得られたカーボンゲル50 mgと、10 % PVDF(ポリフッ化ビニリデン:polyvinylidene difluoride、平均分子量534 k、溶媒はN-メチルピロリドン(N-methylpyrrolidone))0.45 mlをメノウ乳鉢中で混合しペースト状にした。さらに、N-メチルピロリドン 1.2 ml加え、スラリー状になるまで混合した。続いて、これをカーボンペーパーの両面に塗布し、60 ℃で4時間乾燥させることで、カーボンゲル電極基材を調製した。
And a carbon gel electrode base material can be prepared as follows.
Paste 50 mg of the carbon gel obtained above and 0.45 ml of 10% PVDF (polyvinylidene difluoride, average molecular weight 534 k, solvent N-methylpyrrolidone) in an agate mortar. I made it. Further, 1.2 ml of N-methylpyrrolidone was added and mixed until a slurry was obtained. Then, this was apply | coated on both surfaces of carbon paper, and the carbon gel electrode base material was prepared by making it dry at 60 degreeC for 4 hours.

そして、上記で調製したカーボン電極基材に変異体M308R-Del68を吸着固定させ、酵素固定化電極を作製した。具体的には、乾燥させたカーボンゲル電極基材(5mm×5mm)をエタノールに軽く浸した後、ミリQ水で洗浄した。続いて、1mg/mlの変異体M308R-Del68溶液(25 mM Tris-HCl、0.1 mM CuSO4 pH 7.0)に浸漬し、4 ℃で一晩静置することで固定した。 Then, the mutant M308R-Del68 was adsorbed and immobilized on the carbon electrode base material prepared above to produce an enzyme-immobilized electrode. Specifically, the dried carbon gel electrode substrate (5 mm × 5 mm) was dipped lightly in ethanol and then washed with milli-Q water. Then, it was fixed by being immersed in a 1 mg / ml mutant M308R-Del68 solution (25 mM Tris-HCl, 0.1 mM CuSO 4 pH 7.0) and allowed to stand at 4 ° C. overnight.

同様にして、変異体M308Rを吸着固定した酵素固定化電極も作製した。   Similarly, an enzyme-immobilized electrode to which the mutant M308R was adsorbed and immobilized was also produced.

ステップ2:電気化学的測定法による電極触媒活性の測定
ステップ1で作製した酵素固定化電極の触媒電流をサイクリックボルタメトリー(以下、「CV」と称する)測定した。
Step 2: Measurement of Electrocatalytic Activity by Electrochemical Measurement Method The catalytic current of the enzyme-immobilized electrode prepared in Step 1 was measured by cyclic voltammetry (hereinafter referred to as “CV”).

CV測定条件は以下の通りである。
電気化学測定装置(BAS600C)を使用し、参照電極として銀・塩化銀電極(3 M NaCl)、対極として白金ワイヤー(φ0.5 mm)、作用電極は上記酵素固定化電極を白金ワイヤーで挟んで測定を行った。測定液としてマックバイン緩衝液(pH 5.0)を用い、測定は酸素雰囲気下及び窒素雰囲気下で行った。
CV measurement conditions are as follows.
Using an electrochemical measurement device (BAS600C), a silver / silver chloride electrode (3 M NaCl) as the reference electrode, platinum wire (φ0.5 mm) as the counter electrode, and the working electrode sandwiching the enzyme-immobilized electrode with platinum wire Measurements were made. Macvine buffer (pH 5.0) was used as the measurement solution, and the measurement was performed in an oxygen atmosphere and a nitrogen atmosphere.

測定パラメーターは以下の通りである。
モード:サイクリック・ボルタンメトリー
初期電位:0.7 V
高電位:0.7 V
低電位:0 V
電位走査速度:0.02 V/sec
The measurement parameters are as follows.
Mode: Cyclic voltammetry Initial potential: 0.7 V
High potential: 0.7 V
Low potential: 0 V
Potential scanning speed: 0.02 V / sec

結果を図17に示す。図中、横軸は電圧(V)を、縦軸は電流(mA)を示す。なお、ラッカーゼ活性による触媒電流は、溶存酸素の還元反応に伴うカーボン電極基材から酵素への直接電子伝達によるものであり、マイナス電流値として検出される。図中の波形を示した酵素固定化電極及び測定条件を下記表2に示す。   The results are shown in FIG. In the figure, the horizontal axis represents voltage (V) and the vertical axis represents current (mA). The catalytic current due to laccase activity is due to direct electron transfer from the carbon electrode substrate to the enzyme accompanying the reduction reaction of dissolved oxygen, and is detected as a negative current value. The enzyme-immobilized electrode showing the waveform in the figure and the measurement conditions are shown in Table 2 below.

この結果より、変異体M308R-Del68を、カーボンゲルを塗布した多孔性カーボン電極に吸着固定して酸素雰囲気下で測定した結果を示す波形4において、0.5 V付近に酸素還元電流の発生が確認できた。そして、0.4V付近からの酸素供給律速を示す跳ね上がりの波形が認められる。つまり、0.4V付近で観察される触媒電流応答の低下は電極への酸素供給律速よって生じるものである。これらの知見は、MELAC-Del68が電極との直接電子伝達が可能であることを示すものである。一方、変異体M308Rを、カーボンゲルを塗布した多孔性カーボン電極に吸着固定して酸素雰囲気下で測定した結果を示す波形3では、波形4のような酸素還元電流発生が確認できなかった。これは、変異体M308R固定化電極は、変異体M308R-Del68固定化電極よりも触媒電流応答が小さいことを意味する。この要因として、カーボンゲルへの吸着効率、若しくは電極と変異体との直接電子伝達効率が低いことが推定できる。   From this result, the generation of oxygen reduction current can be confirmed in the vicinity of 0.5 V in the waveform 4 showing the result of measurement of the mutant M308R-Del68 adsorbed and immobilized on a porous carbon electrode coated with carbon gel in an oxygen atmosphere. It was. A jumping waveform indicating oxygen supply rate control from around 0.4 V is observed. That is, the decrease in the catalyst current response observed near 0.4 V is caused by the rate of oxygen supply to the electrode. These findings indicate that MELAC-Del68 is capable of direct electron transfer with the electrode. On the other hand, in the waveform 3 showing the result of measuring the mutant M308R by adsorbing and fixing to the porous carbon electrode coated with carbon gel in an oxygen atmosphere, the generation of oxygen reduction current as in the waveform 4 could not be confirmed. This means that the mutant M308R immobilized electrode has a smaller catalytic current response than the mutant M308R-Del68 immobilized electrode. As this factor, it can be estimated that the adsorption efficiency to the carbon gel or the direct electron transfer efficiency between the electrode and the mutant is low.

詳細には、変異体M308R-Del68固定化電極の結果を示す波形4において、ベースラインとなる0.52V付近の電流値は-0.64mAであり、0.42V付近では-1.73mAであることから、約-1.1mAの電流値が得られた。それに対して、変異体M308R固定化電極の結果を示す波形3において、ベースラインとなる0.52V付近の電流値は-0.73mAであり、0.42V付近では-0.93mAであることから電流値は約-0.2mAであった。つまり、変異体M308R-Del68固定化電極は、変異体M308R固定化電極の約4〜5倍以上の触媒電流応答が得られることが判明した。   Specifically, in the waveform 4 showing the result of the mutant M308R-Del68 immobilized electrode, the current value around 0.52 V serving as the baseline is -0.64 mA, and around 1.72 mA around 0.42 V. A current value of -1.1 mA was obtained. In contrast, in waveform 3 showing the result of the mutant M308R-immobilized electrode, the current value near 0.52 V, which is the baseline, is -0.73 mA, and it is -0.93 mA near 0.42 V, so the current value is about -0.2 mA. That is, it was found that the mutant M308R-Del68 immobilized electrode can obtain a catalytic current response that is about 4 to 5 times or more that of the mutant M308R immobilized electrode.

以上の結果から、変異体M308R-Del68は、カーボン電極基材に固定したときに、電極との直接電子伝達効率が大幅に向上することが判明した。つまり、本発明のN末端側切断型の高活性化変異体は直接電子伝達機能に優れていることが理解できる。   From the above results, it was found that the mutant M308R-Del68 significantly improved the efficiency of direct electron transfer with the electrode when fixed to the carbon electrode substrate. That is, it can be understood that the N-terminal truncated high activation mutant of the present invention has an excellent direct electron transfer function.

〔実施例16〕変異体の活性確認8−既存の酵素との電極触媒活性の比較1
上記実施例15により、変異体M308R-Del68は多孔性カーボン電極に固定したときに、電極との直接電子伝達効率が大幅に向上することが判明したが、本実施例は、既存の酵素との比較で評価した。
Example 16 Confirmation of Mutant Activity 8-Comparison of Electrocatalytic Activity with Existing Enzymes 1
According to Example 15 above, it was found that when the mutant M308R-Del68 was immobilized on a porous carbon electrode, the efficiency of direct electron transfer with the electrode was greatly improved. Evaluated by comparison.

ここで比較の対象としたのは、枯草菌由来のラッカーゼ(以下、「CotA」と称する)であり、MELACと同様にマルチ銅酸化酵素である。変異体M308R-Del68及びCotAを、カーボンゲルを塗布することにより調製した多孔性カーボン電極に吸着固定し、酸素雰囲気下で実施例15と同様にして電極触媒活性を測定した。   The target of comparison here is laccase derived from Bacillus subtilis (hereinafter referred to as “CotA”), which is a multi-copper oxidase as in MELAC. Mutants M308R-Del68 and CotA were adsorbed and immobilized on a porous carbon electrode prepared by applying a carbon gel, and electrocatalytic activity was measured in the same manner as in Example 15 in an oxygen atmosphere.

結果を図18に示す。図中、横軸は電圧(V)を、縦軸は電流(mA)を示す。この結果から、CotAは耐熱性を示すことが知られているが、電極との直接電子伝達が変異体M308R-Del68と比較して顕著に低いことが判明した。したがって、本発明のN末端側切断型の高活性化変異体は、既存の酵素に比べて直接電子伝達機能に優れていることが理解できる。   The results are shown in FIG. In the figure, the horizontal axis represents voltage (V) and the vertical axis represents current (mA). From this result, CotA is known to exhibit heat resistance, but direct electron transfer with the electrode was found to be significantly lower than that of mutant M308R-Del68. Therefore, it can be understood that the N-terminal truncated high activation mutant of the present invention is superior in direct electron transfer function as compared with the existing enzyme.

〔実施例17〕カーボンゲル細孔径の最適化
実施例15、及び16において、多孔質カーボンであるカーボンゲルを利用した電極で、変異体M308R-Del168の電極触媒活性を測定した。ここでは、かかるカーボンゲルの細孔径が電極触媒活性に与える影響を検討し、細孔径の最適化を図った。
[Example 17] Optimization of pore size of carbon gel In Examples 15 and 16, the electrocatalytic activity of the mutant M308R-Del168 was measured with an electrode using carbon gel, which is porous carbon. Here, the influence of the pore size of the carbon gel on the electrocatalytic activity was examined, and the pore size was optimized.

カーボンペーパーに上記実施例15で調製した各種細孔の直径(11.1、22.0、22.2、35.3、54.3 nm)のカーボンゲルを塗布したカーボン電極基材を用いて検討を行った。具体的には、カーボンペーパーにカーボンゲルを塗布して調製したカーボン電極基材に、1.0 mg/mlの変異体M308R-Del68溶液(25 mM Tris-HCl、0.5 mM CuSO4 pH 7.0)に浸し4 ℃で一晩静置した。そして、投入量からカーボン基材を取り出した後の残存量を差し引いた変異体M308R-Del68量を固定化量として見積もった。コントロールとして、カーボンゲルを塗布せずに変異体M308R-Del68を固定化した場合についても同様に検討した。 Investigation was performed using a carbon electrode base material in which carbon gels having various pore diameters (11.1, 22.0, 22.2, 35.3, 54.3 nm) prepared in Example 15 were applied to carbon paper. Specifically, a carbon electrode substrate prepared by applying carbon gel to carbon paper was immersed in 1.0 mg / ml mutant M308R-Del68 solution (25 mM Tris-HCl, 0.5 mM CuSO 4 pH 7.0) 4 Allowed to stand overnight at ° C. Then, the amount of mutant M308R-Del68 obtained by subtracting the residual amount after removing the carbon base material from the input amount was estimated as the immobilization amount. As a control, the case where the mutant M308R-Del68 was immobilized without applying the carbon gel was similarly examined.

結果を図19に示す。図中、横軸はカーボンゲルの細孔の直径(nm)を、横軸は変異体M308R-Del68吸着量(A280nm)である。この結果から、カーボンゲルを塗布しないコントロールと比較して、カーボンゲルを塗布することにより変異体M308R-Del68の固定化量が増大することが確認できた。そして、細孔径の拡大に伴って固定化量が大きくなることがわかった。計算上は表面積が同じになるようにカーボンゲルを塗布しているが、細孔径が大きい方がカーボンゲルによって作られる三次元細孔の奥まで変異体M308R-Del68が入り込んでいるためであると考えられる。 The results are shown in FIG. In the figure, the horizontal axis represents the pore diameter (nm) of the carbon gel, and the horizontal axis represents the amount of mutant M308R-Del68 adsorbed (A 280 nm ). From this result, it was confirmed that the amount of immobilization of the mutant M308R-Del68 was increased by applying the carbon gel as compared with the control in which the carbon gel was not applied. And it became clear that the amount of immobilization increased with the expansion of the pore diameter. In calculation, carbon gel is applied so that the surface area is the same, but the larger pore diameter is because the mutant M308R-Del68 has entered to the back of the three-dimensional pores made by the carbon gel. Conceivable.

次に、作用電極として、各種細孔径のカーボン電極基材に変異体M308R-Del68を固定した酵素固定化電極を用いて、実施例15のステップ2の手順に基づいて触媒電流をCV測定した。   Next, using an enzyme-immobilized electrode in which the mutant M308R-Del68 was immobilized on a carbon electrode base material having various pore sizes as the working electrode, the catalyst current was measured by CV based on the procedure of Step 2 of Example 15.

なお、測定パラメーターは以下の通りである。
モード:サイクリック・ボルタンメトリー
初期電位:0.7 V
開始前静止時間:10秒
高電位:0.7 V
低電位:0 V
電位走査速度:50mV/秒
The measurement parameters are as follows.
Mode: Cyclic voltammetry Initial potential: 0.7 V
Rest time before start: 10 seconds High potential: 0.7 V
Low potential: 0 V
Potential scanning speed: 50mV / sec

結果を図20に示す。図中、横軸はカーボンゲルの細孔の直径(nm)である。縦軸は、細孔の直径22.2nmの酵素固定化電極の相対電流を100%とし、各細孔径の酵素固定化電極の相対電流(%)であり、電流応答の0.5-0.4Vの差分値をグラフ化したものである。この結果から、カーボンゲルの細孔の直径が22.2 nmのときに触媒電流が大きくなり、それより大きな細孔径では変異体M308R-Del68の固定化量に反して触媒電流が小さくなることが確認できた。この要因として、変異体M308R-Del68は細孔に入るものの、変異体M308R-Del68と電極との間に余分な空間でき、直接電子伝達効率が低下したことが考えられる。   The results are shown in FIG. In the figure, the horizontal axis represents the diameter (nm) of the pores of the carbon gel. The vertical axis represents the relative current (%) of the enzyme-immobilized electrode with each pore diameter, assuming the relative current of the enzyme-immobilized electrode with a pore diameter of 22.2 nm as 100%, and the difference value of 0.5-0.4V of the current response. Is a graph. From this result, it can be confirmed that the catalyst current increases when the pore diameter of the carbon gel is 22.2 nm, and that the catalyst current decreases when the pore diameter is larger than that of the mutant M308R-Del68. It was. As a cause of this, although the mutant M308R-Del68 enters the pores, an extra space is formed between the mutant M308R-Del68 and the electrode, and the direct electron transfer efficiency is considered to be reduced.

したがって、カーボンゲルの細孔径は固定化する酵素サイズに合った最適値があることが理解できる。つまり、カーボンゲルの細孔径が酵素より小さい場合に酵素は細孔内に入ることができず、その触媒活性を発揮することができない。一方、細孔径が酵素より大きい場合には酵素は細孔内に入ることができ、電極と酵素の間で高効率な電子伝達反応ができ酵素のその触媒活性を発揮できるようになる。しかしながら、細孔径が大きすぎると、酵素と電極との間に余分な空間でき、直接電子伝達効率が低下する。このことから、変異体M308R-Del68をカーボンゲルに固定化した電極を構築する場合には、カーボンゲルの細孔の直径を20〜40nm、好ましくは20〜35nm、特には22〜22.2nm、特に好ましくは22.2nmとすることが好ましい。そして、細孔径11.1nm以下では、変異体M308R-Del68は細孔内に入りにくく、変異体M308R-Del68固定のためのカーボンゲルとしては好ましくないことが判明した。   Therefore, it can be understood that the pore size of the carbon gel has an optimum value that matches the size of the enzyme to be immobilized. That is, when the pore size of the carbon gel is smaller than the enzyme, the enzyme cannot enter the pores and cannot exhibit its catalytic activity. On the other hand, when the pore diameter is larger than that of the enzyme, the enzyme can enter the pore, so that a highly efficient electron transfer reaction can be performed between the electrode and the enzyme, and the catalytic activity of the enzyme can be exhibited. However, if the pore diameter is too large, an extra space is formed between the enzyme and the electrode, and the direct electron transfer efficiency decreases. From this, when constructing an electrode in which the mutant M308R-Del68 is immobilized on a carbon gel, the pore diameter of the carbon gel is 20 to 40 nm, preferably 20 to 35 nm, especially 22 to 22.2 nm, especially Preferably it is 22.2 nm. When the pore diameter was 11.1 nm or less, it was found that the mutant M308R-Del68 hardly enters the pores and is not preferable as a carbon gel for fixing the mutant M308R-Del68.

〔実施例18〕変異体の活性確認9−既存の酵素との電極触媒活性の比較2
上記実施例15により、高い電極触媒機能を有することが判明した変異体M308R-Del68の電極触媒機能を、既存の酵素との比較により電気化学的測定により評価した。
[Example 18] Activity confirmation of mutant 9- Comparison 2 of electrocatalytic activity with existing enzyme 2
According to Example 15, the electrocatalytic function of the mutant M308R-Del68, which was found to have a high electrocatalytic function, was evaluated by electrochemical measurement in comparison with existing enzymes.

ここで、比較の対象としたのは、従来において、最高の触媒電流を発揮することが知られているクワ暗斑病菌(Myrothecius verruvcaria)由来のビリルビンオキシダーゼ(以下、「Amano-BOD」と称する)であり、MELACと同様にマルチ銅酸化酵素である。   Here, the target of comparison was bilirubin oxidase (hereinafter referred to as “Amano-BOD”) derived from Myrothecius verruvcaria, which is conventionally known to exhibit the highest catalytic current. Like MELAC, it is a multi-copper oxidase.

変異体M308R-Del68とAmano-BODを、夫々同量入れた測定液に、細孔径22.2 nmのカーボンゲルを塗布したグラッシーカーボン電極基材を浸すことで吸着固定し酵素固定化電極を作製した。そして、実施例17と同様の電気化学測定条件でCV測定を行った。   An enzyme-immobilized electrode was prepared by adsorbing and immobilizing a glassy carbon electrode substrate coated with carbon gel having a pore diameter of 22.2 nm in a measurement solution containing the same amounts of the mutant M308R-Del68 and Amano-BOD. CV measurement was performed under the same electrochemical measurement conditions as in Example 17.

結果を図21に示す。図中、横軸は電圧(V)を、横軸は電流(mA)を示し、波形1はAmano-BODの結果を、波形2は変異体M308R-Del68の結果を示す。この結果から、変異体M308R-Del68はAmano-BODと比較して、約3〜4倍の触媒電流応答が得られることが確認できた。詳細には、0.35 V付近の酸素還元電流値の比較により3〜4倍の触媒電流応答が得られることが理解できる。また変異体M308R-Del68の結果では、電圧0.2Vより負からシグナルのオシレーション現象が認められることから、酸素還元反応への酸素の供給不足によるものと推定でき、より高濃度の酸素供給によって、更に高い触媒電流が得られる可能性が示唆された。   The results are shown in FIG. In the figure, the horizontal axis shows voltage (V), the horizontal axis shows current (mA), waveform 1 shows the result of Amano-BOD, and waveform 2 shows the result of mutant M308R-Del68. From this result, it was confirmed that the mutant M308R-Del68 can obtain a catalytic current response of about 3 to 4 times that of Amano-BOD. Specifically, it can be understood that a catalyst current response of 3 to 4 times can be obtained by comparing the oxygen reduction current value around 0.35 V. In addition, in the result of mutant M308R-Del68, since the signal oscillation phenomenon is observed from a negative voltage from 0.2 V, it can be assumed that this is due to insufficient supply of oxygen to the oxygen reduction reaction. It was suggested that a higher catalyst current could be obtained.

〔実施例19〕変異体の活性確認9−既存の酵素との耐久性の比較
上記実施例15により、高い電極触媒活性を有することが判明した変異体M308R-Del68の耐久性を、既存の酵素との比較により評価した。
[Example 19] Confirmation of activity of mutant 9-Comparison of durability with existing enzyme The durability of mutant M308R-Del68, which was found to have high electrocatalytic activity according to Example 15 above, was compared with that of the existing enzyme. It evaluated by comparison with.

ここで、比較の対象としたのは、実施例18と同様、Amano-BODである。   Here, as in Example 18, Amano-BOD was used for comparison.

バイオ電池において汎用される緩衝液であるリン酸緩衝液(pH7.0)、イミダゾール緩衝液(pH7.0)中での耐久性について、変異体M308R-Del68とAmano-BODとを比較した。具体的には、200mM リン酸緩衝液(pH7.0)と200mM イミダゾール緩衝液(pH7.0)に、1.0mg/ml 変異体 M308R-Del68を加えて、室温で0、2、3、7、8、9、10、及び15日間放置した後に残存するラッカーゼ活性を測定した。ラッカーゼ活性の測定は実施例14の手順に準じて行った。   Mutant M308R-Del68 and Amano-BOD were compared for durability in phosphate buffer (pH 7.0) and imidazole buffer (pH 7.0), which are buffers widely used in bio batteries. Specifically, 1.0 mg / ml mutant M308R-Del68 was added to 200 mM phosphate buffer (pH 7.0) and 200 mM imidazole buffer (pH 7.0), and 0, 2, 3, 7, The laccase activity remaining after standing for 8, 9, 10, and 15 days was measured. The laccase activity was measured according to the procedure of Example 14.

結果を図22に示す。図22Aは変異体 M308R-Del68の結果を示し、図22BはAmano-BODの結果を示し、夫々横軸は放置日数(日)を、縦軸は0日後のラッカーゼ活性を100%とした場合の各放置日数後のラッカーゼ活性の相対活性(%)を示す。これらの結果から、変異体M308R-Del68はAmano-BODと比較して、バイオ電池の緩衝液中でも耐久性を有していることが確認できた。一方、Amano-BODでは、リン酸緩衝液では8日、イミダゾール緩衝液では2日程度で酵素活性が80%まで低下することが確認できた。   The results are shown in FIG. FIG. 22A shows the results of mutant M308R-Del68, FIG. 22B shows the results of Amano-BOD, and the horizontal axis indicates the number of days left (days), and the vertical axis indicates the laccase activity after 0 days as 100%. The relative activity (%) of laccase activity after each standing period is shown. From these results, it was confirmed that the mutant M308R-Del68 has durability even in the buffer solution of the bio battery, compared with Amano-BOD. On the other hand, with Amano-BOD, it was confirmed that the enzyme activity decreased to 80% in about 8 days for the phosphate buffer and about 2 days for the imidazole buffer.

本実施例では、変異体M308R-Del68の耐久性を電気化学特性の指標での評価は行っていない。しかしながら、電極に固定し酵素固定化電極とした場合に、酵素単体の活性低下は酵素固定化電極の性能低下に大きく影響するものあることから、変異体M308R-Del68を電極触媒として使用することで、既存の電極よりも高い活性及び耐久性を有する高性能な電極を構築することができることが理解できる。   In this example, the durability of the mutant M308R-Del68 was not evaluated with an index of electrochemical characteristics. However, when the enzyme-immobilized electrode is fixed to the electrode, the decrease in the activity of the enzyme alone greatly affects the performance of the enzyme-immobilized electrode, so the mutant M308R-Del68 can be used as an electrode catalyst. It can be understood that a high-performance electrode having higher activity and durability than existing electrodes can be constructed.

本発明は、新規なラッカーゼ活性を有するタンパク質及び、それをコードする核酸分子、並びにその利用に関し、ラッカーゼ活性の利用が要求される全ての分野で利用可能であり、特に、医療、食品、環境分野、電気化学分野等、種々の産業分野において利用可能である。   The present invention relates to a protein having a novel laccase activity, a nucleic acid molecule encoding the same, and use thereof, and can be used in all fields where utilization of laccase activity is required, particularly in the medical, food and environmental fields. It can be used in various industrial fields such as the electrochemical field.

Claims (15)

以下からなる群より選択されるタンパク質。
(a)配列番号2のアミノ酸配列の第308番目のメチオニンが他のアミノ酸に置換されたアミノ酸配列を含むタンパク質
(b)配列番号2のアミノ酸配列において1若しくは数個のアミノ酸が欠失、置換若しくは付加されており、そして配列番号2のアミノ酸配列の308番目に相当する位置のアミノ酸残基がメチオニン以外であるアミノ酸配列を含み、配列番号2のアミノ酸配列からなるタンパク質と比較して向上したラッカーゼ活性を有するタンパク質
A protein selected from the group consisting of:
(A) a protein comprising an amino acid sequence in which the 308th methionine of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 is substituted with another amino acid (b) one or several amino acids are deleted, substituted or substituted in the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 And an improved laccase activity as compared to a protein comprising the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 comprising an amino acid sequence other than methionine at the position corresponding to position 308 of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 Protein with
前記他のアミノ酸が、アルギニンである請求項1に記載のタンパク質。   The protein according to claim 1, wherein the other amino acid is arginine. 以下からなる群より選択される請求項1又は2に記載のタンパク質。
(a)配列番号4のアミノ酸配列からなるタンパク質
(b)配列番号4のアミノ酸配列において1若しくは数個のアミノ酸が欠失、置換若しくは付加されており、そして配列番号4のアミノ酸配列の308番目に相当する位置のアミノ酸残基がアルギニンであるアミノ酸配列からなり、配列番号2のアミノ酸配列からなるタンパク質と比較して向上したラッカーゼ活性を有するタンパク質
(c)配列番号5のアミノ酸配列からなるタンパク質
(d)配列番号5のアミノ酸配列において1若しくは数個のアミノ酸が欠失、置換若しくは付加されており、そして配列番号5のアミノ酸配列の308番目に相当する位置のアミノ酸残基がアルギニンであるアミノ酸配列からなり、配列番号2のアミノ酸配列からなるタンパク質と比較して向上したラッカーゼ活性を有するタンパク質
The protein according to claim 1 or 2, which is selected from the group consisting of:
(A) a protein comprising the amino acid sequence of SEQ ID NO: 4 (b) one or several amino acids have been deleted, substituted or added in the amino acid sequence of SEQ ID NO: 4, and the 308th amino acid sequence of SEQ ID NO: 4 A protein comprising an amino acid sequence in which the corresponding amino acid residue is arginine and having improved laccase activity compared to a protein comprising the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 (c) a protein comprising the amino acid sequence of SEQ ID NO: 5 (d ) From the amino acid sequence in which one or several amino acids have been deleted, substituted or added in the amino acid sequence of SEQ ID NO: 5 and the amino acid residue at the position corresponding to position 308 of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 5 is arginine Improved laccase compared to the protein consisting of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 Protein having sex
以下からなる群より選択されるタンパク質。
(a)配列番号25のアミノ酸配列からなるタンパク質
(b)配列番号25のアミノ酸配列において1若しくは数個のアミノ酸が欠失、置換若しくは付加されており、そして配列番号25のアミノ酸配列の241番目に相当する位置のアミノ酸残基がアルギニンであるアミノ酸配列からなり、配列番号2のアミノ酸配列からなるタンパク質と比較して向上したラッカーゼ活性、及び配列番号4又は5のアミノ酸配列からなるタンパク質と比較して向上した直接電子伝達活性を有するタンパク質
(c)配列番号27のアミノ酸配列からなるタンパク質
(d)配列番号27のアミノ酸配列において1若しくは数個のアミノ酸が欠失、置換若しくは付加されており、そして配列番号27のアミノ酸配列の268番目に相当する位置のアミノ酸残基がアルギニンであるアミノ酸配列からなり、配列番号2のアミノ酸配列からなるタンパク質と比較して向上したラッカーゼ活性、及び配列番号4又は5のアミノ酸配列からなるタンパク質と比較して向上した直接電子伝達活性を有するタンパク質
A protein selected from the group consisting of:
(A) a protein comprising the amino acid sequence of SEQ ID NO: 25 (b) one or several amino acids have been deleted, substituted or added in the amino acid sequence of SEQ ID NO: 25, and the 241st amino acid sequence of SEQ ID NO: 25 The amino acid residue at the corresponding position consists of an amino acid sequence that is arginine, and has an improved laccase activity compared to the protein consisting of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 and the protein consisting of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 4 or 5. A protein having improved direct electron transfer activity (c) a protein comprising the amino acid sequence of SEQ ID NO: 27, (d) one or several amino acids have been deleted, substituted or added in the amino acid sequence of SEQ ID NO: 27, and the sequence The amino acid residue at the position corresponding to position 268 of the amino acid sequence of No. 27 is arginine To the amino acid sequence is a protein having a comparison with improved laccase activity, and SEQ ID NO: 4 or directly improved as compared to a protein consisting of five amino acid sequence electron transfer activity to the protein consisting of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2
請求項1〜4のいずれか一項に記載のタンパク質をコードする核酸分子。   The nucleic acid molecule which codes the protein as described in any one of Claims 1-4. 請求項5に記載の核酸分子を含有する組換えベクター。   A recombinant vector containing the nucleic acid molecule according to claim 5. 請求項6に記載の組換えベクターを有する形質転換体。   A transformant comprising the recombinant vector according to claim 6. 請求項7に記載の形質転換体を10〜20℃で培養する工程、及び得られた培養物からラッカーゼ活性を示すタンパク質を採取する工程を含む、請求項1〜3の何れか一項に記載のタンパク質を製造する方法。   The method according to any one of claims 1 to 3, comprising a step of culturing the transformant according to claim 7 at 10 to 20 ° C and a step of collecting a protein showing laccase activity from the obtained culture. A method for producing the protein. 請求項1〜4のいずれか一項に記載のタンパク質を固定化した電極を、カソード側電極として備えるバイオ電池。   A biocell provided with the electrode which fix | immobilized the protein as described in any one of Claims 1-4 as a cathode side electrode. 請求項4に記載のタンパク質を電気伝導性の多孔性材料を介して固定化した電極を、カソード側電極として備える請求項9に記載のバイオ電池。   The biobattery of Claim 9 provided with the electrode which fix | immobilized the protein of Claim 4 through the electroconductive porous material as a cathode side electrode. 前記多孔性材料が、直径20〜40nmの細孔を有する多孔性カーボンである請求項10に記載のバイオ電池。   The bio battery according to claim 10, wherein the porous material is porous carbon having pores having a diameter of 20 to 40 nm. 請求項1〜4のいずれか一項に記載のタンパク質を固定化した電極を、基質認識部位として備えるバイオセンサー。   A biosensor comprising an electrode on which the protein according to any one of claims 1 to 4 is immobilized as a substrate recognition site. 請求項4に記載のタンパク質を電気伝導性の多孔性材料を介して固定化した電極を備える請求項に12記載のバイオセンサー。   The biosensor according to claim 12, further comprising an electrode on which the protein according to claim 4 is immobilized via an electrically conductive porous material. 前記多孔性材料が、直径20〜40nmの細孔を有する多孔性カーボンである請求項13に記載のバイオセンサー。   The biosensor according to claim 13, wherein the porous material is porous carbon having pores having a diameter of 20 to 40 nm. 請求項1〜4のいずれか一項に記載のタンパク質と被検試料とを接触させ、ラッカーゼ活性の変化を測定することによりフェノール類化合物を検出する、フェノール類化合物の検出方法。   A method for detecting a phenol compound, wherein the protein according to any one of claims 1 to 4 is contacted with a test sample and a change in laccase activity is measured to detect the phenol compound.
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