JP2014150745A - Mutant microorganism of genus trichoderma and use of the same - Google Patents

Mutant microorganism of genus trichoderma and use of the same Download PDF

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Yosuke SHIDA
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a mutant microorganism of the genus Trichoderma, a method for producing cellulase by using the mutant and a method for preparing the mutant.SOLUTION: The invention relates to a mutant microorganism of the genus Trichoderma of which β-glucosidase differs from the wild type β-glucosidase in that at least one amino acid residue is substituted.

Description

本発明は、セルラーゼの生産量が向上したトリコデルマ属に属する微生物の変異株、該変異株を用いたセルラーゼの製造方法、該微生物の作製方法に関する。   The present invention relates to a mutant strain of a microorganism belonging to the genus Trichoderma with improved cellulase production, a method for producing cellulase using the mutant strain, and a method for producing the microorganism.

食糧や飼料と競合しない、農業廃棄物または木材などのセルロース系バイオマスからエタノールなどの化学品を開発するために多くの試みがなされてきた。例えば、木材などを硫酸で糖化し、グルコースまたはキシロースなどの単糖類とした後に、該単糖類を酵母またはバクテリアで発酵させ、エタノールを得る方法が開発されてきた(非特許文献1〜3)。しかしながら、この方法には、使用した強酸を回収して再利用することが困難である点、または廃棄物処理する場合の環境性の点などにおいて問題があった。   Many attempts have been made to develop chemicals such as ethanol from cellulosic biomass such as agricultural waste or wood that do not compete with food and feed. For example, a method has been developed in which wood is saccharified with sulfuric acid to form a monosaccharide such as glucose or xylose, and then the monosaccharide is fermented with yeast or bacteria to obtain ethanol (Non-Patent Documents 1 to 3). However, this method has a problem in that it is difficult to recover the used strong acid and reuse it, or in terms of the environment in the case of waste treatment.

そこで、より温和で環境に優しいバイオマスの糖化方法として、酵素を用いる方法も開発されてきた。該方法においては、一般的に、各種微生物が生産するセルラーゼまたはヘミセルラーゼが使用されている。セルラーゼは、種々の作用機作を有する酵素タンパク質から構成されている。   Therefore, a method using an enzyme has been developed as a milder and more environmentally friendly method for saccharifying biomass. In this method, cellulase or hemicellulase produced by various microorganisms is generally used. Cellulase is composed of enzyme proteins having various mechanisms of action.

バイオマス中のセルロースに作用する酵素としては、非結晶性セルロースに作用してセルロース鎖に切れ目を入れるエンドグルカナーゼ(EG)、並びに結晶性および非結晶性のセルロース繊維の末端から、セロビオース単位で糖を切り出すセロビオースヒドロラーゼ(CBH)がある。また、これらの酵素の作用により生成したセロビオースを加水分解してグルコースを生成するβ−グルコシダーゼ(BGL)がある。一方、バイオマス構成成分であるヘミセルロースに作用するヘミセルラーゼとして、キシラナーゼやβ−キシロシダーゼなどがある。   Enzymes that act on cellulose in biomass include endoglucanase (EG) that acts on amorphous cellulose and breaks the cellulose chain, and sugars in cellobiose units from the ends of crystalline and amorphous cellulose fibers. There is cellobiose hydrolase (CBH) to excise. Moreover, there exists (beta) -glucosidase (BGL) which hydrolyzes the cellobiose produced | generated by the effect | action of these enzymes, and produces | generates glucose. On the other hand, examples of hemicellulases that act on hemicellulose, which is a biomass component, include xylanase and β-xylosidase.

セルロース系バイオマスの糖化酵素には、以上のような酵素などが含まれるが、実際には、これらの各酵素は、さらに、糖質加水分解酵素ファミリーにより分類される多数の成分から構成されており、非常に複雑である。   Cellulose biomass saccharifying enzymes include the above-mentioned enzymes, but in reality, each of these enzymes is further composed of a number of components classified by the carbohydrate hydrolase family. Is very complex.

セルラーゼ生産菌としては、トリコデルマ(Trichoderma)属に属する微生物、例えば、Trichoderma reeseiまたはTrichoderma virideが有名であり、工業的に使用されてきた(非特許文献4)。しかしながら、Trichoderma属に属する菌株により生産されるセルラーゼを用いたバイオマス糖化に関する研究が進む中で、該セルラーゼの最大の欠点として、β−グルコシダーゼ活性が他の酵素活性(エンドグルカナーゼ活性、セロビオヒドロラーゼ活性など)に比べ相対的に低いことがわかった。これに伴い、β−グルコシダーゼ活性を強化した改良品として、Cellic CTec、Cellic CTec2(Novozyme社)およびAccellerase1500(Genencor社)が開発されている。   As cellulase-producing bacteria, microorganisms belonging to the genus Trichoderma, for example, Trichoderma reesei or Trichoderma violet, are well known and have been used industrially (Non-patent Document 4). However, as research on biomass saccharification using cellulase produced by a strain belonging to the genus Trichoderma proceeds, β-glucosidase activity has other enzyme activities (endoglucanase activity, cellobiohydrolase activity) as the biggest drawback of the cellulase. It was found to be relatively low compared to Accordingly, Cellic CTec, Cellic CTec2 (Novozyme) and Accelerase 1500 (Genencor) have been developed as improved products with enhanced β-glucosidase activity.

また、トリコデルマ・リーセイのタンパク質生産量を向上させるため、転写調節因子やシグナル伝達因子などのタンパク質生産に関与している因子の高発現もしくは欠損が行われている(特許文献1〜3)。   Moreover, in order to improve the protein production amount of Trichoderma reesei, the high expression or the defect | deletion of the factor which is concerned in protein production, such as a transcriptional regulatory factor and a signal transduction factor, is performed (patent documents 1-3).

国際公開第2011/151512号International Publication No. 2011/151512 国際公開第2011/151513号International Publication No. 2011/151513 国際公開第2011/151515号International Publication No. 2011/151515

Jonathan R. Mielenz,(2001)Current Opinion in Microbiology,p324−329Jonathan R. Mielenz, (2001) Current Opinion in Microbiology, p324-329. 種田 大介、OHM2006年11月号、オーム社、p42−45Daisuke Taneda, November issue of OHM 2006, Ohmsha, p42-45 種田 大介、バイオリファイナリー技術の工業最前線、2008年、シーエムシー出版、第2章3、濃硫酸法バイオエタノール製造プロセスDaisuke Taneda, Industrial Forefront of Biorefinery Technology, 2008, CMC Publishing, Chapter 2, 3. Concentrated sulfuric acid bioethanol production process 森川 康、セルロース利用技術の最先端、2008年、シーエムシー出版、p362−376Yasushi Morikawa, Cutting Edge of Cellulose Utilization Technology, 2008, CMC Publishing, p362-376

しかしながら、トリコデルマ属に属する微生物のセルラーゼ生産量をもってしても不溶性固体基質のセルロース系バイオマスを完全糖化するにはさらなるセルラーゼ量が必要である。また、酵素生産コストの観点から、トリコデルマ属に属する微生物のセルラーゼ生産力の向上が望まれている。しかしながら、トリコデルマ属に属する微生物は複雑な発現制御および活性制御を受けており、従来技術を用いてその発現量を向上させることは困難であった。   However, even with the amount of cellulase produced by microorganisms belonging to the genus Trichoderma, an additional amount of cellulase is required to completely saccharify the cellulosic biomass of the insoluble solid substrate. Further, from the viewpoint of enzyme production cost, it is desired to improve cellulase productivity of microorganisms belonging to the genus Trichoderma. However, microorganisms belonging to the genus Trichoderma have undergone complicated expression control and activity control, and it has been difficult to improve the expression level using conventional techniques.

したがって、本発明は、セルラーゼ生産力の向上したトリコデルマ属に属する微生物の変異株、該変異株を用いたセルラーゼの製造方法、該変異株の作製方法を提供することを課題とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a mutant strain of a microorganism belonging to the genus Trichoderma having improved cellulase productivity, a method for producing cellulase using the mutant strain, and a method for producing the mutant strain.

本発明者らは、トリコデルマ属に属する微生物の野生型β−グルコシダーゼに変異を導入することによって、得られた変異株は野生株に比べてセルラーゼの生産性が向上していることを見出し、本発明を完成させた。   The present inventors have found that by introducing a mutation into a wild-type β-glucosidase of a microorganism belonging to the genus Trichoderma, the obtained mutant strain has improved cellulase productivity as compared to the wild strain. Completed the invention.

すなわち、本発明は以下に示す通りである。
1.トリコデルマ(Trichoderma)属に属する微生物の変異株であって、野生型β−グルコシダーゼのアミノ酸配列において少なくとも1のアミノ酸残基が置換された変異株。
2.前記トリコデルマ属に属する微生物が、トリコデルマ・リーセイ(Trichoderma reesei)、トリコデルマ・ビリデ(Trichoderma viride)、トリコデルマ・ロンジブラチアタム(Trichoderma longibrachiatum)からなる群から選ばれる1である前項1に記載の変異株。
3.前記トリコデルマ属に属する微生物が、トリコデルマ・リーセイ株QM9414である前項2に記載の変異株。
4.野生型β−グルコシダーゼのアミノ酸配列が、配列番号1〜配列番号7のいずれか1に示されるアミノ酸配列である、前項1〜3のいずれか1に記載の変異株。
5.野生型β−グルコシダーゼのアミノ酸配列がトリコデルマ・リーセイ株QM9414のアミノ酸配列と少なくとも50%以上の相同性を有する前項1に記載の変異株。
6.野生型β−グルコシダーゼのアミノ酸配列がトリコデルマ・リーセイ株QM9414のアミノ酸配列と少なくとも70%以上の相同性を有する前項5に記載の変異株。
7.野生型β−グルコシダーゼのアミノ酸配列がトリコデルマ・リーセイ株QM9414のアミノ酸配列と少なくとも80%以上の相同性を有する前項5に記載の変異株。
8.野生型βグルコシダーゼのアミノ酸配列のN末端から407〜411番目のアミノ酸において少なくとも1のアミノ酸が置換された前項1〜7のいずれか1に記載の変異株。
9.アミノ酸残基の置換が、D407P、G408W、V409F、N410HおよびV410Fからなる群から選択された少なくとも1つを含む前項1〜8のいずれか1に記載の変異株。
10.アミノ酸残基の置換がV409Fである前項9に記載の変異株。
11.前項1〜10のいずれか1に記載の変異株を培養することにより、セルラーゼを生産することを特徴とするセルラーゼの生産方法。
12.前項1〜10のいずれか1に記載の変異株が生産するセルラーゼでセルロース系バイオマスを糖化する工程を含む、セルロース系バイオマスからの等の製造方法。
13.前項12に記載の方法により得られた糖を発酵する工程を含むエタノールの製造方法。
14.トリコデルマ(Trichoderma)属に属する微生物の変異株の作製方法であって、野生型β−グルコシダーゼのアミノ酸配列において少なくとも1のアミノ酸置換を導入する変異株の作製方法。
15.トリコデルマ(Trichoderma)属に属する微生物の変異株の作製方法であって、野生型β−グルコシダーゼ遺伝子において1塩基置換を導入する変異株の作製方法。
That is, the present invention is as follows.
1. A mutant strain of a microorganism belonging to the genus Trichoderma, wherein at least one amino acid residue is substituted in the amino acid sequence of wild-type β-glucosidase.
2. The microorganism belonging to the genus Trichoderma is one selected from the group consisting of Trichoderma reesei, Trichoderma viride, Trichoderma longibratiatum, and the first variant selected from the group consisting of Trichoderma longibrachiatum. .
3. 3. The mutant strain according to item 2 above, wherein the microorganism belonging to the genus Trichoderma is Trichoderma reesei strain QM9414.
4). 4. The mutant according to any one of the preceding items 1 to 3, wherein the amino acid sequence of wild-type β-glucosidase is the amino acid sequence represented by any one of SEQ ID NO: 1 to SEQ ID NO: 7.
5. 2. The mutant according to item 1 above, wherein the amino acid sequence of wild-type β-glucosidase has at least 50% or more homology with the amino acid sequence of Trichoderma reesei strain QM9414.
6). 6. The mutant according to item 5 above, wherein the amino acid sequence of wild-type β-glucosidase has at least 70% homology with the amino acid sequence of Trichoderma reesei strain QM9414.
7). 6. The mutant according to item 5 above, wherein the amino acid sequence of wild-type β-glucosidase has at least 80% homology with the amino acid sequence of Trichoderma reesei strain QM9414.
8). 8. The mutant strain according to any one of the preceding items 1 to 7, wherein at least one amino acid is substituted at the 407th to 411st amino acids from the N-terminal of the amino acid sequence of wild type β-glucosidase.
9. 9. The mutant according to any one of 1 to 8 above, wherein the amino acid residue substitution comprises at least one selected from the group consisting of D407P, G408W, V409F, N410H and V410F.
10. 10. The mutant according to item 9 above, wherein the amino acid residue substitution is V409F.
11. A method for producing cellulase, comprising producing cellulase by culturing the mutant strain according to any one of items 1 to 10.
12 11. A production method such as from cellulosic biomass, comprising a step of saccharifying cellulosic biomass with cellulase produced by the mutant strain according to any one of 1 to 10 above.
13. 13. A method for producing ethanol, comprising a step of fermenting a sugar obtained by the method according to item 12 above.
14 A method for producing a mutant strain of a microorganism belonging to the genus Trichoderma, wherein at least one amino acid substitution is introduced in the amino acid sequence of wild-type β-glucosidase.
15. A method for producing a mutant strain of a microorganism belonging to the genus Trichoderma, wherein a single-base substitution is introduced in a wild-type β-glucosidase gene.

本発明のトリコデルマ属に属する微生物の変異株は、野生型β−グルコシダーゼのアミノ酸配列において少なくとも1のアミノ酸置換が導入されていることにより、野生株に比べてセルラーゼの生産性が極めて向上している。該変異株を用いてセルラーゼを高生産し、該セルラーゼを用いてセルロース系バイオマスから得られた糖を発酵させることにより、効率的にエタノールを製造することができる。   In the mutant strain of the microorganism belonging to the genus Trichoderma of the present invention, at least one amino acid substitution is introduced in the amino acid sequence of wild-type β-glucosidase, so that the productivity of cellulase is greatly improved as compared to the wild strain. . Ethanol can be efficiently produced by producing cellulase at high yield using the mutant strain and fermenting sugar obtained from cellulosic biomass using the cellulase.

トリコデルマ・リーセイのセルラーゼ誘導発現モデルを示す模式図である。It is a schematic diagram showing a cellulase-induced expression model of Trichoderma reesei. トリコデルマ・リーセイにおけるβ-グルコシダーゼ遺伝子の発現量を示す図である。It is a figure which shows the expression level of the beta-glucosidase gene in Trichoderma reesei. トリコデルマ・リーセイ株QM9414のβ−グルコシダーゼ(bgl2)変異株およびトリコデルマ・リーセイ株QM9414のβ−グルコシダーゼ(bgl2)破壊株の構築を示す図である。It is a figure which shows construction | assembly of the beta-glucosidase (bgl2) mutant of Trichoderma reesei strain QM9414, and the beta-glucosidase (bgl2) destruction strain of Trichoderma reesei strain QM9414. トリコデルマ・リーセイ株QM9414、bgl2変異株、bgl2破壊株の培養上清をSDS−PAGEに供した結果を示す電気泳動写真である。It is an electrophoresis photograph which shows the result of having used culture supernatant of Trichoderma reesei strain QM9414, a bgl2 mutant strain, and a bgl2 destruction strain for SDS-PAGE. トリコデルマ・リーセイ株QM9414、bgl2変異株、bgl2破壊株の培養上清における分解活性を測定した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having measured the decomposition | disassembly activity in the culture supernatant of Trichoderma reesei strain QM9414, a bgl2 mutant strain, and a bgl2 destruction strain. トリコデルマ・リーセイ株QM9414、bgl2変異株、bgl2破壊株の培養上清におけるタンパク質濃度を測定した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having measured the protein concentration in the culture supernatant of Trichoderma reesei strain QM9414, a bgl2 mutant strain, and a bgl2 destruction strain.

本発明は、トリコデルマ(Trichoderma)属に属する微生物の変異株であって、野生型β−グルコシダーゼのアミノ酸配列において少なくとも1のアミノ酸置換が導入された変異株を提供する。   The present invention provides a mutant strain of a microorganism belonging to the genus Trichoderma, in which at least one amino acid substitution is introduced in the amino acid sequence of wild-type β-glucosidase.

トリコデルマ属に属する微生物とは、糸状菌のなかでトリコデルマ属に分類される全ての微生物を包含する。トリコデルマ属に属する微生物は、従来公知のトリコデルマ属に属する微生物の野生株でもよいし、当該野生株から派生した変異株でもよいし、UV照射またはニトロソ化合物処理等の変異原処理により突然変異が導入された株であってもよい。   The microorganism belonging to the genus Trichoderma includes all microorganisms classified into the genus Trichoderma among filamentous fungi. The microorganism belonging to the genus Trichoderma may be a wild strain of a conventionally known microorganism belonging to the genus Trichoderma, or a mutant derived from the wild strain, or a mutation introduced by mutagen treatment such as UV irradiation or nitroso compound treatment. Strains may be used.

トリコデルマ属に属する微生物としては、例えば、Trichoderma aggressivum、Trichoderma atroviride、Trichoderma asperellum、Trichoderma aureoviride、Trichoderma austrokoningii、Trichoderma brevicompactum、Trichoderma candidum、Trichoderma caribbaeum var.aequatoriale、Trichoderma caribbaeum var.Caribbaeum、Trichoderma catoptron、Trichoderma cremeum、Trichoderma ceramicum、Trichoderma cerinum、Trichoderma chlorosporum、Trichoderma chromospermum、Trichoderma cinnamomeum、Trichoderma citrinoviride、Trichoderma crassum、Trichoderma cremeum、Trichoderma dingleyeae、Trichoderma dorotheae、Trichoderma effusum、Trichoderma erinaceum、Trichoderma estonicum、Trichoderma fertile、Trichoderma gelatinosus、Trichoderma ghanense、Trichoderma hamatum、Trichoderma harzianum、Trichoderma helicum、Trichoderma intricatum、Trichoderma konilangbra、Trichoderma koningii、Trichoderma koningiposis、Trichoderma longibrachiatum、Trichoderma longipile、Trichoderma minutisporum、Trichoderma oblongisporum、Trichoderma ovalisporum、Trichoderma petersenii、Trichoderma phyllostahydis、Trichoderma、Trichoderma、Trichoderma、Trichoderma、Trichoderma、Trichoderma、Trichoderma、Trichoderma piluliferum、Trichoderma pleuroticola、Trichoderma pleurotum、Trichoderma polysporum、Trichoderma pseudokoningii、Trichoderma pubescens、Trichoderma reesei、Trichoderma rogersonii、Trichoderma rossicum、Trichoderma saturnisporum、Trichoderma sinensis、Trichoderma sinuosum、Trichoderma sp.MA 3642、Trichoderma sp.PPRI 3559、Trichoderma spirale、Trichoderma stramineum、Trichoderma strigosum、Trichoderma stromaticum、Trichoderma surrotundum、Trichoderma taiwanense、Trichoderma thailandcum、Trichoderma thelephorucolum、Trichoderma theobromicola、Trichoderma tomentosum、Trichoderma、Trichoderma、Trichoderma、Trichoderma velutinum、Trichoderma virens、Trichoderma virideおよびTrichoderma viridescensが挙げられる。これらの中でも、セルラーゼの分泌生産能の観点から、トリコデルマ・リーセイ(Trichoderma reesei)、トリコデルマ・ビリデ(Trichoderma viride)、トリコデルマ・アトロビリデ、またはトリコデルマ・ロンジブラチアタム(Trichoderma longibrachiatum)が好ましく、トリコデルマ・リーセイがより好ましい。   Examples of the microorganisms belonging to the genus Trichoderma, e.g., Trichoderma aggressivum, Trichoderma atroviride, Trichoderma asperellum, Trichoderma aureoviride, Trichoderma austrokoningii, Trichoderma brevicompactum, Trichoderma candidum, Trichoderma caribbaeum var. aequatoriale, Trichoderma caribbaeum var. Caribbaeum, Trichoderma catoptron, Trichoderma cremeum, Trichoderma ceramicum, Trichoderma cerinum, Trichoderma chlorosporum, Trichoderma chromospermum, Trichoderma cinnamomeum, Trichoderma citrinoviride, Trichoderma crassum, Trichoderma cremeum, Trichoderma dingleyeae, Trichoderma dorotheae, Trichoderma effusum, Trichoderma erinaceum, Trichoderma est nicum, Trichoderma fertile, Trichoderma gelatinosus, Trichoderma ghanense, Trichoderma hamatum, Trichoderma harzianum, Trichoderma helicum, Trichoderma intricatum, Trichoderma konilangbra, Trichoderma koningii, Trichoderma koningiposis, Trichoderma longibrachiatum, Trichoderma longipile, Trichoderma minutisporum, Trichoderma oblongisporum, Trichoderm ovalisporum, Trichoderma petersenii, Trichoderma phyllostahydis, Trichoderma, Trichoderma, Trichoderma, Trichoderma, Trichoderma, Trichoderma, Trichoderma, Trichoderma piluliferum, Trichoderma pleuroticola, Trichoderma pleurotum, Trichoderma polysporum, Trichoderma pseudokoningii, Trichoderma pubescens, Trichoderma reesei, Trichoderma rogersonii, Tric oderma rossicum, Trichoderma saturnisporum, Trichoderma sinensis, Trichoderma sinuosum, Trichoderma sp. MA 3642, Trichoderma sp. PPRI 3559, Trichoderma spirale, Trichoderma stramineum, Trichoderma strigosum, Trichoderma stromaticum, Trichoderma surrotundum, Trichoderma taiwanense, Trichoderma thailandcum, Trichoderma thelephorucolum, Trichoderma theobromicola, Trichoderma tomentosum, Trichoderma, Trichoderma, Trichoderma, Trichoderma velutinum, Trichoderma virens, Trichoderma vi Ride and Trichoderma viridecens. Among these, Trichoderma reesei, Trichoderma viride, Trichoderma atrobilide, or Trichoderma longibratiatum, preferably Trichoderma longibratumi, from the viewpoint of the secretory production ability of cellulase. Is more preferable.

トリコデルマ・リーセイとしては、例えば、トリコデルマ・リーセイ株QM9414、トリコデルマ・リーセイ株QM6aが挙げられる。   Examples of Trichoderma reesei include Trichoderma reesei strain QM9414 and Trichoderma reesei strain QM6a.

野生型β−グルコシダーゼとしては、菌体内β−グルコシダーゼと分泌型(菌体外)β−グルコシダーゼが挙げられるが、菌体内β−グルコシダーゼであることが好ましい。菌体内β−グルコシダーゼとしては、例えば、トリコデルマ・リーセイの菌体内β−グルコシダーゼとして、BGLII(またはCel1Aと呼ばれる)、Cel1b、Cel3c、Cel3d、Cel3hが挙げられ、これらの中でもBGLIIが好ましい。   Examples of wild-type β-glucosidase include intracellular β-glucosidase and secreted (extracellular) β-glucosidase, and intracellular β-glucosidase is preferable. Examples of the intracellular β-glucosidase include BGLII (or Cel1A), Cel1b, Cel3c, Cel3d, and Cel3h as Trichoderma reesei intracellular β-glucosidase. Among these, BGLII is preferable.

トリコデルマ属に属する微生物であるトリコデルマ・リーセイは、図1に示すように、セルロースを認識し、菌体外で構成的に生産されているセルラーゼ(菌体外β−グルコシダーゼ)によって、セロビオース(2糖)を中心とする可溶性のセロオリゴ糖を生産する。該セロオリゴ糖は菌体内に取り込まれ、ソフォロース等の誘導物質が生産され、該誘導物質により菌体外のセルラーゼが大量に生産されると推定されている(図1)。   As shown in FIG. 1, Trichoderma reesei, which is a microorganism belonging to the genus Trichoderma, recognizes cellulose and cellobiose (disaccharide) by cellulase (extracellular β-glucosidase) that is constitutively produced outside the cell. ) To produce soluble cellooligosaccharides. It is estimated that the cellooligosaccharide is taken into the microbial cells and inducers such as Soforus are produced, and cellulases outside the microbial cells are produced in large quantities by the inducers (FIG. 1).

トリコデルマ・リーセイは菌体内において5種のβ−グルコシダーゼ[BGLII(またはCel1Aと呼ばれる)、Cel1b、Cel3c、Cel3d、Cel3h]を生産している。図2に示すように、これらの菌体内β−グルコシダーゼの中でもβーグルコシダーゼII(BGLII)は、他のβ−グルコシダーゼよりも菌体内における発現量が多い。   Trichoderma reesei produces five types of β-glucosidase [BGLII (also called Cel1A), Cel1b, Cel3c, Cel3d, Cel3h] in the cell. As shown in FIG. 2, among these intracellular β-glucosidases, β-glucosidase II (BGLII) has a higher expression level in the cells than other β-glucosidases.

したがってβーグルコシダーゼII(BGLII)は、セロビオースの分解、すなわち菌体の生育に関与する極めて重要な酵素と推定されており、そのような酵素は通常アミノ酸変異の導入対象とされない。このような状況において、本発明において、菌体内βーグルコシダーゼIIにアミノ酸置換を導入することにより、セルロース系バイオマスの酵素糖化に重要な菌体外酵素の生産量が増大することを見出したが、この結果は予測し得ない結果である。   Therefore, β-glucosidase II (BGLII) is presumed to be a very important enzyme involved in cellobiose degradation, that is, the growth of bacterial cells, and such an enzyme is not usually targeted for introduction of amino acid mutations. In such a situation, in the present invention, it was found that by introducing an amino acid substitution into the intracellular β-glucosidase II, the production of extracellular enzymes important for enzymatic saccharification of cellulosic biomass increased. This result is an unpredictable result.

野生型βグルコシダーゼのアミノ酸配列としては、例えば、配列番号1〜配列番号7に示されるアミノ酸配列を挙げることができる。   Examples of the amino acid sequence of wild-type β-glucosidase include the amino acid sequences shown in SEQ ID NO: 1 to SEQ ID NO: 7.

配列番号1に示されるβ−グルコシダーゼはトリコデルマ・リーセイ株QM9414(ATCC26921)由来のβ−グルコシダーゼのアミノ酸配列である。   The β-glucosidase shown in SEQ ID NO: 1 is the amino acid sequence of β-glucosidase derived from Trichoderma reesei strain QM9414 (ATCC26921).

配列番号2は、トリコデルマ ロンジブラチアタム由来のβ−グルコシダーゼのアミノ酸配列である。配列番号3は、トリコデルマ ヴァイレンス由来のβ−グルコシダーゼのアミノ酸配列である。配列番号4は、トリコデルマ アトロビリデ由来のβ−グルコシダーゼのアミノ酸配列である。配列番号5は、トリコデルマ ハージャナム由来のβ−グルコシダーゼのアミノ酸配列である。配列番号6は、トリコデルマ ビリデ由来のβ−グルコシダーゼのアミノ酸配列である。配列番号7は、トリコデルマ ハージャナム由来のβ−グルコシダーゼのアミノ酸配列である。   SEQ ID NO: 2 is the amino acid sequence of β-glucosidase derived from Trichoderma longibratiatum. SEQ ID NO: 3 is the amino acid sequence of β-glucosidase derived from Trichoderma viriens. SEQ ID NO: 4 is the amino acid sequence of β-glucosidase derived from Trichoderma atroviride. SEQ ID NO: 5 is the amino acid sequence of β-glucosidase derived from Trichoderma herjanum. SEQ ID NO: 6 is the amino acid sequence of β-glucosidase derived from Trichoderma viride. SEQ ID NO: 7 is the amino acid sequence of β-glucosidase derived from Trichoderma herjanum.

なお、これら各β−グルコシダーゼ間のアミノ酸配列における同一性(相同性)は、配列番号1および配列番号2の間で91%、配列番号1および配列番号3の間で90%、配列番号1および配列番号4の間で89%、配列番号1および配列番号5の間で87%、配列番号1および配列番号6の間で86%、配列番号1および配列番号7の間で86%である。   The identity (homology) in amino acid sequences between these β-glucosidases is 91% between SEQ ID NO: 1 and SEQ ID NO: 2, 90% between SEQ ID NO: 1 and SEQ ID NO: 3, SEQ ID NO: 1 and 89% between SEQ ID NO: 4, 87% between SEQ ID NO: 1 and SEQ ID NO: 5, 86% between SEQ ID NO: 1 and SEQ ID NO: 6, and 86% between SEQ ID NO: 1 and SEQ ID NO: 7.

本発明の変異株において、野生型β−グルコシダーゼのアミノ酸配列としては、トリコデルマ・リーセイ株QM9414のβ−グルコシダーゼのアミノ酸配列(配列番号1)において1つ以上のアミノ酸が欠失、置換または付加されたアミノ酸配列からなり、かつβ−グルコシダーゼの機能を有するポリペプチド、並びに配列番号1で示されるアミノ酸配列と好ましくは50%以上、より好ましくは60%以上、さらに好ましくは70%以上、よりさらに好ましくは80%以上、特に好ましくは90%以上の相同性を有するアミノ酸配列を含むポリペプチド、最も好ましくは95%、96%、97%、98%および99%以上の相同性を有するアミノ酸配列からなり、かつβ−グルコシダーゼの機能を有するポリペプチドも包含される。特にトリコデルマ・リーセイ株QM9414のβ−グルコシダーゼとともにアライメントが可能であるものが好ましい。   In the mutant strain of the present invention, as the amino acid sequence of wild-type β-glucosidase, one or more amino acids were deleted, substituted or added in the β-glucosidase amino acid sequence (SEQ ID NO: 1) of Trichoderma reesei strain QM9414. A polypeptide comprising an amino acid sequence and having a β-glucosidase function, and the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 1, preferably 50% or more, more preferably 60% or more, still more preferably 70% or more, and still more preferably A polypeptide comprising an amino acid sequence having a homology of 80% or more, particularly preferably 90% or more, most preferably comprising an amino acid sequence having a homology of 95%, 96%, 97%, 98% and 99% or more, A polypeptide having the function of β-glucosidase is also included. In particular, those that can be aligned with β-glucosidase of Trichoderma reesei strain QM9414 are preferred.

本発明の変異株は、野生型β−グルコシダーゼのアミノ酸配列のN末端から好ましくは2〜453番目のアミノ酸、より好ましくは380〜440番目のアミノ酸、さらに好ましくは400〜416番目のアミノ酸、特に好ましくは407〜411番目のアミノ酸に少なくとも1のアミノ酸残基の置換が導入されていることが好ましく、409番目のアミノ酸残基が置換されていることが最も好ましい。   The mutant strain of the present invention preferably has amino acids 2 to 453, more preferably amino acids 380 to 440, still more preferably amino acids 400 to 416, particularly preferably amino acids from the N-terminus of the amino acid sequence of wild-type β-glucosidase. Is preferably substituted with at least one amino acid residue in the 407th to 411st amino acids, and most preferably the 409th amino acid residue is substituted.

アミノ酸残基の置換の具体例としてとしては、例えば、V409F/P/W、A409F/P/W、C409F/P/Wの置換が好ましく、V409F/P/Wがより好ましく、V409Fがさらに好ましい。なお、本発明の変異株のセルラーゼ生産性に実質的な悪影響を与えない限り、前述の置換に加えて、必要に応じて、1ないし数個の他のアミノ酸の置換、欠失、および/または挿入を含むことができる。   As specific examples of amino acid residue substitution, for example, substitution of V409F / P / W, A409F / P / W, and C409F / P / W is preferable, V409F / P / W is more preferable, and V409F is more preferable. In addition to the above-described substitutions, one to several other amino acid substitutions, deletions, and / or as required, as long as the cellulase productivity of the mutant strain of the present invention is not substantially adversely affected. Insertion can be included.

本発明において、アミノ酸残基の置換を定義するために用いる命名法は、置換前のアミノ酸およびその位置、並びに置換後のアミノ酸によって同定される。すなわち、「V数字F」は〔数字〕番目のVがFに置換されたことを示し、スラッシュで区切られた置換後のアミノ酸は、そのいずれのアミノ酸に置換されたものを示す。すなわち、「V数字F/T」は〔数字〕番目のVがFまたはTに置換された変異を示す。   In the present invention, the nomenclature used to define the substitution of amino acid residues is identified by the amino acid before substitution and its position, and the amino acid after substitution. That is, “V number F” indicates that the [number] -th V is replaced with F, and the substituted amino acid delimited by a slash indicates that the amino acid is replaced with any of the amino acids. That is, “V number F / T” indicates a mutation in which the [number] -th V is replaced with F or T.

本発明の変異株は、相同組換えによる遺伝子ターゲッティング等の当該技術分野において公知の任意の方法[例えば、Dan Burkeら(大矢禎一ら訳)酵母遺伝子実験マニュアル、丸善株式会社平成14年12月10日発行;Zinnia Rahmanら、Appl Microbiol Biotechnol(2009)82、p899−908]などに記載される方法に従って行うことができる。   The mutant strain of the present invention can be obtained by any method known in the art such as gene targeting by homologous recombination [for example, Dan Burke et al. (Translated by Junichi Ohya et al.) Yeast Gene Experiment Manual, Maruzen Co., Ltd. Issued by Zinnia Rahman et al., Appl Microbiol Biotechnol (2009) 82, p899-908].

具体例として、相同組換えによる遺伝子ターゲッティングの方法について具体的に説明する。相同組換えによる遺伝子ターゲッティングは以下の(1)〜(4)の手順により行う。
(1)大腸菌プラスミドベクターにトリコデルマ属に属する微生物の野生型β−グルコシダーゼ遺伝子(bgl)の上流領域および下流領域をクローニングし、目的とする領域に変異を導入する。
プラスミドを大腸菌に形質転換する方法としては、遺伝子工学の分野で慣用されている方法を用いることができ、その方法としては、例えばモレキュラー・クローニング第2版、コールド・スプリング・ハーバー・ラボラトリー(1989)に記載されている方法があげられる。
大腸菌プラスミドベクターとしては、例えば、pBluescript(R)II、pT7BlueT、pAG、pUC等が挙げられる。野生型β−グルコシダーゼ遺伝子への目的とする領域への変異の導入は、例えば、ストラタジーン社製のQuikChange II Site−Directed Mutagenesis Kit等を用いて行うことができる。変異としては、少なくとも1塩基以上の置換が好ましく、より好ましくは1塩基置換である。
(2)(1)で得られた変異を導入したbglをクローニングした大腸菌プラスミドベクターにトリコデルマ属に属する微生物を形質転換する際の選択マーカー遺伝子を導入する。
選択マーカー遺伝子としては、例えば、ハイグロマイシン、ゼオシン、カナマイシン、クロラムフェニコールまたはG418等の薬剤に耐性を付与する遺伝子、およびウラシル合成酵素、ロイシン合成酵素、アデニン合成酵素またはリシン合成酵素等の栄養要求性を相補する遺伝子が挙げられる。
(3)制限酵素処理によってプラスミドから「bgl上流領域−変異型bgl−bgl下流領域−選択マーカー−bgl下流領域」の断片を切り出す。
(4)切り出した断片を用いてトリコデルマ属に属する微生物の形質転換を行い、野生型β−グルコシダーゼのアミノ酸配列において少なくとも1のアミノ酸残基が置換された変異株を得る。
As a specific example, a method of gene targeting by homologous recombination will be specifically described. Gene targeting by homologous recombination is performed by the following procedures (1) to (4).
(1) An upstream region and a downstream region of a wild-type β-glucosidase gene (bgl) of a microorganism belonging to the genus Trichoderma are cloned into an E. coli plasmid vector, and a mutation is introduced into the target region.
As a method for transforming a plasmid into Escherichia coli, a method commonly used in the field of genetic engineering can be used. For example, Molecular Cloning 2nd Edition, Cold Spring Harbor Laboratory (1989) Can be mentioned.
Examples of E. coli plasmid vectors include pBluescript® II, pT7BlueT, pAG, pUC and the like. The introduction of the mutation into the target region into the wild-type β-glucosidase gene can be performed using, for example, QuikChange II Site-Directed Mutagenesis Kit manufactured by Stratagene. As the mutation, substitution of at least one base is preferable, and substitution of one base is more preferable.
(2) A selection marker gene for transforming a microorganism belonging to the genus Trichoderma is introduced into the Escherichia coli plasmid vector into which bgl introduced with the mutation obtained in (1) has been cloned.
Examples of selectable marker genes include genes that confer resistance to drugs such as hygromycin, zeocin, kanamycin, chloramphenicol, and G418, and nutrients such as uracil synthase, leucine synthase, adenine synthase, or lysine synthase Examples include genes that complement requirements.
(3) A fragment of “bgl upstream region-mutant bgl-bgl downstream region-selection marker-bgl downstream region” is excised from the plasmid by restriction enzyme treatment.
(4) Using the excised fragment, a microorganism belonging to the genus Trichoderma is transformed to obtain a mutant in which at least one amino acid residue is substituted in the amino acid sequence of wild-type β-glucosidase.

このようにして作製された変異株は、優れたセルラーゼ生産性を示す。セルラーゼを生産させるための変異株の培養は、当業者において、通常用いられる培養条件で実施することができる。   The mutant strain produced in this way exhibits excellent cellulase productivity. Culturing the mutant strain for producing cellulase can be carried out by those skilled in the art under commonly used culture conditions.

培養に用いる糖源としては、各種セルロース、例えば、アビセル、濾紙粉末、セルロースを含むバイオマスなどが、窒素源としては、例えば、ポリペプトン、肉汁、CSL、大豆かすなどが用いられる。   Examples of the sugar source used for the culture include various celluloses such as Avicel, filter paper powder, and biomass containing cellulose, and examples of the nitrogen source include polypeptone, gravy, CSL, and soybean meal.

その他、この培地には目的とするセルラーゼを生産する上で必要とされる成分を添加することができる。さらに、各種キシラン成分を培地に添加することで、キシラナーゼを増産することも可能である。   In addition, components required for producing the target cellulase can be added to the medium. Further, xylanase can be increased by adding various xylan components to the medium.

これら菌株の培養には、振とう培養、撹拌培養、撹拌振とう培養、静置培養、連続培養など、様々な培養方式を採用しうるが、好ましくは、振とう培養または撹拌培養である。培養温度は、通常、20℃〜35℃、好ましくは25℃〜31℃であり、培養時間は、通常、4〜10日、好ましくは4〜9日である。   For the culture of these strains, various culture methods such as shaking culture, stirring culture, stirring shaking culture, stationary culture, and continuous culture can be adopted, and shaking culture or stirring culture is preferred. The culture temperature is usually 20 ° C. to 35 ° C., preferably 25 ° C. to 31 ° C., and the culture time is usually 4 to 10 days, preferably 4 to 9 days.

こうして変異株に産生させたセルラーゼを変異株の菌体外から回収することができる。セルラーゼは、細胞溶解物又は培地の上清サンプルを直接、当該技術分野で知られているドデシルナトリウム硫酸ポリアクリルアミドゲル電気泳動(SDS−PAGE)及びウェスタンブロッティングで解析することにより測定できる。   The cellulase produced in the mutant strain in this way can be recovered from outside the mutant strain. Cellulase can be measured by directly analyzing a cell lysate or culture supernatant sample by dodecyl sodium sulfate polyacrylamide gel electrophoresis (SDS-PAGE) and Western blotting, which are known in the art.

細胞培養中に生産されたセルラーゼは培地の中で分泌され、例えば、細胞培地から不要な成分を取り除くことにより精製または分離される。セルラーゼの精製方法としては、例えば、アフィニティクロマトグラフィー、イオン交換クロマトグラフィー、疎水性相互作用クロマトグラフィー、エタノール沈殿、逆相HPLC、シリカ上またはDEAEなどの陽イオン交換クロマトグラフィー、クロマトフォーカシング、SDS−PAGE、硫酸アンモニウム沈殿法およびゲルろ過法等が挙げられる。これらの方法は単独でまたは組み合わせて使用できる。   Cellulase produced during cell culture is secreted in the medium and purified or separated, for example, by removing unwanted components from the cell medium. Cellulase purification methods include, for example, affinity chromatography, ion exchange chromatography, hydrophobic interaction chromatography, ethanol precipitation, reverse phase HPLC, cation exchange chromatography on silica or DEAE, chromatofocusing, SDS-PAGE. And ammonium sulfate precipitation method and gel filtration method. These methods can be used alone or in combination.

本発明の変異株に産生させたセルラーゼを用いて、セルロース系バイオマスを糖化することができる。セルロース系バイオマスとしては、草本植物であっても、木本植物であってもよく、また、それらの加工物や廃棄物であってもよい。   Cellulose biomass can be saccharified using the cellulase produced in the mutant strain of the present invention. The cellulosic biomass may be a herbaceous plant, a woody plant, or a processed product or waste thereof.

草本植物としては、例えば、イネ、エリアンサス、ムギ、サトウキビ、ヨシ、ススキ、トウモロコシ、ソルガム、ネピアグラス、スイッチグラスおよびミスカンサスなどが挙げられるが、これらに制限されない。   Examples of herbaceous plants include, but are not limited to, rice, Elianthus, wheat, sugarcane, reed, Japanese pampas grass, corn, sorghum, napiergrass, switchgrass, and Miscanthus.

木本植物としては、例えば、スギ類、ユーカリ、ヒノキ、マツ類、米ツガ、ポプラ、シラカバ、ヤナギ、クヌギ、ナラ類、カシ、シイ、ブナ、アカシア、タケ、ササ、アブラヤシおよびサゴヤシなどが挙げられるが、これらに制限されない。   Examples of woody plants include cedars, eucalyptus, cypress, pine, rice eel, poplar, birch, willow, scallop, oak, oak, shii, beech, acacia, bamboo, sasa, oil palm and sago palm. However, it is not limited to these.

一般的に、バイオマスは、そのままの形では、セルラーゼによる糖化を受け難い。このため、セルラーゼによる糖化を行う前に、セルロース系バイオマスを、酵素による糖化を受けやすい形態へと変化させるための処理を行うことが好ましい。   Generally, biomass is difficult to undergo saccharification by cellulase as it is. For this reason, before performing saccharification by a cellulase, it is preferable to perform the process for changing a cellulosic biomass into the form which is easy to receive the saccharification by an enzyme.

セルロース系バイオマスの前処理方法としては、特に制限はないが、例えば、メカノケミカル粉砕法、水熱処理、アルカリ処理[例えば、苛性ソーダ(NaOH)、KOH、Ca(OH)、NaSO、NaHCO、NaHSO、Mg(HSO、Ca(HSO、アンモニア類(NH、NHOH)など]、希硫酸処理、水蒸気爆砕処理、ソルボリシス処理および微生物処理、並びにこれらの複合処理が挙げられる。 The pretreatment method for cellulosic biomass is not particularly limited. For example, mechanochemical pulverization method, hydrothermal treatment, alkali treatment [for example, caustic soda (NaOH), KOH, Ca (OH) 2 , Na 2 SO 3 , NaHCO 3 3 , NaHSO 3 , Mg (HSO 3 ) 2 , Ca (HSO 3 ) 2 , ammonia (NH 3 , NH 4 OH), etc.], dilute sulfuric acid treatment, steam explosion treatment, solvolysis treatment and microbial treatment, and composites thereof Processing.

このような前処理を行うことにより、原料バイオマス中に存在するセルロースが、処理方法や処理条件に依存して、固形分残渣側に残存したり、加水分解されて可溶化画分に移行したりする。   By performing such pretreatment, the cellulose present in the raw material biomass remains on the solid residue side depending on the treatment method and treatment conditions, or it is hydrolyzed and transferred to the solubilized fraction. To do.

前処理方法や条件の設定により、セルロースを加水分解し、オリゴ糖あるいは単糖として可溶化画分に回収する方法も検討されているが、一般的に前処理条件が過酷になると、バイオマス中の各種成分が過分解を受け、その結果として、酢酸、蟻酸、フルフラール、ヒドロキシメチルフルフラール、リグニン分解物などのアルコール発酵工程における阻害物質を生成し、好ましくない。   A method of hydrolyzing cellulose and collecting it in a solubilized fraction as oligosaccharides or monosaccharides by setting pretreatment methods and conditions has been studied, but generally when pretreatment conditions become severe, Various components are excessively decomposed, and as a result, inhibitors in the alcohol fermentation process such as acetic acid, formic acid, furfural, hydroxymethylfurfural, and lignin decomposition products are generated, which is not preferable.

従って、バイオマス中のセルロースを構成する糖分を糖化液中に高収率で単糖として回収するためには、前処理による固形分残渣側にできるだけセルロースを残すことと、および残したセルロースができるだけ酵素による糖化を受けやすい形態とすること、のバランスをとることが好ましい。   Therefore, in order to recover the sugar component constituting the cellulose in the biomass as a monosaccharide in a high yield in the saccharified solution, it is necessary to leave as much cellulose as possible on the solid residue side by the pretreatment, and to make the remaining cellulose as enzyme as possible. It is preferable to balance the form of being easily subjected to saccharification.

このようにして原料バイオマスを前処理した後、ろ過、遠心分離などにより固液分離し、前処理固形物とろ液を得る。ここで、原料バイオマスおよび前処理固形物中のセルロースを定量分析する方法としては種々の方法を採用できるが、世界的に標準処方として使用される米国NREL(National Renewable Energy Laboratory)のLaboratory Analytical Procedure(LAP) Determination of Structural Carbohydrates and Lignin in Biomassに準拠した方法が好適である。   Thus, after pre-processing raw material biomass, it solid-liquid-separates by filtration, centrifugation, etc., and a pre-processing solid substance and filtrate are obtained. Here, various methods can be adopted as a method for quantitatively analyzing the raw material biomass and cellulose in the pretreated solid, but the National Analytical Laboratory Procedure of the US NREL (National Renewable Energy Laboratory), which is used as a standard formulation worldwide ( A method in conformity with (LAP) Determination of Structural Carbohydrates and Lignin in Biomass is preferred.

前記方法は、原料バイオマス、および前処理固形物を硫酸で加水分解した後に、これらサンプルに含まれるグルコース、キシロース、マンノース、ガラクトースなどの構成糖の含量をHPLC法で分析定量し含有率を求める方法である。この方法において、求められたグルコースは、セルロースに由来するもの、それ以外のキシロース、マンノース、ガラクトースなどの成分はヘミセルロースに由来のものとみなして各々の含有率を求める。   In the above method, the raw material biomass and the pretreated solid are hydrolyzed with sulfuric acid, and then the content of constituent sugars such as glucose, xylose, mannose, galactose, etc. contained in these samples are analyzed and quantified by the HPLC method to determine the content rate. It is. In this method, the obtained glucose is regarded as derived from cellulose, and other components such as xylose, mannose, galactose and the like are derived from hemicellulose, and each content is determined.

こうして前処理したセルロース系バイオマスを、本発明の変異株から産生されたセルラーゼにより糖化する場合の条件は、次の通りである。基質濃度は、通常、1〜20(w/v)%、好ましくは、5〜10(w/v)%程度である。pHは、通常、3〜9、好ましくは、4〜6の範囲である。温度は、10〜80℃、好ましくは、40〜60℃である。酵素濃度は、バイオマス前処理物の乾物重量当りのタンパク質量基準で、1〜20mg/g−バイオマス重量、好ましくは1〜10mg/g−バイオマス重量である。   The conditions for saccharifying the cellulosic biomass thus pretreated with the cellulase produced from the mutant of the present invention are as follows. The substrate concentration is usually about 1 to 20 (w / v)%, preferably about 5 to 10 (w / v)%. The pH is usually in the range of 3-9, preferably 4-6. The temperature is 10 to 80 ° C, preferably 40 to 60 ° C. The enzyme concentration is 1 to 20 mg / g-biomass weight, preferably 1 to 10 mg / g-biomass weight, based on the amount of protein per dry matter weight of the biomass pretreatment product.

これら条件下、例えば、振とう、または静置で、糖化反応を進行させることができる。また、この糖化反応において、雑菌汚染を防止する目的でアジ化ナトリウムなどの殺菌剤を添加することもできる。この際は、後の糖化液の発酵工程に悪影響を及ぼさない化合物と濃度を選択することが好ましい。糖化率は、糖化液中の生成物を各種還元糖定量法やHPLC法で分析することにより求めることができる。   Under these conditions, for example, the saccharification reaction can proceed under shaking or standing. In this saccharification reaction, a bactericidal agent such as sodium azide may be added for the purpose of preventing contamination with various bacteria. In this case, it is preferable to select a compound and a concentration that do not adversely affect the subsequent fermentation process of the saccharified solution. The saccharification rate can be determined by analyzing the product in the saccharified solution by various reducing sugar quantification methods and HPLC methods.

こうして得られた糖化液を発酵させることにより、エタノールを製造することができる。糖化液からのエタノールの製造は、一般的な方法を適用することができる。エタノールの製造に用いる微生物としては、例えば、Saccharomyces属、Zymomonas属、Pichia属、Zymobacter属、Corynebacterium属、Kluyveromyces属、およびEscherichia属に属する微生物が挙げられるが、これらに制限されない。   By fermenting the saccharified solution thus obtained, ethanol can be produced. A general method can be applied to the production of ethanol from the saccharified solution. Examples of the microorganism used for producing ethanol include, but are not limited to, microorganisms belonging to the genus Saccharomyces, the genus Zymomonas, the genus Pichia, the genus Zymobacter, the genus Corynebacterium, the genus Kluyveromyces, and the genus Escherichia.

糖をエタノールに変換するための代謝系に関連する遺伝子を組み込んだ微生物あるいはこれらの変異株を利用することも可能である。糖化液に、これら微生物を植菌して培養することにより、エタノールを製造することが可能である。   It is also possible to use a microorganism incorporating a gene related to a metabolic system for converting sugar to ethanol, or a mutant thereof. By inoculating and culturing these microorganisms in a saccharified solution, ethanol can be produced.

用いる糖化液は、糖濃度が3〜15%で、pHは3〜7が好ましい。培養温度は、20〜40℃が好ましい。エタノール発酵は、回分法でも連続法でも行うことが可能である。エタノール発酵は、上記のセルロース系バイオマスの糖化反応と同時に行うことができる(並行複発酵)。この場合は、糖化反応の条件とエタノール発酵の条件を組みあわせ、全体として生産性が最も高くなる糖濃度、温度、pHなどの条件が適宜選択すればよい。   The saccharified solution used preferably has a sugar concentration of 3 to 15% and a pH of 3 to 7. The culture temperature is preferably 20 to 40 ° C. Ethanol fermentation can be carried out either batchwise or continuously. Ethanol fermentation can be performed simultaneously with the saccharification reaction of the above-mentioned cellulosic biomass (parallel double fermentation). In this case, the conditions such as the sugar concentration, temperature, pH, etc. that give the highest productivity as a whole may be appropriately selected by combining the conditions for the saccharification reaction and the conditions for ethanol fermentation.

[実施例1]
図3に示すように、トリコデルマ・リーセイ株QM9414のbgl2変異株およびbgl2破壊株を作製した。
(1)bgl2変異遺伝子を含むベクターの作製
トリコデルマ・リーセイQM9414株由来のβ−グルコシダーゼ遺伝子(bgl2)(配列番号8)およびその上流領域と下流領域を含む染色体DNA(配列番号9)をプラスミドベクターpUC118に挿入した。得られたプラスミドベクターを鋳型として、下記に記載するオリゴヌクレオチドプライマーを用いて、PCR法により、bgl2の5’末端から1298番目の塩基Gを塩基Tに置換し、1塩基変異を導入してbgl2変異遺伝子を作製した。該変異はQM9414のβ−グルコシダーゼ(BGLII)(配列番号1)のN末から409番目のアミノ酸であるVをFに置換する変異である。得られたbgl2変異遺伝子を含むDNA断片の塩基配列について配列決定を行い、PCRエラーがないことを確認した。塩基配列の決定には、CEQTM2000XL DNA Analysis System(BECKMAN COULTER社)を使用し、操作の詳細は、付属の取扱説明書に従った。
[Example 1]
As shown in FIG. 3, a bgl2 mutant strain and a bgl2 disruption strain of Trichoderma reesei strain QM9414 were prepared.
(1) Preparation of vector containing bgl2 mutant gene β-glucosidase gene (bgl2) (SEQ ID NO: 8) derived from Trichoderma reesei QM9414 strain and chromosomal DNA (SEQ ID NO: 9) containing its upstream and downstream regions were transformed into plasmid vector pUC118. Inserted into. Using the obtained plasmid vector as a template, by using the oligonucleotide primers described below, by PCR, the 1298th base G from the 5 ′ end of bgl2 was replaced with base T, and a single base mutation was introduced to obtain bgl2 A mutant gene was prepared. This mutation is a mutation that substitutes F, which is the 409th amino acid from the N terminus of QM9414 β-glucosidase (BGLII) (SEQ ID NO: 1). The nucleotide sequence of the obtained DNA fragment containing the bgl2 mutant gene was sequenced to confirm that there were no PCR errors. For determination of the base sequence, CEQ 2000XL DNA Analysis System (BECKMAN COULTER) was used, and details of the operation were in accordance with the attached instruction manual.

bgl2変異導入用(センスプライマー):
5’−ggacgggttcaacgtcaaggggtactttgcctg−3’(配列番号10)
bgl2変異導入用(アンチセンスプライマー):
5’−acgttgaacccgtccagctccacggcggtaacc−3’(配列番号11)
For bgl2 mutation introduction (sense primer):
5′-ggacgggttcaacgtcaaggggtactttgcctg-3 ′ (SEQ ID NO: 10)
For bgl2 mutation introduction (antisense primer):
5′-acgttgaacccgtccagctccacggcggtaacc-3 ′ (SEQ ID NO: 11)

DNA断片を増幅するためのPCRの反応条件は、98℃10秒、50℃15秒、72℃5分20秒の3段階の反応を1サイクルとし、これを30サイクル繰り返した。PCRには、PrimeSTAR(登録商標) HS DNA polymerase(タカラバイオ社)を使用した。また、変異導入のためのPCRの反応条件は98℃10秒、55℃5秒、72℃45秒の3段階の反応を1サイクルとし、これを30サイクル繰り返した。   The PCR reaction conditions for amplifying the DNA fragment consisted of a three-stage reaction at 98 ° C. for 10 seconds, 50 ° C. for 15 seconds, and 72 ° C. for 5 minutes and 20 seconds, and this was repeated 30 cycles. For PCR, PrimeSTAR (registered trademark) HS DNA polymerase (Takara Bio Inc.) was used. The PCR reaction conditions for mutagenesis consisted of a three-stage reaction of 98 ° C. for 10 seconds, 55 ° C. for 5 seconds, and 72 ° C. for 45 seconds, which was repeated 30 cycles.

(2)選択マーカー遺伝子の導入
選択マーカー遺伝子であるトリコデルマ・リーセイ由来のpyr4およびその上流領域と下流領域を含むプラスミドpUpyr4をSalI処理することによりpyr4を切り出した。その後(1)でクローニングしたbgl2変異遺伝子を含むDNA断片のbgl2下流領域の制限酵素サイトApaIにpyr4を挿入した。塩基配列の決定には、CEQTM2000XL DNA Analysis System(BECKMAN COULTER社)を使用し、操作の詳細は、付属の取扱説明書に従った。
(2) Introduction of selectable marker gene The pyr4 derived from Trichoderma reesei, which is the selectable marker gene, and the plasmid pUpyr4 containing its upstream and downstream regions were excised by SalI treatment. Thereafter, pyr4 was inserted into the restriction enzyme site ApaI in the downstream region of bgl2 of the DNA fragment containing the bgl2 mutant gene cloned in (1). For determination of the base sequence, CEQ 2000XL DNA Analysis System (BECKMAN COULTER) was used, and details of the operation were in accordance with the attached instruction manual.

(3)bgl2破壊遺伝子を含むベクターの作製
トリコデルマ・リーセイ株QM9414のβ−グルコシダーゼ遺伝子(bgl2)(配列番号8)およびその上流領域と下流領域を含む染色体DNA(配列番号9)をプラスミドベクターpUC118に挿入した。得られたプラスミドについて、bgl2遺伝子内およびbgl2下流領域に存在する制限酵素サイトXhoIの間に上記(2)で得られた選択マーカーpyr4を挿入した。
(3) Preparation of vector containing bgl2 disruption gene β-glucosidase gene (bgl2) (SEQ ID NO: 8) of Trichoderma reesei strain QM9414 and a chromosomal DNA (SEQ ID NO: 9) containing the upstream and downstream regions thereof were transferred to plasmid vector pUC118. Inserted. In the obtained plasmid, the selection marker pyr4 obtained in (2) above was inserted between the restriction enzyme sites XhoI present in the bgl2 gene and in the downstream region of bgl2.

(4)Trichoderma reeseiの形質転換
構築したベクターを、それぞれTrichoderma reesei QM9414株(WT、野生株)にプロトプラストPEG法により導入した。形質転換体をアセトアミド資化能用選択培地で選抜した。培地の組成は次の通りとした。
(4) Transformation of Trichoderma reesei Each constructed vector was introduced into Trichoderma reesei QM9414 strain (WT, wild type) by protoplast PEG method. The transformant was selected with a selective medium for acetamide utilization ability. The composition of the medium was as follows.

20mg/mL グルコース、1M ソルビトール、2% agar、15mg/mL KHPO(pH5.5)、0.6mg/mL CaCl・2HO、12.5mM CsCl、0.6mg/mL MgSO・7HO、10mM Acetamide、5μg/mL FeSO・7HO、1.6μg/mL MnSO・HO、1.4μg/mL ZnSO・7HO、2μg/mL CoCl 20 mg / mL glucose, 1 M sorbitol, 2% agar, 15 mg / mL KH 2 PO 4 (pH 5.5), 0.6 mg / mL CaCl 2 · 2H 2 O, 12.5 mM CsCl 2 , 0.6 mg / mL MgSO 4 7H 2 O, 10 mM Acetamide, 5 μg / mL FeSO 4 .7H 2 O, 1.6 μg / mL MnSO 4 .H 2 O, 1.4 μg / mL ZnSO 4 .7H 2 O, 2 μg / mL CoCl 2

得られた形質転換体の染色体上のbgl2配座に(1)、(2)および(3)で構築したbgl2遺伝子変異ベクターおよびbgl2遺伝子破壊別ベクターが相同的に組み込まれていることを確認するために、下記に記載するオリゴヌクレオチドプライマーを用いてコロニーPCRを行い、正しいDNA増幅を示した株を形質転換体とした。また、bgl2遺伝子変異株については染色体上のbgl2遺伝子に変異が導入されているかどうかを確認するためにダイレクトシークエンシングを行った。   Confirm that the bgl2 gene mutation vector and the bgl2 gene disruption vector constructed in (1), (2) and (3) are homologously integrated into the bgl2 conformation on the chromosome of the obtained transformant. Therefore, colony PCR was performed using the oligonucleotide primers described below, and a strain that showed correct DNA amplification was used as a transformant. For the bgl2 gene mutant, direct sequencing was performed to confirm whether or not the mutation was introduced into the bgl2 gene on the chromosome.

得られた形質転換体のβ−グルコシダーゼ(BGLII)の発現を確認するために、胞子10個を、Trichoderma reesei用液体培地50mLを含む300mL容三角フラスコに植菌した。培地の組成は次の通りとした。
1% Avicel、0.14% (NHSO、0.2% KHPO、0.03% CaCl・2HO、0.03% MgSO・7HO、0.1% Bacto Polypepton、0.05% Bacto Yeast extract、0.1% Tween 80、0.1% Trace element、50mM 酒石酸緩衝液(pH4.0)
To confirm the expression of the resulting transformants β- glucosidase (BglII), 10 7 spores were inoculated into 300mL Erlenmeyer flask containing Trichoderma reesei liquid medium 50 mL. The composition of the medium was as follows.
1% Avicel, 0.14% (NH 4 ) 2 SO 4 , 0.2% KH 2 PO 4 , 0.03% CaCl 2 .2H 2 O, 0.03% MgSO 4 .7H 2 O, 0.1 % Bacto Polypepton, 0.05% Bacto Yeast extract, 0.1% Tween 80, 0.1% Trace element, 50 mM tartrate buffer (pH 4.0)

なお、Trace elementの組成は次の通りとした。
6mg HBO、26mg (NHMO24・4HO、100mg FeCl・6HO、40mg、CuSO・5HO、8mg MnCl・4HO、200mg ZnClを蒸留水で100mlにメスアップしたもの。
The composition of the trace element was as follows.
6 mg H 3 BO 3 , 26 mg (NH 4 ) 6 MO 7 O 24 · 4H 2 O, 100 mg FeCl 3 · 6H 2 O, 40 mg, CuSO 4 · 5H 2 O, 8 mg MnCl 2 · 4H 2 O, 200 mg ZnCl 2 Made up to 100 ml with distilled water.

220rpm、28℃で3日間培養した培養液を濾過することによって菌糸を回収し、マルチビーズショッカー(安井機械社製)を用いてジルコニアビーズ存在下にて4℃で2000rpm、30秒の処理を5回繰り返した(インターバル1分)。得られた菌体破砕液を4℃で遠心分離して得られた上清を無細胞抽出液とした。無細胞抽出液のBGL2活性をセロビオース分解活性として形質転換体では活性が失われていることを確認した。セロビオース分解活性は、Sigma社のセロビオースを用い、基質濃度21mM、pH6.0、30分の反応により生成したグルコースを和光純薬社製のグルコースキットテストワコーによって検出することによって行った。   The mycelium was collected by filtering the culture medium cultured at 220 rpm and 28 ° C. for 3 days, and treated with 2000 rpm for 30 seconds at 4 ° C. in the presence of zirconia beads using a multi-bead shocker (manufactured by Yasui Machinery Co., Ltd.). Repeated once (interval 1 minute). The supernatant obtained by centrifuging the obtained cell disruption solution at 4 ° C. was used as a cell-free extract. It was confirmed that the BGL2 activity of the cell-free extract was cellobiose degrading activity and the activity was lost in the transformant. Cellobiose decomposition activity was performed by detecting glucose produced by a 30-minute reaction with a substrate concentration of 21 mM, pH 6.0 using a glucose kit test wako manufactured by Wako Pure Chemicals, using celloose manufactured by Sigma.

[実施例2]
Trichoderma reesei QM9414株(WT)と実施例1で作製した、QM9414 bgl2変異株およびQM9414 bgl2破壊株のそれぞれの胞子10個をTrichoderma reesei用液体培地(1% Avicel)50mLを含む300mL三角フラスコに植菌した。220rpm、28℃で7日間培養後、培養液を3000rpm、15分遠心し、分離した培養上清をさらに、Miracloth(コスモバイオ社)にて濾過し、得られた濾液を酵素液として使用した。得られた酵素液20μLをSDS−PAGEに供したものが図4である。
[Example 2]
Trichoderma reesei QM9414 strain and (WT) prepared in Example 1, planted in 300mL Erlenmeyer flask containing QM9414 Bgl2 mutants and QM9414 Bgl2 respective spores 10 7 to Trichoderma reesei liquid medium (1% Avicel) destruction strain 50mL Fungus. After culturing at 220 rpm and 28 ° C. for 7 days, the culture solution was centrifuged at 3000 rpm for 15 minutes, the separated culture supernatant was further filtered with Miracloth (Cosmo Bio), and the obtained filtrate was used as an enzyme solution. FIG. 4 shows 20 μL of the obtained enzyme solution subjected to SDS-PAGE.

得られた酵素液について、CMC分解活性(CMCase活性)を測定した。CMC分解活性は、Sigma社のカルボキシメチルセルロース(Low viscosity)を用い、基質濃度1(w/v)%、pH5.0、50℃、15分間の反応により生成した還元糖を酸化銅の還元を用いる定量法(ソモジーネルソン法)でグルコースを標準にして定量し測定した。また、タンパク質量は、Bio−rad Laboratories, Inc.のQuick Start Bradford Protein Assay キットによりBovine Gamma Globulinを標準として定量した。これらの酵素活性の値とタンパク質量を図5および図6に示す。   About the obtained enzyme liquid, CMC decomposition | disassembly activity (CMCase activity) was measured. For CMC degradation activity, carboxymethylcellulose (Low viscosity) manufactured by Sigma is used, and the reducing sugar produced by the reaction at a substrate concentration of 1 (w / v)%, pH 5.0, 50 ° C. for 15 minutes is used by reduction of copper oxide. It was quantified and measured with glucose as a standard by a quantitative method (Somogy Nelson method). In addition, the amount of protein was measured using Bio-rad Laboratories, Inc. Was quantified using Bovine Gamma Globulin as a standard using the Quick Start Bradford Protein Assay kit. These enzyme activity values and protein amounts are shown in FIG. 5 and FIG.

図4に示すように、Trichoderma reeseiQM9414 bgl2変異株は、Trichoderma reeseiQM9414株(WT)と比較して各タンパク質バンドの強度が強いことがわかった。   As shown in FIG. 4, it was found that the Trichoderma reeseiQM9414 bgl2 mutant strain has a stronger intensity of each protein band than the Trichoderma reeseiQM9414 strain (WT).

また、図5に示すように、Trichoderma reeseiQM9414 bgl2変異株は、Trichoderma reeseiQM9414株(WT)と比較して、CMC分解活性が1.5倍以上と非常に高く、さらにタンパク質生産量も1.5倍以上増強されていることから、セルラーゼ酵素タンパク質の生産性が顕著に向上していることが明らかとなった。   Further, as shown in FIG. 5, the Trichoderma reeseiQM9414 bgl2 mutant has a CMC degrading activity of 1.5 times or more and a protein production amount of 1.5 times that of the Trichoderma reeseiQM9414 strain (WT). From the above enhancement, it was revealed that the productivity of the cellulase enzyme protein was remarkably improved.

各配列番号の配列は以下の通りである。
配列番号1:トリコデルマ リーセイ由来BGL IIのアミノ酸配列
配列番号2:トリコデルマ ロンジブラチアタム由来のβ−グルコシダーゼのアミノ酸配列
配列番号3:トリコデルマ ヴァイレンス由来のβ−グルコシダーゼのアミノ酸配列
配列番号4:トリコデルマ アトロビリデ由来のβ−グルコシダーゼのアミノ酸配列
配列番号5:トリコデルマ ハージャナム由来のβ−グルコシダーゼのアミノ酸配列
配列番号6:トリコデルマ ビリデ由来のβ−グルコシダーゼのアミノ酸配列
配列番号7:トリコデルマ ハージャナム由来のβ−グルコシダーゼのアミノ酸配列
配列番号8:トリコデルマ・リーセイQM9414株由来のβ−グルコシダーゼ遺伝子(bgl2)の塩基配列
配列番号9:トリコデルマ・リーセイQM9414株由来のβ−グルコシダーゼ遺伝子(bgl2)およびその上流、下流領域の塩基配列
配列番号10:bgl2変異導入用センスプライマーの塩基配列
配列番号11:bgl2変異導入用アンチセンスプライマーの塩基配列
The sequence of each SEQ ID NO is as follows.
SEQ ID NO: 1: Amino acid sequence of Trichoderma reesei derived BGL II SEQ ID NO: 2: Amino acid sequence of β-glucosidase derived from Trichoderma longibratiatum SEQ ID NO: 3: Amino acid sequence of β-glucosidase derived from Trichoderma virens SEQ ID NO: 4: Derived from Trichoderma atrobilide The amino acid sequence of β-glucosidase of SEQ ID NO: 5: The amino acid sequence of β-glucosidase derived from Trichoderma herjanum SEQ ID NO: 6: The amino acid sequence of β-glucosidase derived from Trichoderma viridae SEQ ID NO: 7: The amino acid sequence of β-glucosidase derived from Trichoderma herjanum No. 8: Base sequence of β-glucosidase gene (bgl2) derived from Trichoderma reesei QM9414 strain SEQ ID NO: 9 β-Glu derived from Trichoderma reesei QM9414 strain Oxidase gene (Bgl2) and its upstream nucleotide sequence SEQ ID NO of the downstream region 10: Bgl2 mutagenic sense primer nucleotide sequence SEQ ID NO 11: Bgl2 mutagenic nucleotide sequence of the antisense primer

本発明の変異株はこれまでの株と同等の栄養源においてセルラーゼの生産性が高められており産業上非常に有用である。また、該変異株を宿主としてセルラーゼ遺伝子プロモーターを用いた異種タンパク質の高発現化が期待できるという点で非常に有用である。   The mutant strain of the present invention is very useful industrially because cellulase productivity is enhanced in the same nutrient source as the conventional strain. Further, it is very useful in that high expression of a heterologous protein using a cellulase gene promoter can be expected with the mutant strain as a host.

Claims (15)

トリコデルマ(Trichoderma)属に属する微生物の変異株であって、野生型β−グルコシダーゼのアミノ酸配列において少なくとも1のアミノ酸残基が置換された変異株。   A mutant strain of a microorganism belonging to the genus Trichoderma, wherein at least one amino acid residue is substituted in the amino acid sequence of wild-type β-glucosidase. 前記トリコデルマ属に属する微生物が、トリコデルマ・リーセイ(Trichoderma reesei)、トリコデルマ・ビリデ(Trichoderma viride)、トリコデルマ・ロンジブラチアタム(Trichoderma longibrachiatum)からなる群から選ばれる1である請求項1に記載の変異株。   The microorganism belonging to the genus Trichoderma is selected from the group consisting of Trichoderma reesei, Trichoderma viride and Trichoderma longibrachiatum, wherein the mutation is one selected from the group consisting of Trichoderma longibrachiatum. stock. 前記トリコデルマ属に属する微生物が、トリコデルマ・リーセイ株QM9414である請求項2に記載の変異株。   The mutant strain according to claim 2, wherein the microorganism belonging to the genus Trichoderma is Trichoderma reesei strain QM9414. 野生型β−グルコシダーゼのアミノ酸配列が、配列番号1〜配列番号7のいずれか1に示されるアミノ酸配列である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の変異株。   The mutant according to any one of claims 1 to 3, wherein the amino acid sequence of wild-type β-glucosidase is the amino acid sequence represented by any one of SEQ ID NO: 1 to SEQ ID NO: 7. 野生型β−グルコシダーゼのアミノ酸配列がトリコデルマ・リーセイ株QM9414のアミノ酸配列と少なくとも50%以上の相同性を有する請求項1に記載の変異株。   The mutant according to claim 1, wherein the amino acid sequence of wild-type β-glucosidase has at least 50% or more homology with the amino acid sequence of Trichoderma reesei strain QM9414. 野生型β−グルコシダーゼのアミノ酸配列がトリコデルマ・リーセイ株QM9414のアミノ酸配列と少なくとも70%以上の相同性を有する請求項5に記載の変異株。   The mutant according to claim 5, wherein the amino acid sequence of wild-type β-glucosidase has at least 70% homology with the amino acid sequence of Trichoderma reesei strain QM9414. 野生型β−グルコシダーゼのアミノ酸配列がトリコデルマ・リーセイ株QM9414のアミノ酸配列と少なくとも80%以上の相同性を有する請求項5に記載の変異株。   The mutant according to claim 5, wherein the amino acid sequence of wild-type β-glucosidase has at least 80% homology with the amino acid sequence of Trichoderma reesei strain QM9414. 野生型βグルコシダーゼのアミノ酸配列のN末端から407〜411番目のアミノ酸において少なくとも1のアミノ酸が置換された請求項1〜7のいずれか1項に記載の変異株。   The mutant strain according to any one of claims 1 to 7, wherein at least one amino acid is substituted at the 407th to 411st amino acids from the N-terminal of the amino acid sequence of wild-type β-glucosidase. アミノ酸残基の置換が、D407P、G408W、V409F、N410HおよびV410Fからなる群から選択された少なくとも1つを含む請求項1〜8のいずれか1項に記載の変異株。   The mutant according to any one of claims 1 to 8, wherein the amino acid residue substitution comprises at least one selected from the group consisting of D407P, G408W, V409F, N410H and V410F. アミノ酸残基の置換がV409Fである請求項9に記載の変異株。   The mutant according to claim 9, wherein the amino acid residue substitution is V409F. 請求項1〜10のいずれか1項に記載の変異株を培養することにより、セルラーゼを生産することを特徴とするセルラーゼの生産方法。   A method for producing cellulase, comprising producing cellulase by culturing the mutant strain according to any one of claims 1 to 10. 請求項1〜10のいずれか1項に記載の変異株が生産するセルラーゼでセルロース系バイオマスを糖化する工程を含む、セルロース系バイオマスからの等の製造方法。   The manufacturing method from cellulosic biomass including the process of saccharifying cellulosic biomass with the cellulase which the mutant of any one of Claims 1-10 produces. 請求項12に記載の方法により得られた糖を発酵する工程を含むエタノールの製造方法。   The manufacturing method of ethanol including the process of fermenting the saccharide | sugar obtained by the method of Claim 12. トリコデルマ(Trichoderma)属に属する微生物の変異株の作製方法であって、野生型β−グルコシダーゼのアミノ酸配列において少なくとも1のアミノ酸置換を導入する変異株の作製方法。   A method for producing a mutant strain of a microorganism belonging to the genus Trichoderma, wherein at least one amino acid substitution is introduced in the amino acid sequence of wild-type β-glucosidase. トリコデルマ(Trichoderma)属に属する微生物の変異株の作製方法であって、野生型β−グルコシダーゼ遺伝子において1塩基置換を導入する変異株の作製方法。   A method for producing a mutant strain of a microorganism belonging to the genus Trichoderma, wherein a single-base substitution is introduced in a wild-type β-glucosidase gene.
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