JP2015177760A - Improved methods for ethanol production by yeast of altered metabolism - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a recombinant yeast that produces ethanol at a high efficiency from xylose or a mixed sugars of xylose and glucose and methods for producing ethanol at a high efficiency from xylose or a saccharified solution containing xylose and glucose using the same.SOLUTION: Provided is a recombinant yeast of which HAP4 gene has been destroyed (deleted), expressing a gene encoding an enzyme that metabolizes xylose to xylulose 5-phosphate. Also provided is a highly efficient method for producing ethanol from xylose or a saccharified solution containing xylose and glucose by using the recombinant yeast.

Description

本発明は、キシロース代謝能が付与され、さらにHAP4遺伝子が欠損している、キシロースやキシロースを含む混合糖からエタノールを高効率で生産できる遺伝子組換え酵母、およびそれを用いたキシロースやキシロースを含む糖化液からエタノールを高効率で生産する方法に関するものである。   The present invention includes a genetically modified yeast capable of producing ethanol with high efficiency from a mixed sugar containing xylose and xylose, which is imparted with xylose metabolic ability and lacks the HAP4 gene, and xylose and xylose using the same The present invention relates to a method for producing ethanol from a saccharified solution with high efficiency.

近年、地球温暖化対策や化石資源代替のために、食料と競合せず、原料が安価なリグノセルロース系バイオマスからエタノールを効率良く生産し、このバイオエタノールを液体燃料もしくは化学原料として利用する技術の確立が望まれている。エタノール発酵能が強く、エタノール耐性も強いことから、工業的にエタノールを生産する発酵微生物として、古くから酵母(Saccharomyces cerevisiae)が用いられてきた。またS. cerevisiaeはpH4.5付近で用いることで、他の微生物種の混入を極力抑えた連続生産が可能であるというメリットも持ち合わせている。S. cerevisiaeはグルコースなどの六炭糖を資化・発酵できるが、キシロースやアラビノースなどの五炭糖は利用することができない。リグノセルロース系バイオマス、特に広葉樹や草本はグルコースに次いでキシロースが多く含まれるので、S. cerevisiaeを用いたリグノセルロース系バイオマスからのエタノール生産において、エタノール収率の低さが実用化を妨げる一因になっていた。そのため、S. cerevisiaeにScheffersomyces (Pichia) stipitisなどの他生物由来のキシロース代謝系酵素遺伝子を導入してキシロース代謝能を付与し、嫌気的培養(発酵)によりキシロースからエタノールを生産する技術開発が世界的に進められている(特許文献1、非特許文献1、非特許文献2、非特許文献3を参照)。しかし、このような遺伝子組換え酵母においては、キシロースからのエタノール発酵効率及び発酵速度はグルコースからのものと比べて極めて低く、実用化するには依然として多くの課題が残されている。そこで、リグノセルロース系バイオマスからのバイオエタノール高効率変換技術を確立するために、上記酵母よりもキシロースからのエタノール生産能の高い酵母株が求められている。   In recent years, in order to combat global warming and replace fossil resources, there is a technology that efficiently produces ethanol from lignocellulosic biomass that does not compete with food and is inexpensive, and uses this bioethanol as a liquid fuel or chemical raw material. Establishment is desired. Yeast (Saccharomyces cerevisiae) has long been used as a fermenting microorganism for industrially producing ethanol because of its strong ethanol fermentability and ethanol tolerance. In addition, S. cerevisiae has the advantage that continuous production is possible with minimal contamination by other microbial species when used near pH 4.5. S. cerevisiae can assimilate and ferment hexoses such as glucose, but not pentoses such as xylose and arabinose. Lignocellulosic biomass, especially hardwoods and herbs, contains a large amount of xylose after glucose, so in ethanol production from lignocellulosic biomass using S. cerevisiae, the low ethanol yield is one of the factors that hinder its practical application. It was. Therefore, the world has developed technology to produce ethanol from xylose by anaerobic culture (fermentation) by introducing xylose metabolic enzyme genes from other organisms such as Schefersomyces (Pichia) stipitis into S. cerevisiae to impart xylose metabolic capacity (See Patent Literature 1, Non-Patent Literature 1, Non-Patent Literature 2, and Non-Patent Literature 3). However, in such a genetically modified yeast, ethanol fermentation efficiency and fermentation rate from xylose are extremely low compared to those from glucose, and many problems still remain for practical use. Therefore, in order to establish a bioethanol high-efficiency conversion technology from lignocellulosic biomass, a yeast strain having a higher ability to produce ethanol from xylose than the yeast is required.

特表2000-509988号公報Special Table 2000-509988

Ho NWら、Applied and Environmental Microbiology, Vol.64, pp.1852-1859 (1998)Ho NW et al., Applied and Environmental Microbiology, Vol.64, pp.1852-1859 (1998) Eliasson Aら、Applied and Environmental Microbiology, Vol.66, pp.3381-3386 (2000)Eliasson A et al., Applied and Environmental Microbiology, Vol.66, pp.3381-3386 (2000) Matsushika Aら、Applied Microbiology and Biotechnology, Vol.84, pp.37-53 (2009)Matsushika A et al., Applied Microbiology and Biotechnology, Vol.84, pp.37-53 (2009)

従来法では、リグノセルロース系バイオマス資源、特に広葉樹や草本の糖化液に多量に含まれる五炭糖のキシロースから効率的にエタノールを製造することはできなかったので、キシロースやキシロースとグルコースなどの六炭糖を含む混合糖からエタノールを安価に効率的に製造することができる有効な方法が望まれていた。これはキシロースを利用できる微生物が限られていること、またキシロースを高効率にエタノールへ変換する微生物が開発されていないこと、さらに従来のキシロース発酵性を付与した遺伝子組換え微生物でもキシロース発酵収率が低く、キシロース発酵速度が遅いことが主な原因であった。   In the conventional method, ethanol could not be efficiently produced from lignocellulosic biomass resources, especially pentose xylose contained in large amounts in saccharified liquids of broad-leaved trees and herbs. There has been a demand for an effective method capable of efficiently producing ethanol at low cost from a mixed sugar containing carbon sugar. This is because the number of microorganisms that can use xylose is limited, the microorganism that converts xylose into ethanol with high efficiency has not been developed, and even the conventional genetically modified microorganisms with xylose fermentability have yielded xylose fermentation yield. The main cause was low xylose fermentation rate.

そこで、本発明では、キシロースを高効率にエタノールへ変換する微生物およびそれを用いたエタノールの効果的な生産方法を提供することを課題とする。また本発明は、キシロースやキシロースとグルコースを含む混合糖からエタノールを高効率に生産する遺伝子組換え酵母およびそれを用いたキシロースやキシロースとグルコースを含む糖化液からエタノールを高効率に生産する方法を提供することを課題とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a microorganism that converts xylose into ethanol with high efficiency and an effective production method of ethanol using the microorganism. The present invention also relates to a genetically modified yeast that produces ethanol from xylose or a mixed sugar containing xylose and glucose with high efficiency and a method for producing ethanol from a saccharified solution containing xylose, xylose and glucose using the same. The issue is to provide.

本発明者らはキシロース資化性凝集性実用酵母MA-R4株を用いて、グルコース培地で発酵した場合とキシロース培地で発酵した場合の遺伝子発現量の差をみるためにDNAマイクロアレイ解析を行い、グルコース発酵と比べてキシロース発酵で高発現、あるいは低発現する遺伝子を抽出した(Matsushika Aら、Microbial Cell Factories, vol. 13:16 (2014))。その結果、キシロース発酵の際、嫌気的な条件であるにも関わらず、クエン酸回路における代謝酵素の遺伝子やミトコンドリアで発現している遺伝子など、本来は好気的条件下で発現する遺伝子が高発現していた。このことから、キシロース発酵の際、遺伝子組換えしたキシロース資化性酵母の細胞内は酸化的な状態に移行しているという知見を得た。しかしながらキシロースからエタノールの製造において、遺伝子組換え酵母を用いて好気条件下でエタノールを高生産させる検討は行われていない。   The present inventors performed DNA microarray analysis in order to see the difference in gene expression levels when fermented in a glucose medium and fermented in a xylose medium using the xylose-assimilating flocculant practical yeast MA-R4 strain, Genes that were expressed at higher or lower levels in xylose fermentation than in glucose fermentation were extracted (Matsushika A et al., Microbial Cell Factories, vol. 13:16 (2014)). As a result, genes that are originally expressed under aerobic conditions, such as genes for metabolic enzymes in the citrate cycle and genes expressed in mitochondria, are high in anaerobic conditions during xylose fermentation. It was expressed. From this, it was found that the xylose-assimilating yeast in the xylose fermentation was transformed into an oxidative state in the cells. However, in the production of ethanol from xylose, studies have not been conducted on high production of ethanol under aerobic conditions using genetically modified yeast.

上記課題を解決するために本発明では、遺伝子操作によってキシロース資化性の付与および転写アクティベーターをコードするHAP4遺伝子の欠失を行い、好気条件下でキシロースやキシロースとグルコースなどの六炭糖を含む混合糖からエタノールを高収率生産でき、かつキシロースおよびグルコースの消費速度が改善された遺伝子組換え酵母の作製およびそれを用いたエタノールの効果的な生産方法を提供する。   In order to solve the above problems, in the present invention, xylose utilization is imparted by gene manipulation and the HAP4 gene encoding a transcription activator is deleted, and hexoses such as xylose, xylose and glucose are aerobic. Provided is a method for producing a genetically modified yeast that can produce ethanol in a high yield from a mixed sugar containing it and that has improved consumption rates of xylose and glucose, and an effective method for producing ethanol using the same.

本発明者らは、酵母染色体に効率よく組込めるキシロース代謝系酵素(キシロース還元酵素XR、キシリトール脱水素酵素XDHおよびキシルロキナーゼXK)遺伝子発現カセットを作製し、この発現カセットを宿主酵母細胞に導入して、キシロース発酵性を付与した遺伝子組換え酵母を作製し、当該遺伝子組換え酵母が嫌気的発酵条件下でキシロースをエタノールへ高効率に生産できることを報告した(特開2009-195220号公報を参照)。この遺伝子組換え酵母において、上記課題を解決すべく鋭意検討し、キシロース代謝系酵素遺伝子発現カセットの導入に加えて、呼吸系やクエン酸回路における遺伝子の発現を調整する転写アクティベーターをコードするHAP4遺伝子について改良した。   The present inventors prepared a gene expression cassette for xylose metabolism (xylose reductase XR, xylitol dehydrogenase XDH and xylulokinase XK) that can be efficiently integrated into yeast chromosomes, and introduced this expression cassette into host yeast cells. Then, a genetically modified yeast imparted with xylose fermentability was produced, and it was reported that the genetically modified yeast can produce xylose to ethanol with high efficiency under anaerobic fermentation conditions (Japanese Patent Laid-Open No. 2009-195220). reference). In this genetically modified yeast, HAP4 gene encoding a transcriptional activator that regulates gene expression in the respiratory system and citrate circuit in addition to the introduction of xylose metabolism enzyme gene expression cassette Improved.

本発明では、キシロース資化性酵母を用いてキシロースやグルコースとキシロースを含む混合糖から高効率でエタノールを生産するために、呼吸系やクエン酸回路における遺伝子の発現を調整する転写アクティベーターをコードするHAP4遺伝子に注目し、HAP4遺伝子を破壊(欠失)した酵母に3種類のキシロース代謝系酵素(キシロース還元酵素XR、キシリトール脱水素酵素XDHおよびキシルロキナーゼXK)遺伝子を導入して恒常的発現させた。形質転換体である遺伝子組換え酵母株を好気的条件下で培養することで、キシロースやグルコースとキシロースを含む混合糖からエタノールを効率良く生産することに成功した。この遺伝子組換え酵母が、従来公知のキシロース発酵性酵母株よりも、キシロースからエタノールを高効率に生産できることを見出し、本発明を完成させるに至った(図1を参照)。HAP4遺伝子を破壊(欠失)した酵母に導入する、キシロースをキシルロース5−リン酸へと代謝する酵素は、キシロースイソメラーゼXIおよびキシルロキナーゼXKとすることもできる。   In the present invention, in order to produce ethanol with high efficiency from xylose or a mixed sugar containing glucose and xylose using xylose-assimilating yeast, it encodes a transcriptional activator that regulates gene expression in the respiratory system and citrate cycle. Focusing on the HAP4 gene, three types of xylose metabolic enzymes (xylose reductase XR, xylitol dehydrogenase XDH, and xylulokinase XK) are introduced into the yeast with disrupted (deleted) HAP4 gene for constant expression. It was. We succeeded in efficiently producing ethanol from xylose or a mixed sugar containing glucose and xylose by culturing a genetically modified yeast strain as a transformant under aerobic conditions. It was found that this genetically modified yeast can produce ethanol from xylose with higher efficiency than conventionally known xylose-fermenting yeast strains, and the present invention has been completed (see FIG. 1). The enzymes that metabolize xylose to xylulose 5-phosphate introduced into yeast in which the HAP4 gene has been disrupted (deleted) can be xylose isomerase XI and xylulokinase XK.

すなわち、本発明は以下のとおりである。
[1] キシロースをキシルロース5−リン酸へと代謝する酵素をコードする遺伝子が導入されており、さらにHAP4遺伝子が破壊、欠失、または不活性化している、キシロースからエタノールを高効率に生産できる遺伝子組換え酵母。
[2] キシロースをキシルロース5−リン酸へと代謝する酵素をコードする遺伝子が、キシロースレダクターゼ遺伝子、キシリトールデヒドロゲナーゼ遺伝子およびキシルロキナーゼ遺伝子である、[1]に記載の遺伝子組換え酵母。
[3] キシロースをキシルロース5−リン酸へと代謝する酵素をコードする遺伝子が、キシロースイソメラーゼ遺伝子およびキシルロキナーゼ遺伝子である、[1]に記載の遺伝子組換え酵母。
[4] 破壊、欠失、または不活性化しているHAP4遺伝子が酵母または細菌由来である、[1]〜[3]のいずれかに記載の遺伝子組換え酵母。
[5] 破壊、欠失、または不活性化しているHAP4遺伝子が、Saccharomyces cerevisiaeに由来する、[4]に記載の遺伝子組換え酵母。
[6] キシロースレダクターゼ遺伝子およびキシリトールデヒドロゲナーゼ遺伝子がScheffersomyces (Pichia) stipitisに由来し、かつキシルロキナーゼ遺伝子がSaccharomyces cerevisiaeに由来する、[2]、[4]または[5]に記載の遺伝子組換え酵母。
[7] キシロースイソメラーゼ遺伝子がReticulitermes speratusに由来し、かつキシルロキナーゼ遺伝子がSaccharomyces cerevisiaeに由来する、[3]〜[5]のいずれかに記載の遺伝子組換え酵母。
[8] 遺伝子組換え酵母がSaccharomyces cerevisiaeを宿主として作製される、[1]〜[7]のいずれか記載の遺伝子組換え酵母。
[9] [1]〜[8]のいずれか記載の遺伝子組換え酵母を用いた、キシロースからエタノールを生産する方法。
[10] [1]〜[8]のいずれか記載の遺伝子組換え酵母を用いた、グルコースとキシロースの混合糖からエタノールを生産する方法。
[11] [1]〜[8]のいずれか記載の遺伝子組換え酵母を用いた、リグノセルロース系バイオマスから調製した糖化液からエタノールを生産する方法。
[12]嫌気的または好気的条件下で行う、[9]〜[11]のいずれかに記載の生産方法。
That is, the present invention is as follows.
[1] A gene encoding an enzyme that metabolizes xylose to xylulose 5-phosphate has been introduced, and the HAP4 gene has been disrupted, deleted, or inactivated, and ethanol can be efficiently produced from xylose. Genetically modified yeast.
[2] The genetic recombinant yeast according to [1], wherein the genes encoding an enzyme that metabolizes xylose to xylulose 5-phosphate are a xylose reductase gene, a xylitol dehydrogenase gene, and a xylulokinase gene.
[3] The genetic recombinant yeast according to [1], wherein the genes encoding an enzyme that metabolizes xylose to xylulose 5-phosphate are a xylose isomerase gene and a xylulokinase gene.
[4] The genetic recombinant yeast according to any one of [1] to [3], wherein the HAP4 gene disrupted, deleted, or inactivated is derived from yeast or bacteria.
[5] The genetic recombinant yeast according to [4], wherein the HAP4 gene disrupted, deleted or inactivated is derived from Saccharomyces cerevisiae.
[6] The genetic recombinant yeast according to [2], [4] or [5], wherein the xylose reductase gene and the xylitol dehydrogenase gene are derived from Scheffersomyces (Pichia) stipitis and the xylulokinase gene is derived from Saccharomyces cerevisiae .
[7] The genetic recombinant yeast according to any one of [3] to [5], wherein the xylose isomerase gene is derived from Reticulitermes speratus and the xylulokinase gene is derived from Saccharomyces cerevisiae.
[8] The genetic recombinant yeast according to any one of [1] to [7], wherein the genetic recombinant yeast is produced using Saccharomyces cerevisiae as a host.
[9] A method for producing ethanol from xylose using the genetically modified yeast according to any one of [1] to [8].
[10] A method for producing ethanol from a mixed sugar of glucose and xylose using the genetically modified yeast according to any one of [1] to [8].
[11] A method for producing ethanol from a saccharified solution prepared from lignocellulosic biomass using the genetically modified yeast according to any one of [1] to [8].
[12] The production method according to any one of [9] to [11], which is performed under anaerobic or aerobic conditions.

本発明により、キシロース発酵可能な従来公知の遺伝子組換え酵母よりも、好気条件下でキシロース、キシロースとグルコースを含む混合糖、リグノセルロース系バイオマス糖化液に含まれる混合糖からエタノールを高効率に生産できる遺伝子組換え酵母を提供する。   According to the present invention, ethanol is more efficiently produced from xylose, mixed sugar containing xylose and glucose, and mixed sugar contained in lignocellulosic biomass saccharified liquid under aerobic conditions than conventionally known genetically modified yeast capable of xylose fermentation. Provided is a genetically modified yeast that can be produced.

図1−1は、本発明における遺伝子組換え酵母内のキシロース代謝経路を示す説明図である。図中、XRはキシロースレダクターゼ、XDHはキシリトールデヒドロゲナーゼ、XKはキシルロキナーゼをそれぞれ意味する。Scheffersomyces (Pichia) stipitis由来のXRおよびXDHならびにSaccharomyces cerevisiae由来のXKのそれぞれをコードする遺伝子を酵母に導入することによりキシロース発酵性を付与した遺伝子組換え酵母を作製することができる(特開2009−195220号公報)。さらに、XR、XDHおよびXKのそれぞれをコードする遺伝子を導入した遺伝子組換え酵母において、転写活性化因子HAP4の遺伝子を破壊、欠失、または不活性化することにより、好気的条件下でキシロースやキシロースを含む混合糖からエタノールを高生産する優れた五炭糖資化性を有する遺伝子組換え酵母を作製することができる。それによって、本発明における遺伝子組換え酵母はキシロースからエタノールへの変換効率が優れており、エタノールを高効率的に生産することが可能である。1-1 is explanatory drawing which shows the xylose metabolic pathway in the genetically modified yeast in this invention. In the figure, XR means xylose reductase, XDH means xylitol dehydrogenase, and XK means xylulokinase. By introducing genes encoding XR and XDH derived from Scheffersomyces (Pichia) stipitis and XK derived from Saccharomyces cerevisiae into a yeast, a genetically modified yeast imparted with xylose fermentability can be produced (JP 2009- No. 195220). Furthermore, in genetically modified yeast introduced with genes encoding each of XR, XDH and XK, the gene for the transcriptional activator HAP4 is disrupted, deleted, or inactivated under aerobic conditions. It is possible to produce a genetically modified yeast having excellent pentose utilization efficiency that produces ethanol from a mixed sugar containing xylose. Thereby, the genetically modified yeast in the present invention has an excellent conversion efficiency from xylose to ethanol, and can produce ethanol with high efficiency. 図1−2は、本発明における遺伝子組換え酵母内のキシロース代謝経路を示す説明図である。図中、XIはキシロースイソメラーゼ、XKはキシルロキナーゼをそれぞれ意味する。XIおよびXKのそれぞれをコードする遺伝子を酵母に導入することによりキシロース発酵性を付与した遺伝子組換え酵母を作製することができる(例えば特開2013-055948号公報参照)。さらに、XIおよびXKのそれぞれをコードする遺伝子を導入した遺伝子組換え酵母において、転写活性化因子HAP4の遺伝子を破壊、欠失、または不活性化することにより、好気的条件下でキシロースやキシロースを含む混合糖からエタノールを高生産する優れた五炭糖資化性を有する遺伝子組換え酵母を作製することができると考えられる。1-2 is explanatory drawing which shows the xylose metabolic pathway in the genetically modified yeast in this invention. In the figure, XI means xylose isomerase, and XK means xylulokinase. By introducing a gene encoding each of XI and XK into the yeast, a genetically modified yeast imparted with xylose fermentability can be produced (see, for example, JP-A-2013-055948). Furthermore, in transgenic yeast introduced with genes encoding XI and XK, the gene for the transcriptional activator HAP4 is disrupted, deleted, or inactivated, so that xylose or xylose can be obtained under aerobic conditions. It is considered that a genetically modified yeast having an excellent pentose utilization ability that produces ethanol at a high yield from a mixed sugar containing sucrose can be produced. 図2は、2種類の遺伝子組換え酵母(MA-B42株およびB42-DHAP4株)の、SX培地における嫌気的エタノール発酵能(SX培地におけるエタノール生産量)を示す特性図である。FIG. 2 is a characteristic diagram showing the anaerobic ethanol fermentation ability (ethanol production amount in the SX medium) of the two types of genetically modified yeast (MA-B42 strain and B42-DHAP4 strain). 図3は、2種類の遺伝子組換え酵母(MA-B42株およびB42-DHAP4株)の、SX培地における好気的エタノール生産能(キシロース消費量(A)およびエタノール生産量(B))を示す特性図である。FIG. 3 shows the aerobic ethanol production ability (xylose consumption (A) and ethanol production (B)) in SX medium of two types of genetically modified yeasts (MA-B42 strain and B42-DHAP4 strain). FIG. 図4は、2種類の遺伝子組換え酵母(MA-B42株およびB42-DHAP4株)の、SDX培地における好気的エタノール生産能(キシロースおよびグルコース消費量(A)およびエタノール生産量(B))を示す特性図である。FIG. 4 shows the aerobic ethanol production capacity (xylose and glucose consumption (A) and ethanol production (B)) in SDX medium of two types of genetically modified yeast (MA-B42 strain and B42-DHAP4 strain). FIG. 図5は、2種類の遺伝子組換え酵母(MA-B42株およびB42-DHAP4株)の、スギ糖化液における好気的エタノール生産能(キシロースおよびグルコース消費量(A)およびエタノール生産量(B))を示す特性図である。FIG. 5 shows the aerobic ethanol production capacity (xylose and glucose consumption (A) and ethanol production (B) of cedar saccharified solution of two types of genetically modified yeasts (MA-B42 strain and B42-DHAP4 strain). FIG.

本発明のキシロースからエタノールを高効率に生産できる遺伝子組換え酵母は、キシロースをキシルロース5−リン酸へと代謝する酵素をコードする遺伝子が導入されており、かつHAP4遺伝子が破壊、欠失、または不活性化している。キシロースをキシルロース5−リン酸へと代謝する経路としては、主に2つの方法がある。1つはXR、XDH、及びXK遺伝子を導入する方法である(図1−1参照)。別の方法はXI及びXK遺伝子を導入する方法である(図1−2参照)。すなわち、ある実施形態においてキシロースをキシルロース5−リン酸へと代謝する酵素をコードする遺伝子は、XR、XDH、及びXK遺伝子である。別の実施例においてキシロースをキシルロース5−リン酸へと代謝する酵素をコードする遺伝子は、XI及びXK遺伝子である。これらについて以下に説明する。   In the genetically modified yeast capable of producing ethanol from xylose of the present invention with high efficiency, a gene encoding an enzyme that metabolizes xylose to xylulose 5-phosphate is introduced, and the HAP4 gene is disrupted, deleted, or Inactive. There are mainly two methods for metabolizing xylose to xylulose 5-phosphate. One is a method of introducing XR, XDH, and XK genes (see FIG. 1-1). Another method is to introduce XI and XK genes (see FIG. 1-2). That is, in one embodiment, the genes encoding enzymes that metabolize xylose to xylulose 5-phosphate are the XR, XDH, and XK genes. In another example, the genes encoding enzymes that metabolize xylose to xylulose 5-phosphate are the XI and XK genes. These will be described below.

XRは、キシロースをキシリトールに変換する反応を触媒する酵素である。XR遺伝子は、かかる酵素をコードする遺伝子であれば特に限定されないが、Candida Shehatae、Scheffersomyces (Pichia) stipitis、Pachysolen tannophilus、およびKluyveromyces marxianusなどの酵母に由来する。好ましくは、XR遺伝子は、Scheffersomyces (Pichia) stipitisに由来するものである。Scheffersomyces (Pichia) stipitisのXR遺伝子は、GeneBankに登録番号XM_001385144(配列番号1)として登録されており、これらの遺伝子情報を利用することができる。   XR is an enzyme that catalyzes the reaction of converting xylose to xylitol. The XR gene is not particularly limited as long as it encodes such an enzyme, but is derived from yeasts such as Candida Shehatae, Scheffersomyces (Pichia) stipitis, Pachysolen tannophilus, and Kluyveromyces marxianus. Preferably, the XR gene is derived from Scheffersomyces (Pichia) stipitis. The XR gene of Scheffersomyces (Pichia) stipitis is registered in GeneBank as registration number XM_001385144 (SEQ ID NO: 1), and these gene information can be used.

XDHは、キシリトールをキシルロースに変換する反応を触媒する酵素である。XDH遺伝子は、かかる酵素をコードする遺伝子であれば、特に限定されないが、Candida Shehatae、Scheffersomyces (Pichia) stipitis、Pachysolen tannophilus、およびKluyveromyces marxianusなどの酵母に由来する。好ましくは、XDH遺伝子は、Scheffersomyces (Pichia) stipitisに由来するものである。Scheffersomyces (Pichia) stipitisのXDH遺伝子は、GeneBankに登録番号AF127801またはX55392(配列番号2)として登録されており、これらの遺伝子情報を利用することができる。   XDH is an enzyme that catalyzes a reaction for converting xylitol into xylulose. The XDH gene is not particularly limited as long as it encodes such an enzyme, but is derived from yeasts such as Candida Shehatae, Scheffersomyces (Pichia) stipitis, Pachysolen tannophilus, and Kluyveromyces marxianus. Preferably, the XDH gene is derived from Scheffersomyces (Pichia) stipitis. The XDH gene of Scheffersomyces (Pichia) stipitis is registered in GeneBank as registration number AF127801 or X55392 (SEQ ID NO: 2), and information on these genes can be used.

XKは、キシルロースとATPを、キシルロース5リン酸とADPに変換する反応を触媒する酵素である。XK遺伝子は、かかる酵素をコードする遺伝子であれば、特に限定されないが、Candida Shehatae、Scheffersomyces (Pichia) stipitis、Pachysolen tannophilus、Kluyveromyces marxianus、Saccharomyces cerevisiae、Schizosaccaromyces pombeおよびEscherichia coliなどの酵母または細菌に由来する。好ましくは、XK遺伝子は、Saccharomyces cerevisiaeに由来するものである。Saccharomyces cerevisiaeのXK遺伝子は、GeneBankにNC_001139.7(配列番号3)として登録されており、これらの遺伝子情報を利用することができる。   XK is an enzyme that catalyzes the reaction of converting xylulose and ATP into xylulose pentaphosphate and ADP. The XK gene is not particularly limited as long as it encodes such an enzyme. . Preferably, the XK gene is derived from Saccharomyces cerevisiae. The XK gene of Saccharomyces cerevisiae is registered as NC_001139.7 (SEQ ID NO: 3) in GeneBank, and such gene information can be used.

XIはキシロースをキシルロースに変換する反応を触媒する酵素である。XI遺伝子は、かかる酵素をコードする遺伝子であれば、特に限定されないが、例えばReticulitermes speratusなどに由来する。Reticulitermes speratus由来のXI遺伝子は、配列番号5の遺伝子情報を利用することができる。   XI is an enzyme that catalyzes the reaction of converting xylose to xylulose. The XI gene is not particularly limited as long as it encodes such an enzyme, but is derived from, for example, Reticulitermes speratus. The gene information of SEQ ID NO: 5 can be used for the XI gene derived from Reticulitermes speratus.

HAP4は酸化的リン酸化、呼吸系、電子伝達系、クエン酸回路における遺伝子群の発現を調節する転写因子HAP2/3/4/5複合体のアクティベーターサブユニットであり、HAP複合体の調節部位である。また、その発現はグルコースにより抑制を受ける(Brons JFら、Yeast, Vol.19, pp.923-932 (2002))。HAP4遺伝子は、呼吸等に関わる遺伝子の転写を活性化する因子をコードする遺伝子であれば特に限定されないが、Kluyveromyces lactis、Saccharomyces cerevisiae、Schizosaccaromyces pombeおよびAspergillus属などの酵母または糸状菌に由来する。好ましくは、HAP4遺伝子は、Saccharomyces cerevisiaeに由来するものである。Saccharomyces cerevisiaeのHAP4遺伝子は、GeneBankに登録番号X16727またはX71133(配列番号4)として登録されており、これらの遺伝子情報を利用することができる。   HAP4 is an activator subunit of the transcription factor HAP2 / 3/4/5 complex that regulates the expression of genes in the oxidative phosphorylation, respiratory system, electron transport system, and citrate cycle. is there. In addition, its expression is suppressed by glucose (Brons JF et al., Yeast, Vol. 19, pp. 923-932 (2002)). The HAP4 gene is not particularly limited as long as it encodes a factor that activates transcription of a gene involved in respiration and the like, but is derived from yeasts or filamentous fungi such as Kluyveromyces lactis, Saccharomyces cerevisiae, Schizosaccaromyces pombe, and Aspergillus. Preferably, the HAP4 gene is derived from Saccharomyces cerevisiae. The HAP4 gene of Saccharomyces cerevisiae is registered in GeneBank as registration number X16727 or X71133 (SEQ ID NO: 4), and information on these genes can be used.

上記の遺伝子は、それぞれの遺伝子配列に基づいて、当業者に周知である一般的な方法、例えば、ハイブリダイゼーション法、PCR法等によって得ることができる。   The above genes can be obtained based on the respective gene sequences by general methods well known to those skilled in the art, for example, hybridization methods, PCR methods, and the like.

本明細書においてHAP4遺伝子を破壊、欠失、または不活性化させる、とは、HAP4遺伝子がコードするタンパク質がその機能を発揮できないようにHAP4遺伝子を破壊すること、欠失させること、発現を抑制することまたは不活性化させることをいう。HAP4遺伝子を破壊、欠失、または不活性化させる方法は、当業者に周知である一般的な分子生物学的手法を用いて行うことができ、特に限定されないが例えば相同組換え、例えばSOE-PCR法(Gene,77,61 (1989))によって調製される欠失用DNA断片を挿入した欠失用プラスミドを用いた相同組換えにより、宿主細胞より当該遺伝子を欠失または不活性化させることができる。   In this specification, to disrupt, delete, or inactivate the HAP4 gene means to disrupt, delete, or suppress the expression of the HAP4 gene so that the protein encoded by the HAP4 gene cannot perform its function. To do or to inactivate. Methods for disrupting, deleting, or inactivating the HAP4 gene can be performed using general molecular biology techniques well known to those skilled in the art, and are not particularly limited, for example, homologous recombination, such as SOE- Deletion or inactivation of the gene from the host cell by homologous recombination using a deletion plasmid inserted with the deletion DNA fragment prepared by PCR (Gene, 77, 61 (1989)) Can do.

また、PCRを利用した遺伝子破壊やランダム変異および部位特異的変異によっても得ることができる。一般的に、PCRを利用した遺伝子破壊では、プライマーで抗生物質耐性遺伝子カセットをPCRで増幅してターゲット遺伝子と置き換える。ランダム変異法では、遺伝子シャッフリングやエラープローンPCRを用いて変異体プールを構築し、その中から目的の性質に改変された変異体をスクリーニングする。部位特異的変異法では、既知のHAP4遺伝子配列を基に設計した、所定の位置に変異を導入したHAP4クローニング用プライマーを用いてPCRを行うことによって、クローニングされたHAP4遺伝子の所定の位置に変異を導入することができる。ある実施形態においてHAP4遺伝子破壊株または欠失株のことをHAP4破壊株、ΔHAP4株またはDHAP4株と記載することがある。   It can also be obtained by gene disruption using PCR, random mutation, and site-specific mutation. In general, in gene disruption using PCR, an antibiotic resistance gene cassette is amplified by PCR with a primer and replaced with a target gene. In the random mutation method, a mutant pool is constructed using gene shuffling or error-prone PCR, and mutants modified to the desired properties are screened. In site-directed mutagenesis, PCR is performed using a primer for cloning HAP4 that has been designed based on a known HAP4 gene sequence and mutations are introduced at a predetermined position, thereby mutating at a predetermined position of the cloned HAP4 gene. Can be introduced. In some embodiments, the HAP4 gene disruption strain or deletion strain may be referred to as a HAP4 disruption strain, ΔHAP4 strain, or DHAP4 strain.

また、必要に応じてXDHは、補酵素要求性が変化した改変型を用いても良い。XDHのアミノ酸配列の207番目から211番目に対応するアミノ酸の少なくとも1つを他のアミノ酸、例えば、アラニン、アルギニン、セリンまたはスレオニンに置換させたものが好ましい。XDHのアミノ酸配列で207番目のアスパラギン酸をアラニンに置換させたもの、208番目のイソロイシンをアルギニンに置換させたもの、アミノ酸配列の209番目のフェニルアラニンをセリンもしくはスレオニンに置換させたもの、およびアミノ酸配列の211番目のアスパラギンをアルギニンに置換させたものが特に好ましい。さらに好ましくは、XDHのアミノ酸配列の207番目のアスパラギン酸をアラニン、208番目のイソロイシンをアルギニン、209番目のフェニルアラニンをセリン、および211番目のアスパラギンをアルギニンに置換したものである(特開2009-195220号公報;Watanabe S.ら、The Journal of Biological Chemistry Vol.280, No.11, pp.10340-10349 (2005)を参照)。改変型XDHは、補酵素としてNADP+を利用してNADPHに変換することができる。 In addition, XDH may be used in a modified form in which coenzyme requirement is changed as necessary. It is preferable to substitute at least one of the amino acids corresponding to the 207th to 211st amino acids of XDH with another amino acid, for example, alanine, arginine, serine or threonine. XDH amino acid sequence with 207th aspartic acid substituted with alanine, 208th isoleucine with arginine, amino acid sequence with 209th phenylalanine substituted with serine or threonine, and amino acid sequence Of these, those obtained by substituting arginine for the 211st asparagine are particularly preferred. More preferably, 207th aspartic acid in the amino acid sequence of XDH is substituted with alanine, 208th isoleucine with arginine, 209th phenylalanine with serine, and 211st asparagine with arginine (Japanese Patent Laid-Open No. 2009-195220). No. Publication; see Watanabe S. et al., The Journal of Biological Chemistry Vol. 280, No. 11, pp. 10340-10349 (2005)). Modified XDH can be converted to NADPH using NADP + as a coenzyme.

本発明の一実施形態において、これら目的の酵素遺伝子を宿主細胞内にて発現させる。その方法は、当業者に公知である一般的な分子生物学的手法を用いて行うことができる(Sambrook J.ら、“Molecular Cloning A LBORATORY MANUAL /second edition”, Cold Spring Harbor Laboratory Press (1989)参照)。すなわち、当該酵素をコードする遺伝子を適当なベクターに組み込み、そのベクターを用いて適当な宿主生物を形質転換することにより行うことができる。   In one embodiment of the present invention, these target enzyme genes are expressed in host cells. The method can be performed using general molecular biological techniques known to those skilled in the art (Sambrook J. et al., “Molecular Cloning A LBORATORY MANUAL / second edition”, Cold Spring Harbor Laboratory Press (1989) reference). That is, it can be carried out by incorporating a gene encoding the enzyme into an appropriate vector and transforming an appropriate host organism using the vector.

ベクターとしては、遺伝子の導入および発現のために当業者に公知である一般的な酵母発現ベクターを用いることができる。酵母に導入する際に用いるベクターとしては、多コピー型(YEp型)、単コピー型(YCp型)、染色体組み込み型(YIp型)のいずれも用いることが可能である。   As the vector, a general yeast expression vector known to those skilled in the art for gene introduction and expression can be used. As a vector used for introduction into yeast, any of a multicopy type (YEp type), a single copy type (YCp type), and a chromosome integration type (YIp type) can be used.

ベクターには、上記酵素遺伝子および/またはトランスポーター遺伝子を一または複数を含めることができる。また、ベクターには、目的の酵素遺伝子および/またはトランスポーター遺伝子の他に、宿主細胞における複製を可能とする複製起点、および形質転換体を同定する選択マーカー、さらに、好ましくは、酵母由来の適切な転写または翻訳制御配列が、所望により酵素の遺伝子配列に連結されて含まれ得る。制御配列の例には、転写プロモーター、オペレーター、またはエンハンサー、mRNAリボソーム結合部位、ならびに転写および翻訳開始および終結を調節する適切な配列が含まれる。用いることができる転写プロモーターは、宿主細胞内にて遺伝子発現を駆動できる限り、特に限定されず、例えばGAL1プロモーター、GAL10プロモーター、ヒートショックタンパク質プロモーター、MFα1プロモーター、PHO5プロモーター、PGKプロモーター、GAPプロモーター、ADH1プロモーター、AOX1プロモーター等を用いることができるが、遺伝子を構成的に発現可能であるPGKプロモーターを用いるのが好ましい。選択マーカーとしては、通常使用されるものを常法により用いることができる。例えばテトラサイクリン、アンピシリン、またはカナマイシンもしくはネオマイシン、ハイグロマイシンまたはスペクチノマイシン等の抗生物質耐性遺伝子やHIS3、TRP1などの栄養要求性遺伝子などが例示される。   The vector can contain one or more of the enzyme genes and / or transporter genes. In addition to the target enzyme gene and / or transporter gene, the vector includes a replication origin that enables replication in a host cell, a selection marker for identifying a transformant, and preferably a yeast-derived appropriate gene. Transcriptional or translational control sequences may be included, optionally linked to the enzyme gene sequence. Examples of regulatory sequences include transcription promoters, operators or enhancers, mRNA ribosome binding sites, and appropriate sequences that regulate transcription and translation initiation and termination. The transcription promoter that can be used is not particularly limited as long as it can drive gene expression in the host cell. For example, GAL1 promoter, GAL10 promoter, heat shock protein promoter, MFα1 promoter, PHO5 promoter, PGK promoter, GAP promoter, ADH1 A promoter, AOX1 promoter or the like can be used, but it is preferable to use a PGK promoter capable of constitutively expressing the gene. As the selection marker, a commonly used marker can be used by a conventional method. Examples include tetracycline, ampicillin, antibiotic resistance genes such as kanamycin or neomycin, hygromycin or spectinomycin, and auxotrophic genes such as HIS3 and TRP1.

宿主細胞として用いることができるものとしては、特に限定するものではないがCandida Shehatae、Scheffersomyces (Pichia) stipitis、Pachysolen tannophilus、Kluyveromyces marxianus、Saccharomyces cerevisiae、およびSchizosaccaromyces pombeなどの酵母が挙げられ、特にSaccharomyces cerevisiaeが好ましい。   Examples of host cells that can be used include, but are not limited to, yeasts such as Candida Shehatae, Scheffersomyces (Pichia) stipitis, Pachysolen tannophilus, Kluyveromyces marxianus, Saccharomyces cerevisiae, and Schizosaccaromyces pombe. preferable.

ベクターを宿主細胞に導入する方法としては、リン酸カルシウム法または塩化カルシウム/塩化ルビジウム法、エレクトロポレーション法、エレクトロインジェクション法、PEGなどの化学的な処理による方法、遺伝子銃などを用いる方法などが挙げられる。   Examples of a method for introducing a vector into a host cell include a calcium phosphate method or a calcium chloride / rubidium chloride method, an electroporation method, an electroinjection method, a method using chemical treatment such as PEG, and a method using a gene gun. .

好ましくは、XR、XDH、およびXK、またはXIおよびXKは、宿主細胞において構成的に発現させる。例えば、XR、XDH、およびXK遺伝子、またはXIおよびXK遺伝子を染色体組込み型ベクター等に導入した後、酵母染色体上に組込み、シングルまたは数コピーで発現させるのが好ましい。これらの遺伝子は、まとめて一つの対立遺伝子上に相同組換えによって染色体DNAに組込まれても良く、また、各遺伝子がそれぞれ別々の対立遺伝子上に相同組換えによって染色体DNAに組込まれても良い。好ましくは、XR、XDH、およびXK遺伝子、またはXIおよびXK遺伝子は、まとめて宿主のDNA上の一つの対立遺伝子上に組込まれている。本発明においては、XR、XDH、およびXK遺伝子の染色体組込み型ベクターについては、特開2009-195220号公報に記載のものを利用することができる。また、本発明においては、特開2009-195220号公報に記載のXR、XDH、およびXK遺伝子が染色体DNAに組込まれた遺伝子組換え酵母を利用することができる。本発明において、XIおよびXK遺伝子をコードするベクターやXIおよびXK遺伝子が組込まれた遺伝子組換え酵母としては例えばvan Maris A.J.ら、Advances in Biochemical Engineering / Biotechnology Vol.108, pp.179-204 (2007)を利用することができる。   Preferably, XR, XDH, and XK, or XI and XK are constitutively expressed in the host cell. For example, it is preferable to introduce the XR, XDH, and XK genes, or the XI and XK genes into a chromosome integration type vector or the like, and then integrate the yeast chromosome into a single chromosome or several copies. These genes may be integrated together into chromosomal DNA by homologous recombination on one allele, or each gene may be integrated into chromosomal DNA by homologous recombination on separate alleles. . Preferably, the XR, XDH, and XK genes, or the XI and XK genes are combined together on one allele on the host DNA. In the present invention, XR, XDH, and XK gene chromosomal integration vectors described in JP-A-2009-195220 can be used. In the present invention, a genetically modified yeast in which the XR, XDH, and XK genes described in JP-A-2009-195220 are incorporated into chromosomal DNA can be used. In the present invention, vectors encoding the XI and XK genes and genetically modified yeasts into which the XI and XK genes are incorporated include, for example, van Maris AJ et al., Advances in Biochemical Engineering / Biotechnology Vol. 108, pp.179-204 (2007 ) Can be used.

上記XR、XDH、およびXK遺伝子が導入された遺伝子組換え酵母またはXIおよびXK遺伝子が導入された遺伝子組み換え酵母を宿主株にして、HAP4遺伝子を破壊、欠失、または不活性化させることによって、目的の遺伝子組換え酵母を得ることができる。あるいは、上記HAP4遺伝子を破壊、欠失、または不活性化させた遺伝子組換え酵母を宿主株にして、XR、XDH、およびXK遺伝子を構成的に過剰発現させるまたはXIおよびXK遺伝子を構成的に過剰発現させることによって、目的の遺伝子組換え酵母を得ることができる。   By using the genetically modified yeast introduced with the XR, XDH, and XK genes or the genetically modified yeast introduced with the XI and XK genes as a host strain, the HAP4 gene is disrupted, deleted, or inactivated, The target genetically modified yeast can be obtained. Alternatively, a genetically modified yeast in which the HAP4 gene is disrupted, deleted, or inactivated is used as a host strain, and the XR, XDH, and XK genes are constitutively overexpressed, or the XI and XK genes are constitutively The target genetically modified yeast can be obtained by overexpression.

XR、XDH、およびXK、またはXIおよびXKを構成的に発現させる方法は、上記の方法によって行うことができる。   The method of constitutively expressing XR, XDH, and XK, or XI and XK can be performed by the method described above.

宿主細胞および当該宿主細胞を欠失または不活性化させた遺伝子を用いて形質転換する方法は、上に定義するとおりである。   A host cell and a method for transformation using a gene in which the host cell has been deleted or inactivated are as defined above.

本発明に係る遺伝子組換え酵母は、固相に固定化されていても良い。固相としては例えば、ポリアクリルアミドゲル、ポリスチレン樹脂、多孔性ガラス、金属酸化物などが挙げられる(特にこれらに限定されない)。本発明に係る遺伝子組換え酵母を固相に固定することによって、連続反復使用が可能となる点において有利である。   The genetic recombinant yeast according to the present invention may be immobilized on a solid phase. Examples of the solid phase include, but are not limited to, polyacrylamide gel, polystyrene resin, porous glass, and metal oxide. By immobilizing the genetically modified yeast according to the present invention to a solid phase, it is advantageous in that continuous repeated use is possible.

本発明に係る遺伝子組換え酵母は、キシロース発酵可能な従来公知の遺伝子組換え酵母(例えば、特開2009-195220号公報に記載の遺伝子組換え酵母)と比べて、好気条件下でキシロースからエタノール生産が可能で、キシロース消費速度およびグルコース消費速度が速く、かつこれらの混合糖から高効率でエタノールへ変換することができる。   The genetically modified yeast according to the present invention can be obtained from xylose under aerobic conditions as compared with a conventionally known genetically modified yeast capable of xylose fermentation (for example, a genetically modified yeast described in JP-A-2009-195220). Ethanol production is possible, xylose consumption rate and glucose consumption rate are fast, and these mixed sugars can be converted into ethanol with high efficiency.

本発明に係る遺伝子組換え酵母は、好気および嫌気条件下でキシロースからエタノールを生産することが可能である。その際、培地に含まれるキシロースの濃度は、0.1〜20 %、好ましくは0.5 %〜5 %、さらに好ましくは、0.7 %〜2 %であり、また培地に含まれるグルコースの濃度は、0.1〜20 %、好ましくは0.2〜10 %、さらに好ましくは、4 %〜8 %である。   The genetic recombinant yeast according to the present invention can produce ethanol from xylose under aerobic and anaerobic conditions. At that time, the concentration of xylose contained in the medium is 0.1 to 20%, preferably 0.5% to 5%, more preferably 0.7% to 2%, and the concentration of glucose contained in the medium is 0.1 to 20%. %, Preferably 0.2 to 10%, and more preferably 4% to 8%.

また、本発明に係る遺伝子組換え酵母は、発酵反応によりリグノセルロース系バイオマスから調整した糖化液からエタノールを生産することが可能である。糖化液は、特に限定するものではないが、木質(特にキシランを多く含む広葉樹)や農産廃棄物等の草本などのリグノセルロース系バイオマスに由来するものから調製することが可能である。糖化液を調製するための糖化技術は、当該分野において一般的な手法を用いることができ、酸分解法でも良いし酵素糖化法でも良いが、好ましくは、高効率と低環境負荷が期待できる非硫酸前処理・酵素糖化法である。実際、酵母を用いて発酵させる際には、解毒処理していない糖化液を直接用いても良いし、解毒処理した糖化液を用いても良い。糖化液のpHは未処理の酸性糖化液を用いても良いし、中性付近に調整してから用いても良いが、好ましくは中性付近に調整してから用いる。糖化液にyeast extractやpeptoneなどの栄養源を加えても良いし、加えなくても良いが、好ましくは1 %のyeast extractを加える。   Moreover, the genetically modified yeast according to the present invention can produce ethanol from a saccharified solution prepared from lignocellulosic biomass by fermentation reaction. The saccharified solution is not particularly limited, but can be prepared from lignocellulosic biomass such as woody materials (particularly hardwoods rich in xylan) and herbs such as agricultural waste. As a saccharification technique for preparing a saccharified solution, a general method in the field can be used, and either an acid decomposition method or an enzymatic saccharification method may be used. This is a sulfuric acid pretreatment / enzymatic saccharification method. In fact, when fermenting using yeast, a saccharified solution that has not been detoxified may be used directly, or a saccharified solution that has been detoxified may be used. The pH of the saccharified solution may be an untreated acidic saccharified solution or may be used after being adjusted to near neutrality, but is preferably used after being adjusted to near neutrality. Nutrient sources such as yeast extract and peptone may or may not be added to the saccharified solution, but preferably 1% yeast extract is added.

上記培養によるエタノール生産反応は、当業者に公知である一般的な方法によって行うことが可能である。培養温度は25 ℃〜38 ℃、好ましくは27 ℃〜33 ℃、さらに好ましくは30 ℃に制御する。培地のpHは、3.0〜7.6、好ましくは、5.0〜6.0、さらに好ましくは5.5に制御する。培養条件は嫌気的であっても好気的であってもよい。例えば本発明に係る遺伝子組換え酵母は嫌気条件の発酵反応でもキシロースやグルコースとの混合糖からエタノールを生産できるが、キシロース発酵可能な従来公知の遺伝子組換え酵母より優れたエタノール生産性を得るには酸素が存在する状態が必要であり、そのため、培養させる前に系内の酸素濃度および培地中の溶存酸素濃度を上げる操作(例えば、三角フラスコ等で実施する場合は、培養液に対して十分な上部空間を取り、シリコンチューブ等で栓をし、通気培養や振盪培養する)を行うことが好ましい。反応は、連続式で行っても、バッチ式で行っても良い。   The ethanol production reaction by the culture can be performed by a general method known to those skilled in the art. The culture temperature is controlled to 25 ° C to 38 ° C, preferably 27 ° C to 33 ° C, more preferably 30 ° C. The pH of the medium is controlled to 3.0 to 7.6, preferably 5.0 to 6.0, and more preferably 5.5. The culture conditions may be anaerobic or aerobic. For example, although the genetically modified yeast according to the present invention can produce ethanol from a mixed sugar with xylose and glucose even in anaerobic fermentation reaction, ethanol productivity superior to conventionally known genetically modified yeast capable of xylose fermentation can be obtained. Requires an oxygen-existing state, so the oxygen concentration in the system and the dissolved oxygen concentration in the medium are increased before culturing (for example, when performed in an Erlenmeyer flask, etc.) It is preferable to take a large upper space, plug it with a silicon tube or the like, and perform aeration culture or shaking culture). The reaction may be performed continuously or batchwise.

培養開始から0〜192時間、好ましくは0〜96時間、さらに好ましくは、72時間後の培地を回収してエタノールを分離する。培地よりエタノールを分離する方法は、蒸留、浸透気化膜等の公知の方法が用いられるが、蒸留による方法が好ましい。次いで、分離したエタノールをさらに精製(エタノール精製法としては、公知の方法、例えば蒸留等を用いることができる)することによって、エタノールを得ることができる。   The culture medium after 0 to 192 hours, preferably 0 to 96 hours, more preferably 72 hours after the start of the culture is collected to separate ethanol. As a method for separating ethanol from the medium, known methods such as distillation and pervaporation membrane are used, but a method by distillation is preferred. Subsequently, ethanol can be obtained by further purifying the separated ethanol (a known method such as distillation can be used as an ethanol purification method).

本発明を以下の実施例によって具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。   The present invention will be specifically described by the following examples, but the present invention is not limited to these examples.

実施例1:遺伝子組換え酵母株の作製
HAP4転写アクティベーターのエタノール生産における重要性を検討するために、HAP4遺伝子を欠損したノックアウト酵母にキシロース代謝系遺伝子発現カセットを導入して形質転換酵母を作製し、HAP4遺伝子が破壊されていない野性型酵母にキシロース代謝系酵素遺伝子を導入したコントロール株と共に、これら遺伝子組換え酵母株のキシロースからのエタノール生産能を比較した。
Example 1: Production of genetically modified yeast strain
In order to examine the importance of HAP4 transcriptional activator in ethanol production, a transformed yeast is prepared by introducing a xylose metabolic gene expression cassette into knockout yeast lacking the HAP4 gene, and a wild type yeast in which the HAP4 gene is not destroyed. The ability of ethanol production from xylose of these genetically modified yeast strains was compared with control strains into which xylose metabolic enzyme genes were introduced.

そのために、ノックアウト酵母のコレクションの中からHAP4遺伝子を欠損した酵母をオープンバイオシステムズ社から取得し(親株はBY4742株)、キシロース代謝系酵素(XR、XDHおよびXK)遺伝子を酵母染色体に組み込める発現カセットpAURXKXDH(WT)XR(特願2008-211274(特開2009-195220)を参照)をYEASTMAKER yeast transformation system 2(クロンテック社)を用いてリチウム酢酸法により形質転換して、キシロース資化性を付与した遺伝子組換え酵母B42-DHAP4株を作製した。一方、BY4742株にpAURXKXDH(WT)XRを導入して遺伝子組換え酵母MA-B42株(コントロール株)を作製した。これら組換え酵母株におけるXR、XDH、XK活性を測定したところ(特願2008-211274(特開2009-195220)を参照)、いずれも高い酵素活性を保持していることが分かった。   For this purpose, a yeast lacking the HAP4 gene from the knockout yeast collection was obtained from Open Biosystems (the parent strain is BY4742), and an xylose metabolic enzyme (XR, XDH and XK) gene is integrated into the yeast chromosome. pAURXKXDH (WT) XR (see Japanese Patent Application No. 2008-211274 (JP 2009-195220)) was transformed by the lithium acetic acid method using YEASTMAKER yeast transformation system 2 (Clontech) to impart xylose utilization A recombinant yeast strain B42-DHAP4 was prepared. On the other hand, pAURXKXDH (WT) XR was introduced into BY4742 strain to produce genetically modified yeast MA-B42 strain (control strain). When XR, XDH, and XK activities in these recombinant yeast strains were measured (see Japanese Patent Application No. 2008-211274 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-195220)), it was found that all retained high enzyme activity.

実施例2:遺伝子組換え酵母の培養(1)
まずは通常のエタノール発酵実験のために、HAP4遺伝子を欠損したノックアウト酵母(B42-DHAP4株)とそのコントロール酵母(MA-B42株)を、20 g/lグルコースを含む合成培地(20 g/l ポリペプトン、 10 g/l yeast extract : YPD培地)において30℃で36時間、好気的に培養した。遠心分離により集菌後、滅菌水で洗浄し、20 mlの発酵用培地(20 g/lキシロースを含む最少培地: SX培地(20 g/l キシロース、7 g/l NH4Cl、5 g/l KH2PO4、0.8 g/l MgSO4・7H2O、pH 5.0))またはSDX培地(20 g/l キシロース、40 g/l グルコース、7 g/l NH4Cl、5 g/l KH2PO4、0.8 g/l MgSO4・7H2O、pH 5.0))に適量を接種した(菌体量を統一)。発酵液は攪拌棒を入れた50 mlの密封型のバイアルにおいて、緩やかに攪拌しながら30℃で嫌気的に培養した。
Example 2: Culture of genetically modified yeast (1)
First, for a normal ethanol fermentation experiment, knockout yeast lacking the HAP4 gene (B42-DHAP4 strain) and its control yeast (MA-B42 strain) were synthesized in a synthetic medium containing 20 g / l glucose (20 g / l polypeptone). And 10 g / l yeast extract (YPD medium) at 30 ° C. for 36 hours. Bacteria are collected by centrifugation, washed with sterile water, and 20 ml of fermentation medium (minimum medium containing 20 g / l xylose: SX medium (20 g / l xylose, 7 g / l NH 4 Cl, 5 g / l l KH 2 PO 4 , 0.8 g / l MgSO 4 · 7H 2 O, pH 5.0)) or SDX medium (20 g / l xylose, 40 g / l glucose, 7 g / l NH 4 Cl, 5 g / l KH 2 PO 4 , 0.8 g / l MgSO 4 .7H 2 O, pH 5.0)) was inoculated with an appropriate amount (unified cell mass). The fermentation broth was anaerobically cultured at 30 ° C. with gentle stirring in a 50 ml sealed vial containing a stir bar.

実施例3:エタノール濃度の測定(1)
エタノール、グルコース、キシロース、キシリトール、他の副産物の濃度は高速液体クロマトグラフィー(HPLC; 日本分光株式会社)を用いて測定した。分離カラムはHPX-87Hカラム(Bio-Rad社)を用い、HPLC装置は5 mM H2SO4で0.6 ml/minの流速で流し、65℃で運転した。酵母の増殖は分光光度計Biowave II(WPA社)を用いて600 nmでの波長を測定した。解析の結果、これら遺伝子組換え酵母間で嫌気的な増殖速度に顕著な違いはみられなかった。また、SX培地において、コントロール酵母(MA-B42株)とノックアウト酵母(B42-DHAP4株)のキシロース消費速度はほとんど変わらなかった。SDX培地では、グルコースの消費速度は両組換え酵母株でほとんど変わらなかったが、キシロースの消費速度はコントロール酵母(MA-B42株)よりもノックアウト酵母(B42-DHAP4株)の方がわずかに遅れた。
Example 3: Measurement of ethanol concentration (1)
The concentrations of ethanol, glucose, xylose, xylitol and other by-products were measured using high performance liquid chromatography (HPLC; JASCO Corporation). The separation column was an HPX-87H column (Bio-Rad), and the HPLC apparatus was run at 65 ° C. with 5 mM H 2 SO 4 at a flow rate of 0.6 ml / min. Yeast growth was measured at a wavelength of 600 nm using a spectrophotometer Biowave II (WPA). As a result of the analysis, there was no significant difference in the anaerobic growth rate between these genetically modified yeasts. Moreover, the xylose consumption rate of control yeast (MA-B42 strain) and knockout yeast (B42-DHAP4 strain) was hardly changed in the SX medium. In SDX medium, the glucose consumption rate was almost the same in both recombinant yeast strains, but the xylose consumption rate was slightly slower in the knockout yeast (B42-DHAP4 strain) than in the control yeast (MA-B42 strain). It was.

図2は、2種類の遺伝子組換え酵母(MA-B42株およびB42-DHAP4株)を用いて、20 g/Lのキシロースを含む発酵培地(SX培地)を用いた嫌気培養における、これら遺伝子組換え酵母株のエタノール生産量(図2を参照)を経時的に示した図である。   Fig. 2 shows these gene sets in anaerobic culture using 20 g / L xylose-containing fermentation medium (SX medium) using two types of genetically modified yeasts (MA-B42 and B42-DHAP4). It is the figure which showed ethanol production amount (refer FIG. 2) of a change yeast strain with time.

SX培地において、B42-DHAP4株はコントロール株よりもややエタノール生産開始の時間が速かったが、エタノール生産開始後は両組換え酵母株のエタノール生産速度に顕著な差はなかった。コントロール株のMA-B42株は、72時間後に3.4 g/Lのエタノールを生産したのに対し、ノックアウト酵母のB42-DHAP4株は、72時間後に3.8 g/Lのエタノールを生産した。SDX培地において、24時間までB42-DHAP4株はコントロール株よりもややエタノール生産速度が速かった。このように、嫌気的発酵条件下では、キシロースを唯一の炭素源とした場合、B42-DHAP4株はコントロール株よりもややエタノール生産開始の時間が速くなるが、グルコースとキシロースの混合糖を炭素源とする場合では、エタノール生産開始時間に変化はない。また、混合糖を炭素源とする場合、発酵の初期ではコントロール株と比べてB42-DHAP4株の方がややエタノール生産量が増加する。   In the SX medium, the B42-DHAP4 strain had a slightly faster ethanol production start time than the control strain, but there was no significant difference in the ethanol production rate between the two recombinant yeast strains after the ethanol production started. The control strain MA-B42 produced 3.4 g / L ethanol after 72 hours, while the knockout yeast strain B42-DHAP4 produced 3.8 g / L ethanol after 72 hours. In SDX medium, the ethanol production rate of B42-DHAP4 was slightly higher than that of the control strain until 24 hours. Thus, under anaerobic fermentation conditions, when xylose is the only carbon source, the B42-DHAP4 strain has a slightly faster start time for ethanol production than the control strain, but a mixed sugar of glucose and xylose is used as the carbon source. In this case, there is no change in the ethanol production start time. When mixed sugar is used as a carbon source, the amount of ethanol produced in the B42-DHAP4 strain is slightly increased in the initial stage of fermentation compared to the control strain.

実施例4:遺伝子組換え酵母の培養(2)
次に好気条件下でのエタノール生産能を調べるために、HAP4遺伝子を欠損したノックアウト酵母(B42-DHAP4株)とそのコントロール酵母(MA-B42株)を、20 g/lグルコースを含む合成培地(20 g/l ポリペプトン、 10 g/l yeast extract : YPD培地)において30℃で36時間、好気的に培養した。遠心分離により集菌後、滅菌水で洗浄し、50 mlの培養用培地(18 g/lキシロースを含む最少培地: SX培地(18 g/l キシロース、7 g/l NH4Cl、5 g/l KH2PO4、0.8 g/l MgSO4・7H2O、pH 5.0))またはSDX培地(18 g/l キシロース、40 g/l グルコース、7 g/l NH4Cl、5 g/l KH2PO4、0.8 g/l MgSO4・7H2O、pH 5.0))に適量を接種した(菌体量を統一)。培養液はシリコン栓をはめた300 mlの三角フラスコにおいて、振盪培養器で攪拌しながら30℃で好気的に培養した。
Example 4: Culture of genetically modified yeast (2)
Next, in order to investigate ethanol production ability under aerobic conditions, knockout yeast lacking the HAP4 gene (B42-DHAP4 strain) and its control yeast (MA-B42 strain) were synthesized in a synthetic medium containing 20 g / l glucose. The cells were aerobically cultured at 30 ° C. for 36 hours in (20 g / l polypeptone, 10 g / l yeast extract: YPD medium). Bacteria are collected by centrifugation, washed with sterile water, and cultured in 50 ml culture medium (minimum medium containing 18 g / l xylose: SX medium (18 g / l xylose, 7 g / l NH 4 Cl, 5 g / l l KH 2 PO 4 , 0.8 g / l MgSO 4 · 7H 2 O, pH 5.0)) or SDX medium (18 g / l xylose, 40 g / l glucose, 7 g / l NH 4 Cl, 5 g / l KH 2 PO 4 , 0.8 g / l MgSO 4 .7H 2 O, pH 5.0)) was inoculated with an appropriate amount (unified cell mass). The culture was aerobically cultured at 30 ° C. in a 300 ml Erlenmeyer flask fitted with a silicon stopper while stirring with a shaking incubator.

実施例5:エタノール濃度の測定(2)
エタノール、グルコース、キシロース、キシリトール、他の副産物の濃度は高速液体クロマトグラフィー(HPLC; 日本分光株式会社)を用い、実施例3と同様の方法で運転した。酵母の増殖は分光光度計Biowave II(WPA社)を用いて600 nmでの波長を測定した。解析の結果、これら遺伝子組換え酵母間で好気的な増殖速度に顕著な違いはみられなかった。
Example 5: Measurement of ethanol concentration (2)
The concentration of ethanol, glucose, xylose, xylitol, and other by-products was operated in the same manner as in Example 3 using high performance liquid chromatography (HPLC; JASCO Corporation). Yeast growth was measured at a wavelength of 600 nm using a spectrophotometer Biowave II (WPA). As a result of the analysis, there was no significant difference in the aerobic growth rate between these genetically modified yeasts.

図3は、2種類の遺伝子組換え酵母(MA-B42株およびB42-DHAP4株)を用いて、18 g/Lのキシロースを含む発酵培地(SX培地)を用いた好気培養における、これら遺伝子組換え酵母株のキシロース消費量(図3のAを参照)およびエタノール生産量(図3のBを参照)を経時的に示した図である。   Fig. 3 shows these genes in an aerobic culture using a fermentation medium (SX medium) containing 18 g / L xylose using two types of genetically modified yeasts (MA-B42 and B42-DHAP4). It is the figure which showed the xylose consumption (refer A of FIG. 3) and ethanol production (refer B of FIG. 3) with time of the recombinant yeast strain.

まずキシロース消費量であるが、コントロール酵母のMA-B42株と比較して、ノックアウト酵母のB42-DHAP4株はキシロース消費速度が速くなった。72時間後にMA-B42株は43%のキシロースを消費したのに対し、B42-DHAP4株は50%のキシロースを消費した。キシロース消費量に伴い、エタノール生産量についても酵母株間で差が生じた。コントロール酵母のMA-B42株は、発酵期間中全くエタノールを生産しなかったのに対し、ノックアウト酵母のB42-DHAP4株は、72時間後に2.2 g/Lのエタノールを生産した。また、両酵母株とも、中間代謝物であるグリセロールは少量生産されたが(2.0 g/l以下)、キシリトールは全く生産されなかった。一方、MA-B42株は酢酸を全く生産しなかったが、B42-DHAP4株は少量の酢酸を生産した(1.8 g/l以下)。これらの結果から、本来、キシロース資化性を付与した組換え酵母でも、好気的条件下ではキシロースからエタノールを生産することができないが、HAP4遺伝子を破壊(欠失)させることで、好気条件下でキシロースからエタノールを生産できることが明らかとなった。   First, regarding the xylose consumption, compared to the control yeast strain MA-B42, the knockout yeast strain B42-DHAP4 had a faster xylose consumption rate. After 72 hours, the MA-B42 strain consumed 43% xylose, whereas the B42-DHAP4 strain consumed 50% xylose. Along with xylose consumption, there was a difference between yeast strains in ethanol production. The control yeast strain MA-B42 produced no ethanol during the fermentation period, whereas the knockout yeast strain B42-DHAP4 produced 2.2 g / L ethanol after 72 hours. In both yeast strains, glycerol, an intermediate metabolite, was produced in a small amount (2.0 g / l or less), but no xylitol was produced. On the other hand, the MA-B42 strain did not produce any acetic acid, whereas the B42-DHAP4 strain produced a small amount of acetic acid (1.8 g / l or less). From these results, even though recombinant yeast originally imparted with xylose assimilation ability cannot produce ethanol from xylose under aerobic conditions, it is aerobic by destroying (deleting) the HAP4 gene. It was revealed that ethanol can be produced from xylose under conditions.

一方、図4は、2種類の遺伝子組換え酵母(MA-B42株およびB42-DHAP4株)を用いて、18 g/Lのキシロースおよび40 g/Lのグルコースを含む発酵培地(SDX培地)を用いた好気培養における、これら遺伝子組換え酵母株の糖(キシロースおよびグルコース)消費量(図4のAを参照)およびエタノール生産量(図4のBを参照)を経時的に示した図である。   On the other hand, FIG. 4 shows a fermentation medium (SDX medium) containing 18 g / L xylose and 40 g / L glucose using two types of genetically modified yeasts (MA-B42 strain and B42-DHAP4 strain). FIG. 4 is a graph showing sugar (xylose and glucose) consumption (see A in FIG. 4) and ethanol production (see B in FIG. 4) over time in these aerobic cultures used. is there.

ノックアウト酵母のB42-DHAP4株のキシロース消費速度は、コントロール酵母のMA-B42株のものと比較してやや速くなったが、それほど顕著な差ではなかった。一方、B42-DHAP4株のグルコース消費速度は、コントロール酵母のMA-B42株のものよりも顕著に速くなった。MA-B42株はグルコースを完全に消費するのに72時間必要であったが、B42-DHAP4株は55時間でグルコースを完全に消費した。さらに、B42-DHAP4株のエタノール生産量は、MA-B42株の生産量を大きく上回った。MA-B42株は72時間後に17.9 g/Lのエタノールを生産し、全糖消費量からのエタノール収率は60 %であったのに対し、B42-DHAP4株は72時間後に20.2 g/Lのエタノールを生産し、全糖消費量からのエタノール収率は68 %であった。これらの結果から、B42-DHAP4株はMA-B42株と比べて、キシロースおよびグルコースの混合糖からのエタノール生産量が増加することに加え、糖からエタノールへの変換効率が良くなることが示唆された。両酵母株とも、中間代謝物であるキシリトールは全く生産されなかったが、グリセロールおよび酢酸は少量生産された(それぞれ2.9 g/l および4.0 g/l以下)。興味深いことに、グリセロール生産量は、MA-B42株よりB42-DHAP4株の方が多く、逆に酢酸生産量は、B42-DHAP4株よりMA-B42株の方が多かった。   The xylose consumption rate of the knockout yeast strain B42-DHAP4 was slightly faster than that of the control yeast strain MA-B42, but not so markedly. On the other hand, the glucose consumption rate of the B42-DHAP4 strain was significantly faster than that of the control yeast strain MA-B42. The MA-B42 strain required 72 hours to completely consume glucose, whereas the B42-DHAP4 strain completely consumed glucose in 55 hours. Furthermore, the amount of ethanol produced by the B42-DHAP4 strain greatly exceeded the amount produced by the MA-B42 strain. The MA-B42 strain produced 17.9 g / L ethanol after 72 hours, and the ethanol yield from the total sugar consumption was 60%, whereas the B42-DHAP4 strain was 20.2 g / L after 72 hours. Ethanol was produced, and the ethanol yield based on the total sugar consumption was 68%. These results suggest that the B42-DHAP4 strain, compared to the MA-B42 strain, increases the ethanol production from the mixed sugar of xylose and glucose and improves the conversion efficiency from sugar to ethanol. It was. Neither yeast strain produced any intermediate metabolite xylitol, but small amounts of glycerol and acetic acid (less than 2.9 g / l and 4.0 g / l, respectively). Interestingly, glycerol production was greater in the B42-DHAP4 strain than in the MA-B42 strain, and conversely, acetic acid production was greater in the MA-B42 strain than in the B42-DHAP4 strain.

実施例6:遺伝子組換え酵母の培養(3)
次に、本発明の遺伝子組換え酵母が、リグノセルロース系バイオマスから調製した糖化液に含まれるグルコースやキシロースからエタノールを生産する効率を調べるために、HAP4遺伝子を欠損したノックアウト酵母(B42-DHAP4株)とそのコントロール酵母(MA-B42株)を、20 g/lグルコースを含む合成培地(20 g/l ポリペプトン、 10 g/l yeast extract : YPD培地)において30℃で36時間、好気的に培養した。遠心分離により集菌後、滅菌水で洗浄し、針葉樹スギから調製した糖化液(72.0 g/lのグルコース、1.1 g/lのマンノース、1.1 g/lのガラクトース、6.5 g/lのキシロースを含む)20 mlに適量を接種した(菌体量を統一)。発酵液は攪拌棒を入れた50 mlの密封型のバイアルにおいて、緩やかに攪拌しながら30℃で嫌気的に培養した。糖化液の調整方法は、特願2008-211274(特開2009-195220)に従った。
Example 6: Culture of genetically modified yeast (3)
Next, in order to examine the efficiency of the genetically modified yeast of the present invention to produce ethanol from glucose or xylose contained in a saccharified solution prepared from lignocellulosic biomass, a knockout yeast lacking the HAP4 gene (B42-DHAP4 strain) ) And its control yeast (MA-B42 strain) in a synthetic medium containing 20 g / l glucose (20 g / l polypeptone, 10 g / l yeast extract: YPD medium) aerobically at 30 ° C. for 36 hours. Cultured. Collected by centrifugation, washed with sterile water, and saccharified solution prepared from softwood cedar (contains 72.0 g / l glucose, 1.1 g / l mannose, 1.1 g / l galactose, 6.5 g / l xylose) ) 20 ml was inoculated with an appropriate amount (unified bacterial mass). The fermentation broth was anaerobically cultured at 30 ° C. with gentle stirring in a 50 ml sealed vial containing a stir bar. The method for preparing the saccharified solution was in accordance with Japanese Patent Application No. 2008-211274 (Japanese Patent Laid-Open No. 2009-195220).

実施例7:エタノール濃度の測定(3)
エタノール、グルコース、キシロース、マンノース、ガラクトース、キシリトール、他の副産物の濃度は高速液体クロマトグラフィー(HPLC; 日本分光株式会社)を用いて測定した。分離カラムはHPX-87Pカラム(Bio-Rad社)を用い、HPLC装置はH2Oで0.6 ml/minの流速で流し、70℃で運転した。酵母の増殖は分光光度計Biowave II(WPA社)を用いて600 nmでの波長を測定した。解析の結果、コントロール酵母(MA-B42株)よりもノックアウト酵母(B42-DHAP4株)の好気的増殖速度がわずかに遅くなったが、顕著な差ではなかった。
Example 7: Measurement of ethanol concentration (3)
The concentrations of ethanol, glucose, xylose, mannose, galactose, xylitol, and other by-products were measured using high performance liquid chromatography (HPLC; JASCO Corporation). The separation column was an HPX-87P column (Bio-Rad), and the HPLC apparatus was run at 70 ° C. with H 2 O at a flow rate of 0.6 ml / min. Yeast growth was measured at a wavelength of 600 nm using a spectrophotometer Biowave II (WPA). As a result of the analysis, the aerobic growth rate of the knockout yeast (B42-DHAP4 strain) was slightly slower than that of the control yeast (MA-B42 strain), but this was not a significant difference.

図5は、2種類の遺伝子組換え酵母(MA-B42株およびB42-DHAP4株)を用いて、72.0 g/lのグルコースと6.5 g/lのキシロースを含むスギ糖化液において好気培養した結果、これら遺伝子組換え酵母株の糖(キシロースおよびグルコース)消費量(図5のAを参照)、エタノール生産量(図5のBを参照)を経時的に示した図である。   FIG. 5 shows the results of aerobic culture in a cedar saccharified solution containing 72.0 g / l glucose and 6.5 g / l xylose using two types of genetically modified yeasts (MA-B42 strain and B42-DHAP4 strain). FIG. 6 is a graph showing sugar (xylose and glucose) consumption (see A in FIG. 5) and ethanol production (see B in FIG. 5) over time of these genetically modified yeast strains.

いずれの酵母株も、グルコースを48時間以内に完全に消費したが、実施例5の混合糖培養の結果と同様に、B42-DHAP4株のグルコース消費速度は、コントロール酵母のMA-B42株のものよりも顕著に速くなった。しかしながら、キシロースはいずれの酵母株においても72時間以内に消費しなかった。一方、いずれの酵母株も、マンノースを31時間以内に消費したが、ガラクトースは72時間以内に消費しなかった。その結果、48時間後にMA-B42株およびB42-DHAP4株はそれぞれ30.2 g/l、33.3 g/lのエタノールが生産され、スギ糖化液に含まれる混合糖から、B42-DHAP4株はコントロール酵母よりもエタノールを高生産することができた。MA-B42株およびB42-DHAP4株の全糖消費量からのエタノール収率は、それぞれ68.3 %および79.9 %であり、B42-DHAP4株はコントロール酵母よりもエタノール収率が顕著に高かった。また、中間代謝物であるグリセロールは主にグルコース発酵時に少量生産されたが(1.0 g/l以下)、キシリトールは全く生産されなかった。これらの結果から、本発明の酵母株はリグノセルロース系バイオマスから調製した糖化液からもエタノールを高生産することが可能であり、キシロース資化性を付与し、かつHAP4遺伝子を破壊(欠失)させた酵母を好気的に培養することで、リグノセルロース系バイオマス由来混合糖からエタノールを高生産する上で有用であることが示された。   Although all yeast strains consumed glucose completely within 48 hours, the glucose consumption rate of the B42-DHAP4 strain was similar to that of the MA-B42 strain of the control yeast, as in the mixed sugar culture results of Example 5. Than noticeably faster. However, xylose was not consumed within 72 hours in any yeast strain. On the other hand, all yeast strains consumed mannose within 31 hours but did not consume galactose within 72 hours. As a result, after 48 hours, the MA-B42 and B42-DHAP4 strains produced 30.2 g / l and 33.3 g / l ethanol, respectively, from the mixed sugar contained in the cedar saccharified solution, and the B42-DHAP4 strain from the control yeast. Even ethanol was able to produce high. The ethanol yields from the total sugar consumption of MA-B42 and B42-DHAP4 strains were 68.3% and 79.9%, respectively. The ethanol yield of B42-DHAP4 strain was significantly higher than that of control yeast. In addition, glycerol, an intermediate metabolite, was produced in a small amount mainly during glucose fermentation (1.0 g / l or less), but no xylitol was produced. From these results, the yeast strain of the present invention can produce ethanol highly from a saccharified solution prepared from lignocellulosic biomass, imparts xylose utilization, and disrupts (deletes) the HAP4 gene. By aerobically cultivating the yeast thus produced, it was shown that it is useful for high production of ethanol from lignocellulosic biomass-derived mixed sugars.

これらの実施例から、本発明の遺伝子組換え酵母(B42-DHAP4株)は、合成培地中のキシロースやグルコースとキシロースの混合糖のみならず、リグノセルロース系バイオマスから調製した糖化液に含まれるグルコースやキシロースなどの糖も効率よくエタノールに変換できることが明らかとなった。   From these examples, the genetically modified yeast of the present invention (B42-DHAP4 strain) is not limited to xylose and glucose / xylose mixed sugar in a synthetic medium, but also glucose contained in a saccharified solution prepared from lignocellulosic biomass. It has become clear that sugars such as xylose can be efficiently converted to ethanol.

代替的方法
上記のとおり、HAP4遺伝子を欠損しXR、XDH及びXKを導入した組換え酵母株(B42-DHAP4株)について、合成培地中のキシロースやグルコースとキシロースの混合糖のみならず、グルコースやキシロースなどの糖も効率よくエタノールに変換できることを実証した。酵母にキシロース発酵性を付与する方法としては、XR、XDH及びXKを導入する代わりに、キシロースイソメラーゼ(XI)とXKを導入する方法も知られている(van Maris A.J.ら、Advances in Biochemical Engineering / Biotechnology Vol.108, pp.179-204 (2007)を参照)。したがってHAP4遺伝子を欠損しXI及びXKを導入した遺伝子組換え酵母株についても、同様に合成培地中のキシロースやグルコースとキシロースの混合糖、ならびにグルコースやキシロースなどの糖も効率よくエタノールに変換できると考えられる。この代替的方法について以下に説明する。
Alternative method As described above, for the recombinant yeast strain (B42-DHAP4 strain) in which the HAP4 gene is deleted and XR, XDH and XK are introduced, not only the mixed sugar of xylose and glucose and xylose in the synthetic medium, but also glucose and It was demonstrated that sugars such as xylose can be efficiently converted to ethanol. As a method for imparting xylose fermentability to yeast, a method of introducing xylose isomerase (XI) and XK instead of introducing XR, XDH and XK is also known (van Maris AJ et al., Advances in Biochemical Engineering / Biotechnology Vol.108, pp.179-204 (2007)). Therefore, for genetically modified yeast strains lacking the HAP4 gene and introduced with XI and XK, xylose, mixed sugars of glucose and xylose, and sugars such as glucose and xylose in the synthetic medium can also be efficiently converted to ethanol. Conceivable. This alternative method is described below.

まず実施例1に記載の方法と同様にして、ノックアウト酵母のコレクションの中からHAP4遺伝子を欠損した酵母をオープンバイオシステムズ社から取得し(親株はBY4742株)、キシロース代謝系酵素(XIおよびXK)遺伝子を酵母染色体に組み込める発現カセットをYEASTMAKER yeast transformation system 2(クロンテック社)を用いてリチウム酢酸法により形質転換し、キシロース資化性を有する遺伝子組換え酵母株を作製する。XI遺伝子は配列番号5に記載のものを用いることができる。必要であればBY4742株にXIおよびXKが導入された遺伝子組換え酵母株をコントロール株として作製する。これら組換え酵母株におけるXI、XK活性を測定し、酵素活性を保持していることを確認する。   First, in the same manner as described in Example 1, yeast lacking the HAP4 gene was acquired from the collection of knockout yeasts from Open Biosystems (parent strain BY4742), and xylose metabolic enzymes (XI and XK) An expression cassette capable of integrating the gene into the yeast chromosome is transformed by the lithium acetic acid method using YEASTMAKER yeast transformation system 2 (Clontech) to produce a genetically modified yeast strain having xylose utilization. As the XI gene, the one described in SEQ ID NO: 5 can be used. If necessary, a genetically modified yeast strain in which XI and XK are introduced into BY4742 strain is prepared as a control strain. XI and XK activities in these recombinant yeast strains are measured to confirm that they retain enzyme activity.

次に実施例2に記載の方法と同様にして、作製された遺伝子組換え酵母を培養する。具体的には通常のエタノール発酵実験のために、HAP4遺伝子を欠損したノックアウト酵母株を、20 g/lグルコースを含む合成培地(20 g/l ポリペプトン、 10 g/l yeast extract : YPD培地)において30℃で36時間、好気的に培養する。遠心分離により集菌後、滅菌水で洗浄し、20 mlの発酵用培地(20 g/lキシロースを含む最少培地: SX培地(20 g/l キシロース、7 g/l NH4Cl、5 g/l KH2PO4、0.8 g/l MgSO4・7H2O、pH 5.0))またはSDX培地(20 g/l キシロース、40 g/l グルコース、7 g/l NH4Cl、5 g/l KH2PO4、0.8 g/l MgSO4・7H2O、pH 5.0))に適量を接種する(菌体量を統一)。発酵液は攪拌棒を入れた50 mlの密封型のバイアルにおいて、緩やかに攪拌しながら30℃で嫌気的に培養する。 Next, the produced genetically modified yeast is cultured in the same manner as described in Example 2. Specifically, for a normal ethanol fermentation experiment, a knockout yeast strain lacking the HAP4 gene was synthesized in a synthetic medium containing 20 g / l glucose (20 g / l polypeptone, 10 g / l yeast extract: YPD medium). Incubate aerobically at 30 ° C for 36 hours. Bacteria are collected by centrifugation, washed with sterile water, and 20 ml of fermentation medium (minimum medium containing 20 g / l xylose: SX medium (20 g / l xylose, 7 g / l NH 4 Cl, 5 g / l l KH 2 PO 4 , 0.8 g / l MgSO 4 · 7H 2 O, pH 5.0)) or SDX medium (20 g / l xylose, 40 g / l glucose, 7 g / l NH 4 Cl, 5 g / l KH 2 PO 4 , 0.8 g / l MgSO 4 · 7H 2 O, pH 5.0))). The fermentation broth is anaerobically cultured at 30 ° C. with gentle agitation in a 50 ml sealed vial containing a stir bar.

次に実施例3に記載の方法と同様にしてエタノール濃度の測定を行う。具体的にはエタノール、グルコース、キシロース、キシリトール、他の副産物の濃度は高速液体クロマトグラフィー(HPLC; 日本分光株式会社)を用いて測定する。分離カラムはHPX-87Hカラム(Bio-Rad社)を用い、HPLC装置は5 mM H2SO4で0.6 ml/minの流速で流し、65℃で運転する。酵母の増殖は分光光度計Biowave II(WPA社)を用いて600 nmでの波長を測定する。必要に応じてコントロール酵母との比較を行う。 Next, the ethanol concentration is measured in the same manner as described in Example 3. Specifically, the concentrations of ethanol, glucose, xylose, xylitol, and other by-products are measured using high performance liquid chromatography (HPLC; JASCO Corporation). The separation column is an HPX-87H column (Bio-Rad), and the HPLC apparatus is flowed with 5 mM H 2 SO 4 at a flow rate of 0.6 ml / min and operated at 65 ° C. Yeast growth is measured at a wavelength of 600 nm using a spectrophotometer Biowave II (WPA). Compare with control yeast if necessary.

次に実施例4に記載の方法と同様にして遺伝子組換え酵母の培養を行う。具体的にはHAP4遺伝子を欠損しXIおよびXK遺伝子が導入された酵母を、20 g/lグルコースを含む合成培地(20 g/l ポリペプトン、 10 g/l yeast extract : YPD培地)において30℃で36時間、好気的に培養する。遠心分離により集菌後、滅菌水で洗浄し、50 mlの培養用培地(18 g/lキシロースを含む最少培地: SX培地(18 g/l キシロース、7 g/l NH4Cl、5 g/l KH2PO4、0.8 g/l MgSO4・7H2O、pH 5.0))またはSDX培地(18 g/l キシロース、40 g/l グルコース、7 g/l NH4Cl、5 g/l KH2PO4、0.8 g/l MgSO4・7H2O、pH 5.0))に適量を接種する(菌体量を統一)。培養液はシリコン栓をはめた300 mlの三角フラスコにおいて、振盪培養器で攪拌しながら30℃で好気的に培養する。 Next, the genetically modified yeast is cultured in the same manner as described in Example 4. Specifically, the yeast lacking the HAP4 gene and having the XI and XK genes introduced into it was synthesized at 30 ° C in a synthetic medium containing 20 g / l glucose (20 g / l polypeptone, 10 g / l yeast extract: YPD medium). Incubate aerobically for 36 hours. Bacteria are collected by centrifugation, washed with sterile water, and cultured in 50 ml culture medium (minimum medium containing 18 g / l xylose: SX medium (18 g / l xylose, 7 g / l NH 4 Cl, 5 g / l l KH 2 PO 4 , 0.8 g / l MgSO 4 · 7H 2 O, pH 5.0)) or SDX medium (18 g / l xylose, 40 g / l glucose, 7 g / l NH 4 Cl, 5 g / l KH 2 PO 4 , 0.8 g / l MgSO 4 · 7H 2 O, pH 5.0))). The culture is aerobically cultured at 30 ° C. in a 300 ml Erlenmeyer flask fitted with a silicon stopper while stirring in a shaking incubator.

次に実施例5に記載の方法と同様にしてエタノール濃度の測定を行う。具体的にはエタノール、グルコース、キシロース、キシリトール、他の副産物の濃度は高速液体クロマトグラフィー(HPLC; 日本分光株式会社)を用い、実施例3と同様の方法で運転する。酵母の増殖は分光光度計Biowave II(WPA社)を用いて600 nmでの波長を測定する。   Next, the ethanol concentration is measured in the same manner as described in Example 5. Specifically, the concentration of ethanol, glucose, xylose, xylitol, and other by-products is operated in the same manner as in Example 3 using high performance liquid chromatography (HPLC; JASCO Corporation). Yeast growth is measured at a wavelength of 600 nm using a spectrophotometer Biowave II (WPA).

次に実施例6に記載の方法と同様にして遺伝子組換え酵母の培養を行う。具体的にはHAP4遺伝子を欠損しXIおよびXK遺伝子が導入された酵母を、20 g/lグルコースを含む合成培地(20 g/l ポリペプトン、 10 g/l yeast extract : YPD培地)において30℃で36時間、好気的に培養する。遠心分離により集菌後、滅菌水で洗浄し、針葉樹スギから調製した糖化液(72.0 g/lのグルコース、1.1 g/lのマンノース、1.1 g/lのガラクトース、6.5 g/lのキシロースを含む)20 mlに適量を接種する(菌体量を統一)。発酵液は攪拌棒を入れた50 mlの密封型のバイアルにおいて、緩やかに攪拌しながら30℃で嫌気的に培養する。糖化液の調整方法は、特願2008-211274(特開2009-195220)に従う。   Next, the genetically modified yeast is cultured in the same manner as described in Example 6. Specifically, the yeast lacking the HAP4 gene and having the XI and XK genes introduced into it was synthesized at 30 ° C in a synthetic medium containing 20 g / l glucose (20 g / l polypeptone, 10 g / l yeast extract: YPD medium). Incubate aerobically for 36 hours. Collected by centrifugation, washed with sterile water, and saccharified solution prepared from softwood cedar (contains 72.0 g / l glucose, 1.1 g / l mannose, 1.1 g / l galactose, 6.5 g / l xylose) ) Inoculate an appropriate amount in 20 ml (unify the amount of cells). The fermentation broth is anaerobically cultured at 30 ° C. with gentle agitation in a 50 ml sealed vial containing a stir bar. The method for adjusting the saccharified solution is in accordance with Japanese Patent Application No. 2008-211274 (Japanese Patent Laid-Open No. 2009-195220).

次に実施例7に記載の方法と同様にしてエタノール濃度の測定を行う。具体的にはエタノール、グルコース、キシロース、マンノース、ガラクトース、キシリトール、他の副産物の濃度は高速液体クロマトグラフィー(HPLC; 日本分光株式会社)を用いて測定する。分離カラムはHPX-87Pカラム(Bio-Rad社)を用い、HPLC装置はH2Oで0.6 ml/minの流速で流し、70℃で運転する。酵母の増殖は分光光度計Biowave II(WPA社)を用いて600 nmでの波長を測定する。 Next, the ethanol concentration is measured in the same manner as described in Example 7. Specifically, the concentrations of ethanol, glucose, xylose, mannose, galactose, xylitol, and other by-products are measured using high performance liquid chromatography (HPLC; JASCO Corporation). The separation column is an HPX-87P column (Bio-Rad), and the HPLC apparatus is run at 70 ° C. with H 2 O at a flow rate of 0.6 ml / min. Yeast growth is measured at a wavelength of 600 nm using a spectrophotometer Biowave II (WPA).

本発明の遺伝子組換え酵母を用いた好気的な培養によって、従来公知であるXR、XDH、およびXKだけを発現させた遺伝子組換え酵母を用いた場合よりも、キシロースやグルコースとキシロースの混合糖からエタノールを効率良く高生産することができる。これにより、リグノセルロース系バイオマスに含まれるキシロースを次世代の液体エネルギーとして期待されているエタノールへの高効率での変換を実現できる。   Mixing xylose or glucose and xylose as compared to the case of using a genetically modified yeast expressing only XR, XDH, and XK, which is conventionally known, by aerobic culture using the genetically modified yeast of the present invention. It is possible to efficiently produce ethanol from sugar. Thereby, xylose contained in lignocellulosic biomass can be converted to ethanol, which is expected as the next generation liquid energy, with high efficiency.

配列番号1 XR遺伝子
配列番号2 XDH遺伝子
配列番号3 XK遺伝子
配列番号4 HAP4遺伝子
配列番号5 XI遺伝子
SEQ ID NO: 1 XR gene SEQ ID NO: 2 XDH gene SEQ ID NO: 3 XK gene SEQ ID NO: 4 HAP4 gene SEQ ID NO: 5 XI gene

Claims (12)

キシロースをキシルロース5−リン酸へと代謝する酵素をコードする遺伝子が導入されており、さらにHAP4遺伝子が破壊、欠失、または不活性化している、キシロースからエタノールを高効率に生産できる遺伝子組換え酵母。   A gene that encodes an enzyme that metabolizes xylose to xylulose 5-phosphate, has been introduced, and the HAP4 gene has been disrupted, deleted, or inactivated. yeast. キシロースをキシルロース5−リン酸へと代謝する酵素をコードする遺伝子が、キシロースレダクターゼ遺伝子、キシリトールデヒドロゲナーゼ遺伝子およびキシルロキナーゼ遺伝子である、請求項1に記載の遺伝子組換え酵母。   The genetic recombinant yeast according to claim 1, wherein the genes encoding an enzyme that metabolizes xylose to xylulose 5-phosphate are a xylose reductase gene, a xylitol dehydrogenase gene, and a xylulokinase gene. キシロースをキシルロース5−リン酸へと代謝する酵素をコードする遺伝子が、キシロースイソメラーゼ遺伝子およびキシルロキナーゼ遺伝子である、請求項1に記載の遺伝子組換え酵母。   The genetic recombinant yeast according to claim 1, wherein the genes encoding an enzyme that metabolizes xylose to xylulose 5-phosphate are a xylose isomerase gene and a xylulokinase gene. 破壊、欠失、または不活性化しているHAP4遺伝子が酵母または細菌由来である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の遺伝子組換え酵母。   The genetic recombinant yeast according to any one of claims 1 to 3, wherein the HAP4 gene disrupted, deleted or inactivated is derived from yeast or bacteria. 破壊、欠失、または不活性化しているHAP4遺伝子が、Saccharomyces cerevisiaeに由来する、請求項4に記載の遺伝子組換え酵母。   The genetically modified yeast according to claim 4, wherein the HAP4 gene disrupted, deleted or inactivated is derived from Saccharomyces cerevisiae. キシロースレダクターゼ遺伝子およびキシリトールデヒドロゲナーゼ遺伝子がScheffersomyces (Pichia) stipitisに由来し、かつキシルロキナーゼ遺伝子がSaccharomyces cerevisiaeに由来する、請求項2、4または5に記載の遺伝子組換え酵母。   The genetic recombinant yeast according to claim 2, 4 or 5, wherein the xylose reductase gene and the xylitol dehydrogenase gene are derived from Scheffersomyces (Pichia) stipitis and the xylulokinase gene is derived from Saccharomyces cerevisiae. キシロースイソメラーゼ遺伝子がReticulitermes speratusに由来し、かつキシルロキナーゼ遺伝子がSaccharomyces cerevisiaeに由来する、請求項3〜5のいずれか1項に記載の遺伝子組換え酵母。   The genetic recombinant yeast according to any one of claims 3 to 5, wherein the xylose isomerase gene is derived from Reticulitermes speratus and the xylulokinase gene is derived from Saccharomyces cerevisiae. 遺伝子組換え酵母がSaccharomyces cerevisiaeを宿主として作製される、請求項1〜7のいずれか1項記載の遺伝子組換え酵母。   The genetic recombinant yeast according to any one of claims 1 to 7, wherein the genetic recombinant yeast is produced using Saccharomyces cerevisiae as a host. 請求項1〜8のいずれか1項記載の遺伝子組換え酵母を用いた、キシロースからエタノールを生産する方法。   The method to produce ethanol from xylose using the genetically modified yeast of any one of Claims 1-8. 請求項1〜8のいずれか1項記載の遺伝子組換え酵母を用いた、グルコースとキシロースの混合糖からエタノールを生産する方法。   The method to produce ethanol from the mixed sugar of glucose and xylose using the genetically modified yeast of any one of Claims 1-8. 請求項1〜8のいずれか1項記載の遺伝子組換え酵母を用いた、リグノセルロース系バイオマスから調製した糖化液からエタノールを生産する方法。   A method for producing ethanol from a saccharified solution prepared from lignocellulosic biomass using the genetically modified yeast according to any one of claims 1 to 8. 嫌気的または好気的条件下で行う、請求項9〜11のいずれか1項に記載の生産方法。   The production method according to any one of claims 9 to 11, which is carried out under anaerobic or aerobic conditions.
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