JP2016208917A - フラビンアデニンジヌクレオチド依存型グルコース脱水素酵素活性を有するキメラタンパク質 - Google Patents

フラビンアデニンジヌクレオチド依存型グルコース脱水素酵素活性を有するキメラタンパク質 Download PDF

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Abstract

【課題】酵素活性および熱安定性の両方が従来より向上した、FADGDH酵素活性を有するタンパク質を提供すること。
【解決手段】フラビンアデニンジヌクレオチド依存型グルコース脱水素酵素活性を有する、Aspergillus terreus var. aureus由来タンパク質、または、Aspergillus oryzae由来タンパク質の特定のアミノ酸配列が、フラビンアデニンジヌクレオチド依存型グルコース脱水素酵素活性を有する好熱性糸状菌由来タンパク質の特定のアミノ酸配列に相当するアミノ酸配列で置換されてなるキメラタンパク質であって、特定のアミノ酸配列は、該好熱性糸状菌由来タンパク質をコードする該好熱性糸状菌由来のDNA塩基配列のエクソン2でコードされるポリペプチドに相当する第1のポリペプチドを含み、第1のポリペプチドが、好熱性糸状菌由来のエクソン2でコードされるポリペプチドで置換されていることを特徴とする。
【選択図】図9

Description

本発明は、フラビンアデニンジヌクレオチド依存型グルコース脱水素酵素活性を有するキメラタンパク質、該キメラタンパク質をコードする遺伝子、該遺伝子を含む組換えベクター、該遺伝子を含む形質転換体、上記遺伝子または上記形質転換体を用いたフラビンアデニンジヌクレオチド依存型グルコース脱水素酵素の製造方法、ならびに、上記キメラタンパク質を用いたグルコースセンサ、グルコース濃度測定方法およびバイオ燃料電池に関する。
血糖自己測定は、糖尿病患者が通常の自分の血糖値を把握し治療に生かすために重要である。血糖自己測定に用いられるセンサには、グルコースを基質とする酵素が利用されている。
グルコースオキシダーゼ(EC 1.1.3.4)は、血糖センサ用の酵素として古くから利用されており、グルコースに対する特異性が高く、熱安定性に優れているという利点を有している。しかし、グルコースオキシダーゼを用いた測定では、血液中の溶存酸素が測定値に影響してしまうという問題があった。
一方、溶存酸素の影響を受けない酵素として、例えば、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(NAD)依存性またはニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸(NADP)依存性のグルコースデヒドロゲナーゼ(GDH)(NAD(P)GDH:EC1.1.1.47)や、ピロロキノリンキノン(PQQ)依存性のGDH(PQQGDH:EC1.1.5.2)が、血糖センサ用の酵素として知られている。しかし、NAD(P)GDHは、安定性に乏しく、補酵素の添加が必要であるといった欠点があり、また、PQQGDHは、基質特異性に乏しく、グルコース以外の糖類にも作用するという欠点がある。
このため、溶存酸素の影響を受けず、補酵素の添加も必要なく、基質特異性にも優れた酵素として、フラビンアデニンジヌクレオチド依存型グルコース脱水素酵素(FADGDH:EC1.1.99.10)が注目されている。FADGDHは、フラビンアデニンジヌクレオチド(FAD)を補酵素としてグルコースからD−グルコノ−1,5−ラクトンへの酸化反応を触媒する酵素であり、Aspergillus oryzaeやAspergillus terreusといった常温性糸状菌から発見されている。
Aspergillus oryzae、または、Aspergillus terreusの野生株から培養・精製して得られたFADGDHは、ある程度の熱安定性を有している。しかし、グルコースセンサ用試薬の作製工程において、酵素に加熱乾燥処理を施す場合や、保管時の環境温度が高温になる場合が考えられるため、グルコースセンサに用いる酵素は高い熱安定性を有していることが望ましい。
このため、特許文献1では、FADGDHの熱安定性を向上させるために、特定の変異を加えたFADGDHの構造遺伝子を用いて大腸菌で変異型FADGDHを発現させることにより、野生株で産生されたFADGDHと同等程度の熱安定性を有する変異型FADGDHが得られることが開示されている。また、特許文献2では、さらに熱安定性に優れたFADGDHとして、Talaromyces emersonii、Thermoascus crustaceusなどの好熱性糸状菌由来のFADGDHを用いることが開示されている。
国際公開第2009/119728号 国際公開第2014/045912号
特許文献1に開示される変異型FADGDHは、酵素活性に優れているものの、熱安定性は、特許文献2に開示される好熱性糸状菌由来FADGDH程高いとは言えない。一方、特許文献2に開示される好熱性糸状菌由来FADGDHは、極めて熱安定性が高いものの、酵素活性は、特許文献1に開示されるFADGDH等のAspergillus oryzae等の好熱性糸状菌以外の特定のAspergillus属糸状菌に由来するFADGDH程高いとは言えない。
本発明は、溶存酸素の影響を受けず、補酵素の添加も必要なく、そして、基質特異性にも優れているというFADGDHの優れた特性を保ちつつ、酵素活性および熱安定性の両方が従来より向上した、FADGDH酵素活性を有するタンパク質を提供することを目的とする。
〔1〕
フラビンアデニンジヌクレオチド依存型グルコース脱水素酵素活性を有する、Aspergillus terreus var. aureus由来タンパク質、または、Aspergillus oryzae由来タンパク質の特定のアミノ酸配列が、フラビンアデニンジヌクレオチド依存型グルコース脱水素酵素活性を有する好熱性糸状菌由来タンパク質の前記特定のアミノ酸配列に相当するアミノ酸配列で置換されてなるキメラタンパク質であって、
前記特定のアミノ酸配列は、前記好熱性糸状菌由来タンパク質のうち、該好熱性糸状菌由来タンパク質をコードする該好熱性糸状菌由来のDNA塩基配列のエクソン2でコードされるポリペプチドに相当する第1のポリペプチドを含み、
前記第1のポリペプチドが、前記好熱性糸状菌由来の前記エクソン2でコードされるポリペプチドで置換されていることを特徴とする、キメラタンパク質。
〔2〕
前記特定のアミノ酸配列は、前記好熱性糸状菌由来タンパク質のうち、該好熱性糸状菌由来タンパク質をコードする該好熱性糸状菌由来のDNA塩基配列のエクソン3でコードされるポリペプチドに相当する第2のポリペプチドを含まない、〔1〕に記載のキメラタンパク質。
〔3〕
前記Aspergillus terreus var. aureus由来タンパク質は、配列番号1に記載のアミノ酸配列、または、配列番号1に記載のアミノ酸配列からシグナルペプチドの少なくとも一部を除いたアミノ酸配列からなり、
前記Aspergillus oryzae由来タンパク質は、配列番号2に記載のアミノ酸配列、または、配列番号2に記載のアミノ酸配列からシグナルペプチドの少なくとも一部を除いたアミノ酸配列からなる、〔1〕または〔2〕に記載のキメラタンパク質。
〔4〕
前記好熱性糸状菌由来タンパク質は、Talaromyces emersonii由来タンパク質、または、Thermoascus crustaceus由来タンパク質である、〔1〕〜〔3〕のいずれかに記載のキメラタンパク質。
〔5〕
前記Talaromyces emersonii由来タンパク質は、配列番号3に記載のアミノ酸配列、または、配列番号3に記載のアミノ酸配列からシグナルペプチドの少なくとも一部を除いたアミノ酸配列からなり、
前記Thermoascus crustaceus由来タンパク質は、配列番号4に記載のアミノ酸配列、または、配列番号4に記載のアミノ酸配列からシグナルペプチドの少なくとも一部を除いたアミノ酸配列からなる、〔4〕に記載のキメラタンパク質。
〔6〕
糖鎖が付加された、〔1〕〜〔5〕のいずれかに記載のキメラタンパク質。
〔7〕
〔1〕〜〔5〕のいずれかに記載のキメラタンパク質をコードするキメラ遺伝子。
〔8〕
(A) 配列番号5に記載の塩基配列に対して、少なくとも344〜939番目の塩基配列を配列番号7または8に記載の塩基配列のエクソン2で置換する変異を導入してなるキメラDNA、または、
配列番号6に記載の塩基配列に対して、少なくとも347〜942番目の塩基配列を配列番号7または8に記載の塩基配列のエクソン2で置換する変異を導入してなるキメラDNA、
(B) 上記(A)のDNAの塩基配列からシグナルペプチドをコードする塩基配列の少なくとも一部を除いた塩基配列からなるDNA、および、
(C) 上記(A)または(B)のDNAの塩基配列と、イントロンとを含むDNA
のいずれかのDNAからなる遺伝子。
〔9〕
〔7〕または〔8〕に記載の遺伝子を含む組換えベクター。
〔10〕
〔7〕または〔8〕に記載の遺伝子を含む形質転換体。
〔11〕
〔7〕または〔8〕に記載の遺伝子を用いたフラビンアデニンジヌクレオチド依存型グルコース脱水素酵素の製造方法。
〔12〕
〔10〕に記載の形質転換体を用いたフラビンアデニンジヌクレオチド依存型グルコース脱水素酵素の製造方法。
〔13〕
〔1〕〜〔6〕のいずれかに記載のキメラタンパク質を含むグルコース濃度測定試薬。
〔14〕
〔1〕〜〔6〕のいずれかに記載のキメラタンパク質を用いたグルコースセンサ。
〔15〕
〔1〕〜〔6〕のいずれかに記載のキメラタンパク質を用いたグルコース濃度測定方法。
〔16〕
〔1〕〜〔6〕のいずれかに記載のキメラタンパク質を用いたバイオ燃料電池。
本発明によれば、溶存酸素の影響を受けず、補酵素の添加も必要なく、そして、基質特異性にも優れているというFADGDHの優れた特性を保ちつつ、酵素活性および熱安定性の両方が従来より向上した、FADGDH酵素活性を有するタンパク質を提供することができる。さらに、FADGDH酵素活性を有するタンパク質の基質親和性を高める(Km値を低下させる)ことができる。
参考例1での縮重PCR産物のアガロースゲル電気泳動の結果を示す写真である。 A.terreus var. aureus由来FADGDH遺伝子全領域を含むDNA断片の塩基配列を示す図である。 図2に示すAspergillus terreus var. aureus由来の塩基配列におけるエクソンの構成を示す模式図である。 A.terreus var. aureus由来FADGDH遺伝子のORFの塩基配列と、その塩基配列から類推されるアミノ酸配列を示す図である。 Ta.emersonii由来FADGDH遺伝子全領域を含むDNA断片の塩基配列を示す図である。 図5に示すTa.emersonii由来の塩基配列におけるエクソンの構成を示す模式図である。 Ta.emersonii由来FADGDH遺伝子のORFの塩基配列と、その塩基配列から類推されるアミノ酸配列を示す図である。 A.terreus var. aureus由来FADGDHのアミノ酸配列とTa.emersonii由来FADGDHのアミノ酸配列とを対比して示す図である。 試験例1のキメラタンパク質C1te〜C14teおよび比較例1、2のFADGDHの構造と、評価試験における酵素活性、Km、Tm等の測定結果を示す表である。 比較例1、2および試験例1のC1te〜C14teの確認試験におけるSDS−PAGEの結果を示す図である。 配列番号2に示すA.oryzae由来の塩基配列におけるエクソンの構成を示す模式図である。 A.oryzae由来FADGDH遺伝子のORFの塩基配列と、その塩基配列から類推されるアミノ酸配列を示す図である。 A.oryzae由来FADGDHのアミノ酸配列とTa.emersonii由来FADGDHのアミノ酸配列とを対比して示す図である。 評価試験におけるキメラタンパク質C3oe、C4oe、C7oeおよび比較例3、2の構造と、評価試験における酵素活性、Km、Tm等の測定結果を示す表である。 試験例2の確認試験における試験例2の一部(C3oe、C4oe、C7oe)、比較例3および比較例2のSDS−PAGEの結果を示す図である。
以下、本発明の実施形態について説明する。なお、各実施形態は例示であり、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。実施形態2以降では実施形態1と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については実施形態毎には逐次言及しない。
(実施形態1)
本実施形態の発明は、フラビンアデニンジヌクレオチド依存型グルコース脱水素酵素活性を有する、Aspergillus terreus var. aureus由来タンパク質、または、Aspergillus oryzae由来タンパク質の特定のアミノ酸配列が、フラビンアデニンジヌクレオチド依存型グルコース脱水素酵素活性を有する好熱性糸状菌由来タンパク質の特定のアミノ酸配列に相当するアミノ酸配列で置換されてなるキメラタンパク質であって、
特定のアミノ酸配列は、該好熱性糸状菌由来タンパク質をコードする該好熱性糸状菌由来のDNA塩基配列のエクソン2(5’末端側から2番目のエクソン)でコードされるポリペプチドに相当するポリペプチド(第1のポリペプチド)を含み、
第1のポリペプチドが、好熱性糸状菌由来のエクソン2でコードされるポリペプチドで置換されていることを特徴とする、キメラタンパク質である。
Aspergillus terreus var. aureus由来タンパク質は、配列番号1に記載のアミノ酸配列、または、配列番号1に記載のアミノ酸配列からシグナルペプチドの少なくとも一部を除いたアミノ酸配列からなることが好ましい。Aspergillus terreus var. aureus由来のFADGDHは、本発明者らによってFADGDH活性を有し、高い酵素活性を有することが確認されている。なお、配列番号1は、「野生型のAspergillus terreus var. aureus由来のFADGDHのアミノ酸配列」であって、シグナルペプチドも含んでいる。
シグナルペプチドは、糸状菌等によるタンパク質分子の生合成の過程において、細胞内で生合成されたタンパク質を、適切な場所に輸送するために不可欠な構造である。シグナルペプチド部分は、例えば配列番号1のような「シグナルペプチドを含むアミノ酸配列」をコードする遺伝子の情報に基づいて、いったんは合成されるが、最終的にはその役割を終えた後、その少なくとも一部が切除される(成熟タンパク質)。
また、Aspergillus oryzae由来タンパク質は、配列番号2に記載のアミノ酸配列、または、配列番号2に記載のアミノ酸配列からシグナルペプチドの少なくとも一部を除いたアミノ酸配列からなることが好ましい。Aspergillus oryzae由来のFADGDHは、特許文献1等においてFADGDH活性を有し、高い酵素活性を有することが本発明者らの本試験例によって確認されている。なお、配列番号2は、「野生型のAspergillus oryzae由来のFADGDHのアミノ酸配列」であって、シグナルペプチドも含んでいる。
好熱性糸状菌は、FADGDH活性を有し、かつ熱安定性に優れたタンパク質を産生するものであれば特に限定されないが、至適生育温度が35°C以上であるか、あるいは、生育限界温度が50°C以上である糸状菌であることが好ましい。
具体的な好熱性糸状菌としては、例えば、Talaromyces emersonii(Ta.emersonii:NBRC31232)、Thermoascus crustaceus(Th.crustaseus:NBRC9129,9816)、Thermoascus aurantiacus(NBRC6766,9748)などが挙げられる。
なお、Aspergillus terreus var. aureus、Aspergillus oryzae、および、上記の好熱性糸状菌は、独立行政法人製品評価技術基盤機構バイオテクノロジー本部生物資源部門(NBRC)より購入することができる。
なお、上記の好熱性糸状菌の具体例は、本発明者らによってFADGDHを産生することやアミノ酸配列等が確認された好熱性糸状菌であり、Ta.emersoniiおよびTh.crustaseus以外の好熱性糸状菌について、そのような知見は本願の出願時において公知のものではない。
本発明者らの検討結果から、好熱性糸状菌由来FADGDHを構成するアミノ酸配列のうち、該FADGDHをコードする遺伝子のエクソン2でコードされる配列(第1のポリペプチド)が熱安定性を向上させる機能を有していると考えられる。したがって、酵素活性が高いAspergillus terreus var. aureus由来タンパク質、または、Aspergillus oryzae由来タンパク質の一部のポリペプチドを、好熱性糸状菌由来FADGDHのエクソン2でコードされるポリペプチドに置換することで、高い活性と高い熱安定性との両方を兼ね備えたキメラタンパク質(キメラFADGDH)を得ることができる。
また、本発明者らの検討結果から、本実施形態のキメラタンパク質(キメラFADGDH)は、予想外にも基質親和性が高い(Km値が低い)ものである傾向を有することがわかっており、この点においても有利である。
上記特定のアミノ酸配列は、好熱性糸状菌由来FADGDHをコードする該好熱性糸状菌由来のDNA塩基配列のエクソン3でコードされるポリペプチドに相当するポリペプチド(第2のポリペプチド)を含まないことが好ましい。第2のポリペプチドは、例えば、後述の図8に示すA.terreus var. aureusのアミノ酸配列のE3で示される部分、または、図13に示すA.oryzaeのアミノ酸配列のE3で示される部分である。言い換えれば、この第2のポリペプチドの部分は、好熱性糸状菌由来のポリペプチドで置換されないことが好ましい。
この第2のポリペプチドは、Aspergillus terreus var. aureus由来タンパク質、または、Aspergillus oryzae由来タンパク質において、酵素活性を高める役割を担っていると考えられ、この第2のポリペプチドは、好熱性糸状菌由来のポリペプチドで置換しない方が酵素活性を高く維持できるからである。したがって、この場合、より確実に、極めて高い活性と熱安定性との両方を兼ね備えたキメラFADGDHを得ることができる。
なお、本発明者らの検討結果から、本実施形態のキメラタンパク質は、基質親和性が高い(Km値が低い)ものである傾向を有することが分かっており、この点においても有利である。
本発明のタンパク質(酵素)は、糖鎖が付加されたものであることが好ましい。一般に糖鎖が付加されたタンパク質は糖鎖が付加されたタンパク質よりも熱安定性等に優れる場合が多いからである。なお、熱安定性は、所定の温度および時間の熱処理後に、酵素のFADGDH活性を測定し、その熱処理前のFADGDH活性値に対する比率を求めることにより判断される。Km値、FADGDH活性は、種々公知の方法で測定することができる。
(実施形態2)
本実施形態の発明は、上記実施形態1のキメラタンパク質をコードする遺伝子である。具体的には、例えば、(A)配列番号5に記載の塩基配列に対して、少なくとも344〜939番目の塩基配列を配列番号7または8に記載の塩基配列のエクソン2で置換する変異を導入してなるキメラDNA、または、
配列番号6に記載の塩基配列に対して、少なくとも347〜942番目の塩基配列を配列番号7または8に記載の塩基配列のエクソン2で置換する変異を導入してなるキメラDNA、
(B)上記(A)のDNAの塩基配列からシグナルペプチドをコードする塩基配列の少なくとも一部を除いた塩基配列からなるDNA、および、
(C)上記(A)または(B)のDNAの塩基配列と、イントロンとを含むDNA
のいずれかのDNAからなる遺伝子が挙げられる。
配列番号5は、「野生型のAspergillus terreus var. aureus由来のFADGDHをコードする遺伝子の塩基配列」であって、イントロンを削除したエクソンのみからなる1779塩基の配列であり、シグナルペプチドをコードする塩基配列を含んでおり、終止コドンを含む。
配列番号6は、「野生型のAspergillus oryzae由来のFADGDHをコードする遺伝子の塩基配列」であって、イントロンを削除したエクソンのみからなる1782塩基の配列であり、シグナルペプチドをコードする塩基配列を含んでおり、終止コドンを含む。
配列番号7は、「野生型のTa.emersonii由来のFADGDHをコードする遺伝子の塩基配列」であって、イントロンを削除したエクソンのみからなる1782塩基の配列であり、シグナルペプチドをコードする塩基配列を含んでおり、終止コドンを含む。
配列番号8は、「野生型のThermoascus crustaceus由来のFADGDHをコードする遺伝子の塩基配列」であって、イントロンを削除したエクソンのみからなる1755塩基の配列であり、シグナルペプチドをコードする塩基配列を含んでおり、終止コドンを含む。
「上記(A)または(B)のDNAの塩基配列と、イントロンとを含むDNA」とは、上記(A)または(B)のDNAの塩基配列をエクソンとし、そのエクソン配列の途中にイントロン配列が介在しているDNAである。
本実施形態の遺伝子の塩基配列は、これらの具体例に限定されず、実施形態1のタンパク質(アミノ酸配列)をコードするものであればよく、FADGDHの発現を向上させるように、コドン出現頻度(Codon usage)を変えた塩基配列なども含まれる。
(実施形態3)
本実施形態の発明は、実施形態2の遺伝子を含む組換えベクターである。実施形態2の遺伝子は、例えば、プラスミドベクターと連結された組換えベクターとして、宿主微生物に導入され、該宿主はFADGDHを生産する形質転換体となる。
宿主に組換えベクターを導入する方法としては、例えば宿主が酵母の場合には、スフェロプラスト法や酢酸リチウム法などが用いられる。また、エレクトロポレーション法などを用いても良い。宿主が糸状菌の場合には、プロトプラスト化された細胞等が用いられる。宿主が大腸菌に属する微生物の場合には、カルシウムイオンの存在下で組換えDNAの導入を行う方法などを採用することができる。また、エレクトロポレーション法を用いても良い。さらに、市販のコンピテントセル(例えば、TaKaRa Competent Cell BL21;タカラバイオ)を用いても良い。
(実施形態4)
本実施形態の発明は、実施形態2の遺伝子を含む形質転換体である。形質転換体の宿主としては、酵母、糸状菌、大腸菌、動物細胞、昆虫細胞など目的に応じて様々な宿主を用いることができるが、糖鎖が付加されたタンパク質を生産するためには、宿主として酵母、糸状菌等の微生物由来の真核生物を用いることが好ましい。真核生物の中でも酵母は産業上多くの利用実績があり、例えば、Pichia pastoris(P.pastoris)、Saccharomyces cerevisiae、Schizosaccharomyces pombeが使用できる。
本実施形態の具体例としては、例えば、実施形態3の組換えベクターで形質転換された酵母が挙げられる。
(実施形態5)
本実施形態の発明は、実施形態2の遺伝子を用いたFADGDHの製造方法である。本実施形態では、例えば、実施形態4の形質転換体を用いることにより、FADGDHを製造することができる。具体的には、例えば、以下に示すような手順で製造することが可能である。
所望のFADGDHの遺伝情報を有するDNA(実施形態2の遺伝子)は、プラスミドベクターと連結された組換えベクターとして宿主に導入される。宿主については、上記実施形態4で説明した宿主と同様である。
こうして得られた形質転換体である微生物は、栄養培地で培養されることにより、多量のFADGDHを安定して生産し得る。形質転換体である宿主微生物の培養形態は宿主の栄養生理的性質を考慮して培養条件を選択すればよく、通常多くの場合は液体培養で行うが、工業的には通気攪拌培養を行うのが有利である。
培地の栄養源としては微生物の培養に通常用いられるものが広く使用される。炭素源としては資化可能な炭素化合物であればよく、例えば、グルコース、シュークロース、ラクトース、マルトース、糖蜜、ピルビン酸などが使用される。窒素源としては利用可能な窒素化合物であればよく、例えばペプトン、肉エキス、酵母エキス、カゼイン加水分解物、大豆粕アルカリ分解物などが使用される。その他、リン酸塩、炭酸塩、硫酸塩、マグネシウム、カルシウム、カリウム、鉄、マンガン、亜鉛などの塩類、特定のアミノ酸、特定のビタミンなどが必要に応じて使用される。
培地温度は、微生物が発育しFADGDHを生産する範囲で適宜変更し得るが、宿主が酵母の場合、好ましくは20℃以上35℃以下であり、宿主が大腸菌の場合、好ましくは20℃以上42℃以下である。培養時間は培養条件によって異なるが、FADGDHが最高収量に達する時期を見計らって適当な時期に培養を終了すればよく、通常、培養時間は6時間以上72時間以下である。培地pHは、菌が発育しFADGDHを生産する範囲で適宜変更しうるが、好ましくはpH5.0以上9.0以下である。
FADGDHを生産する微生物を含む培養液をそのまま採取し利用することもできるが、一般にはFADGDHが培養液中に存在する場合、濾過、遠心分離などにより、タンパク質を含有する溶液と微生物とを分離した後に利用される。一方、FADGDHが微生物の体内に存在する場合は、得られた培養物から濾過または遠心分離などの手法により微生物を採取し、次いで、この微生物を機械的方法、または、リゾチームなどを用いた酵素的方法で破壊する。また必要に応じて、微生物を含む液中にEDTA等のキレート剤、界面活性剤などを添加して、FADGDHを可溶化し、溶液としてFADGDHを分離採取する。
このようにして得られたFADGDH含有溶液からFADGDHを回収する方法としては、例えば、減圧濃縮、膜濃縮、硫酸アンモニウムや硫酸ナトリウムなどを用いた塩析処理、または、親水性有機溶媒(例えばメタノール、エタノール、アセトン)による分別沈殿法が挙げられる。また、加温処理や等電点処理も有効な精製手段である。また、吸着剤やゲル濾過剤などを用いたゲル濾過、吸着クロマトグラフィー、イオン交換クロマトグラフィー、アフィニティークロマトグラフィーにより、FADGDHを精製することもできる。
なお、FADGDHの製造はこのような方法に限定されず、例えば、実施形態2の遺伝子を用いて無細胞タンパク質翻訳系によってFADGDHを製造することも可能である。
(実施形態6)
本実施形態の発明は、実施形態1のタンパク質を含むグルコース濃度測定試薬を用いたグルコースセンサである。
グルコース濃度測定試薬は、実施形態5の方法により製造されたFADGDHを少なくとも1回の測定に十分な量で含む。また、グルコース濃度測定試薬は、該FADGDH以外に、例えば、アッセイに必要な緩衝液、メディエーター、キャリブレーションカーブ作製のためのグルコース標準溶液を含み得る。グルコース濃度測定試薬の形態は特に限定されないが、グルコースセンサ用に適した種々の形態(例えば、凍結乾燥された試薬や、適切な保存容器中の溶液)で提供され得る。
グルコースセンサに用いられる電極は、特に限定されないが、カーボン電極、金電極、白金電極などを用いることができる。例えば、この電極上には、本発明のタンパク質(酵素:FADGDH)が固定化される。
固定化方法としては、架橋試薬を用いる方法、高分子マトリックス中に封入する方法、透析膜で被覆する方法、光架橋性ポリマー、導電性ポリマー、酸化還元ポリマーなどがあり、あるいはフェロセンあるいはその誘導体に代表される電子メディエーターとともにポリマー中に固定あるいは電極上に吸着固定してもよく、またこれらを組み合わせて用いてもよい。典型的には、グルタルアルデヒドを用いて、本発明のタンパク質(FADGDH)をカーボン電極上に固定化した後、アミン基を有する試薬で処理してグルタルアルデヒドを架橋する方法が用いられる。
(実施形態7)
本実施形態の発明は、実施形態1のタンパク質を用いたグルコース濃度測定方法である。グルコース濃度の測定は、例えば、以下のようにして行うことができる。
恒温セルに緩衝液を入れ、一定温度に維持する。メディエーターとしては、フェリシアン化カリウム、フェナジンメトサルフェートなどを用いることができる。作用電極として実施形態1のタンパク質(FADGDH)を固定化した電極を用い、対極(例えば白金電極)および参照電極(例えばAg/AgCl電極)を用いる。カーボン電極に一定の電圧を印加して、電流が定常になった後、グルコースを含む試料を加えて電流の増加を測定する。標準濃度のグルコース溶液により作製したキャリブレーションカーブに従い、試料中のグルコース濃度を計算することができる。
(実施形態8)
本実施形態の発明は、実施形態1のタンパク質(FADGDH)を用いたバイオ燃料電池である。FADGDHは、グルコースの脱水素反応を触媒し、この反応により生じた電子が電力として供給される。
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
(参考例1)
独立行政法人製品評価技術基盤機構バイオテクノロジー本部生物資源部門(NBRC)より購入したA.terreus var. aureus(NBRC30536)を対象として、特許文献2の実施例1と同様の方法で、FADGDH遺伝子のスクリーニングを行った。
購入した糸状菌は、ポテトデキストロース培地(Difco Laboratories)または麦芽エキス培地(2%麦芽エキス、2%グルコース、0.1%ペプトン)を用いて好気的に培養した。培養後の糸状菌からWizard Genomic DNA Purification Kit(Promega)を用いてゲノムDNAを抽出した。
なお、糸状菌の産生するタンパク質を分析することにより、FADGDH活性を有するタンパク質を探索するのは、FADGDHの産生量がごく微量であるため、現実的には困難である。このため、本発明者らは、FADGDHを産生することが知られている常温性糸状菌(Aspergillus属糸状菌)に由来するFADGDHの一次構造(アミノ酸配列)の共通部分に着目し、該共通部分のうちの特定のアミノ酸配列をコードする塩基配列に相当するプライマーを用いて、糸状菌ゲノムDNAを鋳型とする縮重PCR(ポリメラーゼ連鎖反応)を行ない、そのPCR産物を分析することにより、糸状菌がFADGDH活性を有するタンパク質を産生しているかどうかを判別することができた。
常温性糸状菌由来FADGDHのアミノ酸配列の共通部分のうちの特定のアミノ酸配列は、好ましくは、YDYIVVGGGTSGL、QVLRAGKALGGTSTINGMAYTRAEDVQID、RSNFHPVGTAAMM、または、NVRVVDASVLPFQVCGHLVSTLYAVAERAである。
本参考例では、縮重PCR用のプライマーとして、これらのアミノ酸配列の少なくとも一部をコードする塩基配列またはこれと相補的な塩基配列を含むプライマーである以下のプライマーを用いて、糸状菌ゲノムDNAを鋳型とする縮重PCR(ポリメラーゼ連鎖反応)を行った。
縮重PCR用のセンスプライマーとしては、
プライマーA(5’−TAYGAYTAYATCGTTYTYGGAGGCGG−3’:配列番号9)、
プライマーB(5’−CAAGTKCTNCGTGCRGGRAAGGCCCTTGG−3’:配列番号10)、または、
プライマーC(5’−ACSCGCGCMGAGGATGTCCAGAT−3’:配列番号11)
を用いた。
アンチセンスプライマーとしては、
プライマーD(5’−CATCATGGCAGCMGTKCCGACGGGRTGGAAGTT−3’:配列番号12)、または、
プライマーE(5’−GTGCTMACCAARTGGCCGCARACCTGGAA−3’:配列番号13)
を用いた。
なお、上記プライマーA〜Eは配列中にミックス塩基(K、N、M、R、S、Y)を含んでいるが、プライマーA〜Eの各々は、ミックス塩基の箇所において塩基配列が異なる複数種のプライマーの混合物を意味する。
上記の糸状菌から得たゲノムDNAを鋳型として、上記3種のセンスプライマーのいずれかと上記2種のアンチセンスプライマーのいずれかとの組合せを用いた6通りの縮重PCRを行った。得られたPCR産物をアガロースゲル電気泳動(1.2%アガロースゲル)に供し、泳動後のゲルについて臭化エチジウム染色を施すことによりPCR産物の存在を確認した。
その結果、A.terreus var. aureus(NBRC30536)のゲノムを鋳型として得られたPCR産物について、約1.3〜2.0kbの範囲でDNAバンドが検出された(図1)。なお、図1において、レーンMはマーカーであり、レーン1はプライマーAとDの組合せを用いた場合、レーン2はプライマーAとEの組合せを用いた場合、レーン3はプライマーBとDの組合せを用いた場合、レーン4はプライマーBとEの組合せを用いた場合、レーン5はプライマーCとDの組合せを用いた場合、レーン6はプライマーCとEの組合せを用いた場合を示している。
縮重PCRで増幅されたDNA断片を、pCR−Blunt−II−TOPO(Life Technologies)に連結した後に、大腸菌DH5α(タカラバイオ)にサブクローニングした。挿入DNA断片の塩基配列解析を行った結果、既報のアスペルギルス属糸状菌由来FADGDH遺伝子と高い相同性を有する遺伝子断片の増幅が確認された。このことから、A.terreus var. aureusのゲノムにFADGDH遺伝子が存在することが示唆された。
(比較例1:野生型)
本比較例では、Aspergillus terreus var. aureus(A.terreus var. aureus)由来の野生型FADGDHをPichia pastoris(P.pastoris)酵母を用いて製造した。以下、詳細について説明する。
(1)A.terreus var. aureus(NBRC30536)からのFADGDH遺伝子のクローニング
クローニングに先立ち、A.terreus var. aureus由来FADGDH遺伝子部分断片をプローブとするゲノムDNAのサザンハイブリダイゼーション解析を行った。A.terreus var. aureusゲノムDNAを各種制限酵素(New England BioLabs)で切断し、アガロースゲル電気泳動に供した。泳動後、ゲルに含まれているDNA断片を20×SSC(3M NaCl、0.3M クエン酸三ナトリウム、pH7.0)を用いたキャピラリー法によりナイロンメンブレン(Hybond−N+; GE Healthcare)に転写した。転写後のナイロンメンブレンとジゴキシゲニン標識プローブDNA(DIG DNA Labeling and Detection Kit; Roche)を混合し、65℃でハイブリダイゼーションを行った。プローブとハイブリダイズしたDNA断片はアルカリホスファターゼ標識抗DIG抗体(DIG DNA Labeling and detection Kit; Roche)を用いて検出した。
その結果、XhoIのレーンから約4.5kbの位置にプローブとハイブリダイズするDNAバンドが検出された。既報のアスペルギルス属糸状菌由来FADGDH遺伝子のオープンリーディングフレーム(ORF)が約1.8kbであることから、プローブとハイブリダイズするこの約4.5kbのXhoI断片が、A.terreus var. aureus由来FADGDH遺伝子の全領域を包括しているものと考えられた。
次に、Inverse PCRにより、A.terreus var. aureus由来FADGDH遺伝子の開始コドン近傍領域を含む5’−隣接領域(flanking area)と、終始コドン近傍領域を含む3’−隣接領域のクローニングを試みた。XhoIで切断したA.terreus var. aureusのゲノムDNAを調製用アガロースゲル電気泳動に供し、約4.5kbのDNA断片を回収した。このDNA断片をT4リガーゼ(タカラバイオ)により環状化し、Inverse PCRの鋳型とした。
A.terreus var. aureus由来FADGDH遺伝子内部配列に基づいて設計したプライマー30536GSP3(5’−GTTGTTCGACTCGATCTGAGTGAAAGC−3’)、および、プライマー30536GSP5(5’−CCCGATGTCTACGATGTCTTCGGCGACGAA−3’)を用いてInverse PCRを行った結果、約3.5kbの位置に単一のDNA断片が検出された。
このDNA断片をサブクローニングし塩基配列解析を行ったところ、A.terreus var. aureus由来FADGDH遺伝子の5’−隣接領域と3’−隣接領域の増幅に成功したことが分かった。
次に、5’−隣接領域および3’−隣接領域の配列に基づいて設計したプライマー30536GSP9(5’−CTCGAGATAAATTAACCTTGGGATGCGTTT−3’)と30536GSP10(5’−GTCGACGTTTAGCTGGACCGTTGGTGCAGG−3’)を用いてA.terreus var. aureus由来ゲノムDNAを鋳型とするPCRを行った。その結果、単一の約2.5kbのDNA断片の増幅が確認され、このDNA断片がA.terreus var. aureus由来FADGDH遺伝子全領域を含んでいることが分かった。
(2)A.terreus var. aureus由来FADGDH遺伝子の塩基配列解析
A.terreus var. aureus由来FADGDH遺伝子全領域を含むDNA断片の塩基配列はプライマーウォーキング法により決定した。A.terreus var. aureus由来FADGDH遺伝子全領域を含むDNA断片の塩基配列を図2に示す。
A.terreus var. aureus由来FADGDH遺伝子は、3つのエクソン(エクソン1;343bp、エクソン2;1218bp、エクソン3;215bp)から構成される1776bpのORF(592アミノ酸をコードする。終止コドンを含めると1779bp)を含んでいた(図2の下線部および図3参照)。
図4に、このようにして特定されたA.terreus var. aureus由来FADGDH遺伝子のORF(FADGDHコーディング領域)の塩基配列(終止コドンを含めると1779bp)と、その塩基配列から類推されるアミノ酸配列を示す。
図4に示すアミノ酸配列について、シグナルペプチドの存在の有無およびシグナルペプチド切断部位を、シグナルペプチド予測サーバーSignalP4.0(http://www.cbs.dtu.dk/services/SignalP/)により推測した。その結果、開始コドンに由来するメチオニン(Met1)から16番目のアラニン(Ala16)までの配列がシグナルペプチドとして同定された。また、図4に示すアミノ酸配列において、FAD結合に重要なFAD結合モチーフ(Gly−Gly−Gly−Thr−Ser−Gly)は完全に保存されていた。
(3)A.terreus var. aureus由来FADGDH遺伝子発現型プラスミドの作製
A.terreus var. aureus由来FADGDH遺伝子のコーディング領域をOverlap extension PCRにより合成した。
まず、各エクソンをPCR増幅した。エクソン1のPCR増幅には、プライマーとして、30536GSP11(5’−GCCATGTTGGGAACACTTTCATTCCTCAGT−3’)と30536E1A(5’−CGCCATGCCGTTGATAGTGCTGGTTCCGCC−3’)を用いた。エクソン2のPCR増幅には、プライマーとして、30536E2S(5’−ATCAACGGCATGGCGTATACGCGCGCCGAA−3’)と30536E2A(5’−AGAGCGATAGTTCTTGTCAAAGACCCATTC−3’)を用いた。エクソン3のPCR増幅には、プライマーとして、30536E3S(5’−AAGAACTATCGCTCTAACTTCCACCCCGTC−3’)と30536GSP12(5’−TGTCTAACGACGAGCAGCGTCGGCCTTGAT−3’)を用いた。
増幅したエクソン1とエクソン2とをOverlap−extension PCRにより連結した。さらに、連結したDNA断片とエクソン3とをOverlap extension PCRにより連結し、A.terreus var. aureus由来FADGDH遺伝子のコーディング領域を合成した。
次に、A.terreus var. aureus由来FADGDH遺伝子コーディング領域を鋳型として、分泌発現型プラスミド作製用プライマー30536Pic1(5’−AAAGAATTCGCACCTTTGTCCAACTCCACG−3’)および30536Pic2(5’−TTTGCGGCCGCTCAGTGGTGGTGGTGGTGGTGACGACGAGCAGCGTCGGCCTT−3’)を用いたPCRを行ない、シグナル配列を含まない成熟型FADGDHをコードする遺伝子を増幅した。なお、増幅した成熟型FADGDHをコードする遺伝子のC末端側にはヒスチジンタグを融合するためのヒスチジンのコドン(CAC)が付加されている。
増幅したDNA断片をEcoRIおよびNotIで切断した後に、P.pastoris(Pichia pastoris)用分泌発現ベクターpPIC9(Life Technologies)の同一制限酵素サイトに連結することにより、A.terreus var. aureus由来FADGDH遺伝子分泌発現型プラスミドを作製した。成熟型FADGDHをコードする遺伝子をpPIC9に連結することにより、成熟型FADGDHをコードする遺伝子の上流には酵母用シグナル配列が融合されている。このようにして、A.terreus var. aureus由来FADGDH遺伝子分泌発現型プラスミドを作製した。
(4)A.terreus var. aureus由来FADGDH遺伝子の酵母における発現と組換え酵素の精製
A.terreus var. aureus由来FADGDH分泌発現型プラスミドをP.pastoris GS115株(Life Technologies)に導入した。分泌発現型プラスミドを導入したGS115株をBMG培地(100mMリン酸カリウム緩衝液:pH6.0、1.34%酵母ニトロゲンベース、4×10−5%ビオチン、1%グリセロール)で2日間培養した(前培養)。前培養により取得した菌体をBMM培地(100mMリン酸カリウム緩衝液:pH6.0、1.34%酵母ニトロゲンベース、4×10−5%ビオチン、0.5%メタノール)に植菌し、5日間ほど30℃で好気的に培養した。
培養後の培養上清を回収し、PBS緩衝液に対して透析を行った。透析後の培養上清をPBS緩衝液で平衡化したNi−NTA Agarose(QIAGEN)カラム(直径2.0cm、高さ2.0cm)に供した。カラムをPBS緩衝液で洗浄した後に、吸着したタンパク質を200mMイミダゾールを含む20mM Hepes−NaOH緩衝液(pH7.5)で溶出した。溶出画分をAmicon Ultra−15 MWCO10(Merck Millipre)を用いて脱塩処理を施し、A.terreus var. aureus由来FADGDHを含むFADGDH精製標品を得た。
(比較例2:野生型)
本比較例は、Talaromyces emersonii(NBRC31232)(Ta.emersonii)由来の野生型FADGDHであり、特許文献2の実施例6と同様にして酵母(Pichia pastoris)を用いて製造したFADGDHの精製標品である。
Ta.emersonii由来FADGDH遺伝子全領域を含むDNA断片の塩基配列を図5に示す。このTa.emersonii由来FADGDH遺伝子は、4つのエクソン(エクソン1;346bp、エクソン2;598bp、エクソン3;614bp、エクソン4;221bp)から構成される1779bpのORF(593アミノ酸をコード)を含んでいた(図5の下線部および図6参照)。
図7に、Ta.emersonii由来FADGDH遺伝子のORF(FADGDHコーディング領域)の塩基配列(終止コドンを含めると1782bp)と、その塩基配列から類推されるアミノ酸配列を示す。これらは、そのクローニング方法や解析方法とともに特許文献2に詳細に開示されている。
Ta.emersonii由来FADGDH遺伝子の酵母における発現と組換え酵素の精製は、比較例1と同様の方法で行い、Ta.emersonii由来FADGDHを含むFADGDH精製標品を得た。
[試験例1]
本試験例では、A.terreus var. aureus由来FADGDHの一部のポリペプチドをTa.emersonii由来FADGDHのエクソン単位相当のポリペプチドで置換してなるキメラタンパク質を作製した。
本試験例では、図2に示されるA.terreus var. aureus由来FADGDH遺伝子のコーディング領域の塩基配列が、Ta.emersonii由来FADGDH遺伝子のエクソン1〜4の少なくともいずれかで置換された、図9の表に示される構造を有する、14種類のキメラFADGDH遺伝子の分泌発現型プラスミドを作製した。なお、本試験例では、図9の表に示される14種類の構造を有するキメラタンパク質をそれぞれC1te〜C14teと表記している。なお、CはChimeraの頭文字を、末尾の2文字は、terreusとemersoniiの頭文字を表す。
まず、Gibson Assembly Master Mix(New England Biolabs)のプロトコールに従って、Ta.emersonii由来FADGDH遺伝子の各エクソン(E1〜E4)、および、Ta.emersonii由来FADGDH遺伝子の各エクソンの塩基配列に該当するA.terreus var. aureus由来FADGDH遺伝子の各塩基配列(E1〜E4と定義する)を増幅するプライマーを作製し、KOD−Plus−Neo(東洋紡)によるPCR増幅を行なった。
次に、図9に示される14種類のキメラタンパク質の構造に該当するPCR増幅された各エクソン断片と、EcoRIとNotIで切断したpPIC9ベクターをGibson Assembly Master Mixにより連結させることで、キメラFADGDH遺伝子の分泌発現型プラスミドを作製した。作製した遺伝子はDNAシークエンス解析により配列を確認した。
PCR増幅に使用した14種類のプライマーを以下に示す:

(1) CPicG1(5’−AAAAGAGAGGCTGAAGCTTACGTAGAATTC−3’)
(2) CPicG2(5’−CATGTCTAAGGCGAATTAATTCGCGGCCGC−3’)
(3) C1teE1A(5’−AGGCCATTCCGTTGATAGTGCTGGTTCCGC−3’)
(4) C1teE2S(5’−CTATCAACGGAATGGCCTATACGCGCGCCC−3’)
(5) C1teE3A(5’−TAGAGCGATATGTCTCCTTCAGCCACGCCT−3’)
(6) C1teE4S(5’−AGGAGACATATCGCTCTAACTTCCACCCCG−3’)
(7) C4teE2A(5’−AAGAACGCTTGGATTCCCAACCCCAGAGAG−3’)
(8) C4teE3S(5’−GGGAATCCAAGCGTTCTTCAAAAGTTCAAC−3’)
(9) C5teE2A(5’−CAGAATGCTGGGGTTGCCAATCCCGGAAAG−3’)
(10) C5teE3S(5’−GGCAACCCCAGCATTCTGAACAAATACAAC−3’)
(11) C6teE1A(5’−ACGCCATGCCATTGATCGTGCTCGTGCCTC−3’)
(12) C6teE2S(5’−CGATCAATGGCATGGCGTATACGCGCGCCG−3’)
(13) C6teE3A(5’−TCGACCGATAGTTCTTGTCAAAGACCCATT−3’)
(14) C6teE4S(5’−ACAAGAACTATCGGTCGAATTTCCATCCCG−3’)

CPicG1は、A.terreus var. aureusおよびTa.emersonii由来FADGDHのエクソン1の増幅に共通して使用できるセンスプライマーである。CPicG2は、A.terreus var. aureusおよびTa.emersonii由来FADGDHのエクソン4の増幅に共通して使用できるアンチセンスプライマーである。C1teE1Aは、C1teに該当するエクソン1を増幅するためのアンチセンスプライマーである。C1teE2Sは、C1teに該当するエクソン2を増幅するためのセンスプライマーである。上記に示す残りのC4teE2A〜C6teE4Sのプライマーも同様に、C4te〜C6teに該当するエクソン1〜4を増幅するためのアンチセンス(またはセンス)プライマーである。
例えば、C1te遺伝子を連結したpPIC9プラスミドを作製する場合、表1に示す鋳型プラスミドとプライマーの組合せで各エクソンをPCR増幅し、Gibson Assembly Master Mixにより、EcoRIとNotIで切断したpPIC9ベクターと連結できる。なお、鋳型プラスミドには野生型A.terreus var. aureusまたは野生型Ta.emersonii由来FADGDH遺伝子を連結したpPIC9(pPIC9_30536、およびpPIC9_31232)のいずれかを使用する。
また、C11te遺伝子を連結したpPIC9プラスミドを作製する場合、表2に示す鋳型プラスミドとプライマーの組合せで各エクソンをPCR増幅し、Gibson Assembly Master Mixにより、EcoRIとNotIで切断したpPIC9ベクターと連結できる。
このようにして、上記に示す14種類のプライマーを使用して、14種類のキメラFADGDH遺伝子の分泌発現型プラスミドを作製した。なお、作製したキメラFADGDHのエクソン1には、比較例1および比較例2と同様、A.terreus var. aureusまたはTa.emersonii由来FADGDHタンパク質のシグナル配列をコードする塩基配列は含まれていない。
作製したキメラFADGDH遺伝子の酵母における発現と組換え酵素の精製は、比較例1と同様の方法で行った。
このようにして、図8にE1〜E4として示されるA.terreus var. aureus由来FADGDHを構成する4つのポリペプチドの少なくともいずれかが、その各々に対応するTa.emersonii由来のポリペプチド(Ta.emersonii由来タンパク質をコードするDNA塩基配列のエクソン1〜4の各々でコードされるポリペプチド)で置換された、図9の表に示される構造を有する、14種類のキメラタンパク質(FADGDH)の精製標品を得た。
図8において、E1〜E4は、好熱性糸状菌(Ta.emersonii)のエクソン1〜4の各々がコードするアミノ酸配列(ポリペプチド)に、それぞれ対応する配列を示している。なお、上述のとおり、A.terreus var. aureus由来FADGDHをコードする遺伝子は、3つのエクソンからなっており(図3)、図8のE1〜E4は、このエクソンの構成と一致するものではない。
(試験例1の確認試験)
次に、試験例1、比較例1および比較例2で得られたFADGDH精製標をSDS−ポリアクリルアミドゲル電気泳動(SDS−PAGE)に供した。まず、FADGDH精製標品中のタンパク質濃度を測定した。タンパク質濃度は、市販のタンパク質定量キット(Pierce BCA Protein Assay Reagent; サーモフィッシャーサイエンティフィック株式会社)を用いたBCA法により測定した。なお、該キットでは、標準タンパク質としては牛血清アルブミンを使用している。
得られた濃度測定値に基づいて、FADGDH5μgを含む精製標品を、SDS−PAGEに供した。SDS−PAGEはLaemmliの方法に準じて行った。SDS−ポリアクリルアミドゲルとしては、「e−PAGEL 10−20%」(アトー)を使用した。泳動後のゲルはCBB(Coomassie Brilliant Blue)ベースの染色液「GelCode Blue Safe Protein Stain」(サーモフィッシャーサイエンティフィック)により染色した。タンパク質マーカーには、「Unstained Protein Ladder Broad Range(10−250kDa)」(New England BioLabs)を使用した。
SDS−PAGEの結果を図10に示す。なお、各FADGDHのレーンの左側のレーンはタンパク質マーカーである。図10に示されるように、いずれのFADGDHについても、80〜250kDa程度の位置にバンドが見られた。
なお、図10において、A.terreus var. aureus由来FADGDH、Ta.emersonii由来FADGDH、および、各キメラFADGDHのアミノ酸配列から推定されるN型糖鎖の付加部位数を示している。A.terreus var. aureus由来FADGDHでは9箇所、Ta.emersonii由来FADGDHでは12箇所の推定上の糖鎖付加部位数があるが、SDS−PAGEの結果は糖鎖付加部位が少ないA.terreus var. aureus由来FADGDHの方がより高分子量であることを示しており、推定上の糖鎖付加部位数とSDS−PAGE上での分子量との間に比例関係は見出だせない。しかし、Ta.emersonii由来FADGDHのエクソン3でコードされるポリペプチドのアミノ酸配列がキメラタンパク質に含まれている場合は80〜150kDa付近に、同位置に相当するA.terreus var. aureus由来FADGDHのアミノ酸配列がキメラタンパク質に含まれている場合は150〜250kDa付近に主バンドが現れる傾向が見られる。
(比較例3)
本比較例は、Aspergillus oryzae(A.oryzae) T1株由来の野生型FADGDHであり、以下のようにして作製したFADGDH遺伝子分泌発現型プラスミドを用いる点以外は、基本的に特許文献2の実施例6と同様にして酵母(Pichia pastoris)を用いて製造したFADGDHの精製標品である。以下、本比較例で用いられるプラスミドの作製について説明する。
特許文献1の配列番号41に記載のA.oryzae T1株由来FADGDH遺伝子の塩基配列を、人工合成により作製した。A.oryzae T1株由来FADGDH遺伝子全領域を含む塩基配列は公知であり(例えば、特許文献1の配列番号41参照)、1779bpのORF(593アミノ酸)をコードし、終止コドンを含めると1782bpを含んでいることが知られている。図12に、A.oryzae由来FADGDH遺伝子のORF(FADGDHコーディング領域)の塩基配列(終止コドンを含めると1782bp)と、その塩基配列から類推されるアミノ酸配列を示す。
当該遺伝子の塩基配列を、ゲノムの塩基配列が既知であるA.oryzae RIB40株などにおいてBLAST検索したところ、ほとんどのA.oryzae株は相同性が約99%一致した遺伝子を有しており、いずれも4つのエクソンで構成され、かつ、共通した位置に3つのイントロンが含まれることが推測された。この結果より、A.oryzae T1株由来FADGDH遺伝子は4つのエクソンで構成され、エクソン1;346bp、エクソン2;598bp、エクソン3;620bp、エクソン4;215bpから構成されることが推測された(図11参照)。
次に、A.oryzae由来FADGDH遺伝子コーディング領域を鋳型として、分泌発現型プラスミド作製用プライマーAOPic1(5’−AAAGAATTCTCACCGGCTGGACGGGCCAAG−3’)およびA0Pic2(5’−TTTGCGGCCGCCTAGTGGTGGTGGTGGTGGTGAGCACTCTTCGCATCCTCCTT−3’)を用いたPCRを行ない、成熟型FADGDHをコードする遺伝子を増幅した。なお、増幅した成熟型FADGDHをコードする遺伝子のC末端側にはヒスチジンタグを融合するためのヒスチジンのコドン(CAC)が付加されている。
増幅したDNA断片をEcoRIおよびNotIで切断した後に、P.pastoris(Pichia pastoris)用分泌発現ベクターpPIC9(Life Technologies)の同一制限酵素サイトに連結することにより、A.oryzae由来FADGDH遺伝子分泌発現型プラスミドを作製した。成熟型FADGDHをコードする遺伝子をpPIC9に連結することにより、成熟型FADGDHをコードする遺伝子の上流には酵母用シグナル配列が融合されている。このようにして、A.oryzae由来FADGDH遺伝子分泌発現型プラスミドを作製した。
[試験例2]
本試験例では、A.oryzae由来FADGDHの一部のポリペプチドをTa.emersonii由来FADGDHのエクソン単位相当のポリペプチドで置換してなるキメラタンパク質を作製した。
本試験例では、図12に示されるA.oryzae由来FADGDH遺伝子のコーディング領域の塩基配列が、Ta.emersonii由来FADGDH遺伝子のエクソン1〜4の少なくともいずれかで置換された、図9の表に示された構造(ここでは、A.terreus var. aureusではなくA.oryzae由来FADGDHの遺伝子)を有する、14種類のキメラFADGDH遺伝子の分泌発現型プラスミドを作製した。なお、本試験例では、14種類の構造を有するキメラタンパク質をそれぞれC1oe〜C14oeと表記する。なお、CはChimeraの頭文字を、末尾の2文字は、oryzaeとemersoniiの頭文字を表す。
試験に用いるプライマー以外は試験例1と同様の方法を用い、14種類のキメラFADGDH遺伝子の分泌発現型プラスミドを作製した。PCR増幅に使用した14種類のプライマーを以下に示す:

(1) CPicG1(5’−AAAAGAGAGGCTGAAGCTTACGTAGAATTC−3’)
(2) CPicG2(5’−CATGTCTAAGGCGAATTAATTCGCGGCCGC−3’)
(3) C1oeE1A(5’−AGGCCATTCCATTGATTGTACTGGTTCCTC−3’)
(4) C1oeE2S(5’−CAATCAATGGAATGGCCTATACGCGCGCCC−3’)
(5) C1oeE3A(5’−TGGAACGATATGTCTCCTTCAGCCACGCCT−3’)
(6) C1oeE4S(5’−AGGAGACATATCGTTCCAACTTCCACCCCG−3’)
(7) C4oeE2A(5’−GAGGATGGTTGGATTCCCAACCCCAGAGAG−3’)
(8) C4oeE3S(5’−GGGAATCCAACCATCCTCAAAAAGAACAAC−3’)
(9) C5oeE2A(5’−CAGAATGCTTGGGTTTCCAACTCCTGAAAG−3’)
(10) C5oeE3S(5’−GGAAACCCAAGCATTCTGAACAAATACAAC−3’)
(11) C6oeE1A(5’−AGGCCATTCCATTGATCGTGCTCGTGCCTC−3’)
(12) C6oeE2S(5’−CGATCAATGGAATGGCCTATACCCGCGCAG−3’)
(13) C6oeE3A(5’−TCGACCGATAGTTAGCCTTGAGCCATTCAA−3’)
(14) C6oeE4S(5’−AGGCTAACTATCGGTCGAATTTCCATCCCG−3’)

CPicG1は、A.oryzaeおよびTa.emersonii由来FADGDHのエクソン1の増幅に共通して使用できるセンスプライマーである。CPicG2は、A.oryzaeおよびTa.emersonii由来FADGDHのエクソン4の増幅に共通して使用できるアンチセンスプライマーである。C1oeE1Aは、C1oeに該当するエクソン1を増幅するためのアンチセンスプライマーである。C1oeE2Sは、C1oeに該当するエクソン2を増幅するためのセンスプライマーである。上記に示す残りのC4oeE2A〜C6oeE4Sのプライマーも同様に、C4oe〜C6oeに該当するエクソン1〜4を増幅するためのアンチセンス(またはセンス)プライマーである。
例えば、C3oe遺伝子を連結したpPIC9プラスミドを作製する場合、表3に示す鋳型プラスミドとプライマーの組合せで各エクソンをPCR増幅し、Gibson Assembly Master Mixにより、EcoRIとNotIで切断したpPIC9ベクターと連結できる。なお、鋳型プラスミドには野生型A.oryzaeまたは野生型Ta.emersonii由来FADGDH遺伝子を連結させたpPIC9(pPIC9_AO、およびpPIC9_31232)のいずれかを使用する。
このようにして、上記に示す14種類のプライマーを使用して、14種類のキメラFADGDH遺伝子の分泌発現型プラスミドを作製した。なお、作製したキメラFADGDHのエクソン1には、比較例2および比較例3と同様、A.oryzaeまたはTa.emersonii由来FADGDHタンパク質のシグナル配列をコードする塩基配列は含まれていない。
作製したキメラFADGDH遺伝子の酵母における発現と組換え酵素の精製は、比較例1と同様の方法で行った。
このようにして、試験例1と同様にして、図13にE1〜E4として示されるA.oryzae由来FADGDHを構成する4つのポリペプチドの少なくともいずれかが、それぞれに相当するTa.emersonii由来タンパク質をコードするDNA塩基配列のエクソン1〜4の各々でコードされるポリペプチドで置換された構造を有する、図14に記載した3種類のキメラタンパク質(FADGDH)の精製標品を得た。なお、本試験例では、これら3種類の構造を有するキメラタンパク質を、試験例1(図9の表)と同様に、C3oe、C4oe、C7oeと表記する。なお、末尾の2文字は、oryzaeとemersoniiの頭文字を表す。
(試験例2の確認試験)
次に、試験例2(C3oe、C4oe、C7oe:図14参照)、比較例3(A.oryzae由来)および比較例2(Ta.emersonii由来)で得られたFADGDH精製標を、上記試験例1の確認試験と同様に、SDS−PAGEに供した。
SDS−PAGEの結果を図15に示す。なお、各FADGDHのレーンの左側のレーンはタンパク質マーカーである。図15に示されるように、いずれのFADGDHについても、80〜250kDa程度の位置にバンドが見られた。図15中には、A.oryazae由来FADGDH、Ta.emersonii由来FADGDH、各キメラFADGDHのアミノ酸配列から推定されるN型糖鎖の付加部位数を示している。A.oryzae由来FADGDHでは9箇所、Ta.emersonii由来FADGDHでは12箇所の推定上の糖鎖付加部位数があるが、SDS−PAGEの結果は糖鎖付加部位数が少ないA.oryzae由来FADGDHがより高分子量まで検出されており、推定上の糖鎖付加部位数とSDS−PAGE上での分子量との間に比例関係は見出だせない。
[評価試験]
試験例1、2(キメラタンパク質)および比較例1〜3(野生型)で得られたFADGDH精製標品について、FADGDHの酵素活性に関する以下の各種特性(酵素活性、Km値、温度安定性、基質特異性)に関する評価試験を行った。なお、本評価試験における酵素活性測定原理、酵素活性の定義、活性測定方法は次のとおりである。
(酵素活性測定原理)
D−グルコース + 1−methoxyPMS + FADGDH
→ D−グルコノ−1,5−ラクトン + 1−methoxyPMS(還元型)
+ FADGDH(酸化型)
1−methoxyPMS(還元型) + DCPIP
→ 1−methoxyPMS + DCPIP(還元型)
還元型1−メトキシフェナジンメトサルフェート(1−methoxyPMS)による2,6−ジクロロフェノリンドフェノール(DCPIP)の還元により生じた還元型DCPIP量は、分光光度計を用いて600nmの吸光度を測定することにより計測した。また、基質特異性の検討においては、D−グルコースを他の糖類に変更し、それぞれの糖類(基質)に対する酵素活性を測定した。
(酵素活性の定義)
酵素の活性(FADGDH活性)は、37℃、pH7.0の条件下において還元型DCPIPを1分あたりに1マイクロモル形成させるFADGDH量を1ユニットとして定義する。
具体的に、FADGDH活性は、後述の吸光度変化(ΔODTEST、ΔODBLANK)から以下の式により求められる。

FADGDH活性(U/mL)
=[(ΔODTEST−ΔODBLANK)×3.1]/(16.3×0.1×希釈率)

なお、式中の各定数は、
3.1 : FADGDH溶液混和後の反応液の容量(mL)
16.3 : DCPIPのミリモル分子吸光係数(mM−1・cm−1
0.1 : FADGDH溶液の容量(mL)
である。
(活性測定方法)
(1) キュベット内で以下の組成で反応液を混合する。
0.1M リン酸カリウムバッファー(pH7.0) 1.5mL
1M グルコース溶液 0.9mL
1.75mM 2,6-Dichlorophenolindophenol(DCPIP) 0.12mL
20mM 1-Methoxy-5-methylphenazium methylsulfate(1-mPMS) 0.021mL
10% TritonX−100 0.06mL
O 0.399mL
(2) 37℃で10分間プレインキュベートする。
(3) FADGDH溶液を0.1mL加えて転倒混和し、37℃で反応させる。この間、吸光光度計を用いて600nmでの吸光度を記録し、1分間あたりの吸光度変化(ΔODTEST)を算出する。
(4) 対照として、酵素液(上述の反応液にFADGDH溶液を加えた液)の代わりに等量の酵素希釈用液(50mMのリン酸カリウムバッファー(pH7.0)に0.01%のTritonX−100を添加した液)について、(3)と同様に吸光度変化を記録し、1分間あたりの吸光度変化(ΔODBLANK)を算出する。
<酵素活性、Km>
ここでは、酵素活性(反応速度)について検討した。具体的には、上記活性測定方法と同様にして、グルコース溶液の濃度を0〜2Mに変化させて、FADGDH精製標品の酵素活性を測定した。
グルコース溶液の濃度(基質濃度)が300mMであるときの活性を図9の表(試験例1、比較例1および2)および図14の表(試験例2(C3oe、C4oe、C7oe)、比較例3および2)に示す。なお、図9および図14の表において、活性(U/mg)は酵素1mgあたりの活性であり、活性(U/μmol−FAD)は酵素に結合しているFAD(ホロ化酵素)1μmolあたりの活性である。
さらに、上記測定結果に基づいて、FADGDH精製標品の各々について、イーディー−ホフステープロット(Eadie−Hofstee plot)を作成した。なお、Kmはラインウィーバーバークプロット(Lineweaver−Burke plot)により求めることもできる。ラインウィーバーバークプロットにおいて、直線のX切片が−1/Kmとなるため、グラフからKmを求めることができる。本評価試験では上記2つのプロットを行なった結果、イーディー−ホフステープロットの方が比較的精度の良いKm値が得られたため、イーディー−ホフステープロットにより求めたKm値を記載した。なお、Kmはミカエリス定数であり、Vmaxは酵素が基質で飽和したときの最大速度である。
イーディーホフスティープロットから求めた試験例1のC4te、比較例1および2のFADGDHのKm値およびVmaxを表4に示す。また、試験例2(C3oe、C4oe、C7oe)、比較例3および2のKm値およびVmaxを図14の表に示す。
<温度安定性>
ここでは、酵素活性の温度安定性の評価を行った。まず、実施例で得られたFADGDH精製標品について、上記活性測定方法により酵素活性を測定した。それらの測定値に基づいて、終濃度50mMクエン酸バッファーを含有し、pH5.0であり、1×10−3重量%TritonX−100を含有し、酵素活性が10U/mLとなるように、酵素溶液(FADGDH溶液)を調製した。)
このFADGDH溶液をマイクロチューブに分注し、PCRマシーンを用いて5℃〜70℃の範囲内の所定の温度で15分間加熱した。加熱前後の酵素活性を測定し、加熱前の酵素活性に対する加熱後の酵素活性の比率(残活性率)を求め、変性の中点の温度の(Tm)を算出した。)結果を図9の表(試験例1、比較例1および2)および図14の表(試験例2の一部(C3oe、C4oe、C7oe)、比較例3および2)に示す。
図9の表に示されるTmの結果において、図8に示されるE2のポリペプチド(第1のポリペプチド)が好熱性糸状菌(Ta.emersonii)由来のポリペプチドに置換されたキメラタンパク質は、すべて比較例1(A. terreus var. aureus由来FADGDH)よりTmが高くなっており、他のキメラタンパク質はすべて比較例1よりもTmが同等かそれよりも低くなっていることがわかる。なお、図14の表に示されるTmの結果も同様の傾向が示されている。このことから、好熱性糸状菌由来FADGDHを構成するアミノ酸のうち、該FADGDHをコードする遺伝子のエクソン2でコードされるポリペプチドが熱安定性を向上させる機能を有していると考えられる。
また、図9の表に示される活性の結果において、図8に示されるE3のポリペプチド(第2のポリペプチド)が好熱性糸状菌由来のポリペプチドに置換されたキメラタンパク質は活性が低く、E3のポリペプチドが置換されていないキメラタンパク質の方が活性が高い傾向があることが分かる。なお、図14の表に示される活性の結果でも同様の傾向が示されている。このことから、第2のポリペプチド(E3)は、Aspergillus terreus var. aureus由来タンパク質、または、Aspergillus oryzae由来タンパク質において、酵素活性を高める役割を担っていると考えられ、この第2のポリペプチドは、好熱性糸状菌由来のポリペプチドで置換しない方が酵素活性を高く維持できると考えられる。
また、表4および図14の表に示されるKmの結果から、C4te(試験例1)およびC4oe(試験例2)のキメラFADGDHのKm値は、意外にも比較例1〜3の野生型FADGDHのいずれに対しても低くなっていることが分かる。なお、酵素のKm値が小さいほど、酵素の基質親和性が高いことを意味する。
<基質特異性>
ここでは、比較例1〜3の野生型FADGDH、並びに、C4te(試験例1)、C4oe(試験例2)およびC7oe(試験例2)のキメラFADGDHについて、基質特異性(グルコースおよびグルコース以外の糖類を基質とするかどうか)を確認した。
具体的には、まず、グルコース濃度が40mMの場合に十分な酵素活性が得られる酵素濃度に、それぞれの酵素溶液(FADGDH溶液)を調製した。これらのFADGDH溶液について、上記活性測定方法を上記反応液中の糖類の濃度が40mMとなるように調製し、酵素活性を測定した。なお、酵素が含まれない場合を対照とし、それぞれの糖に対して対照をとった。グルコースについて酵素活性の測定値を100(%)としたときの他の各糖類の相対活性を算出し、結果を表5にまとめた。なお、DCPIP吸光度の変化量が対照と比較して有意差がないものに関しては活性がないと判断し、「N.D.」(Not detected)と表記した。
表5に示される結果から、キメラタンパク質(C4te、C4oe、C7oe)は、比較例1〜3の野生型FADGDHと同様に、グルコースに対する基質特異性が高いものであることが分かる。
今回開示された実施形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

Claims (16)

  1. フラビンアデニンジヌクレオチド依存型グルコース脱水素酵素活性を有する、Aspergillus terreus var. aureus由来タンパク質、または、Aspergillus oryzae由来タンパク質の特定のアミノ酸配列が、フラビンアデニンジヌクレオチド依存型グルコース脱水素酵素活性を有する好熱性糸状菌由来タンパク質の前記特定のアミノ酸配列に相当するアミノ酸配列で置換されてなるキメラタンパク質であって、
    前記特定のアミノ酸配列は、該好熱性糸状菌由来タンパク質をコードする該好熱性糸状菌由来のDNA塩基配列のエクソン2でコードされるポリペプチドに相当する第1のポリペプチドを含み、
    前記第1のポリペプチドが、前記好熱性糸状菌由来の前記エクソン2でコードされるポリペプチドで置換されていることを特徴とする、キメラタンパク質。
  2. 前記特定のアミノ酸配列は、該好熱性糸状菌由来タンパク質をコードする該好熱性糸状菌由来のDNA塩基配列のエクソン3でコードされるポリペプチドに相当する第2のポリペプチドを含まない、請求項1に記載のキメラタンパク質。
  3. 前記Aspergillus terreus var. aureus由来タンパク質は、配列番号1に記載のアミノ酸配列、または、配列番号1に記載のアミノ酸配列からシグナルペプチドの少なくとも一部を除いたアミノ酸配列からなり、
    前記Aspergillus oryzae由来タンパク質は、配列番号2に記載のアミノ酸配列、または、配列番号2に記載のアミノ酸配列からシグナルペプチドの少なくとも一部を除いたアミノ酸配列からなる、請求項1または2に記載のキメラタンパク質。
  4. 前記好熱性糸状菌由来タンパク質は、Talaromyces emersonii由来タンパク質、または、Thermoascus crustaceus由来タンパク質である、請求項1〜3のいずれか1項に記載のキメラタンパク質。
  5. 前記Talaromyces emersonii由来タンパク質は、配列番号3に記載のアミノ酸配列、または、配列番号3に記載のアミノ酸配列からシグナルペプチドの少なくとも一部を除いたアミノ酸配列からなり、
    前記Thermoascus crustaceus由来タンパク質は、配列番号4に記載のアミノ酸配列、または、配列番号4に記載のアミノ酸配列からシグナルペプチドの少なくとも一部を除いたアミノ酸配列からなる、請求項4に記載のキメラタンパク質。
  6. 糖鎖が付加された、請求項1〜5のいずれか1項に記載のキメラタンパク質。
  7. 請求項1〜5のいずれか1項に記載のキメラタンパク質をコードするキメラ遺伝子。
  8. (A) 配列番号5に記載の塩基配列に対して、少なくとも344〜939番目の塩基配列を配列番号7または8に記載の塩基配列のエクソン2で置換する変異を導入してなるキメラDNA、または、
    配列番号6に記載の塩基配列に対して、少なくとも347〜942番目の塩基配列を配列番号7または8に記載の塩基配列のエクソン2で置換する変異を導入してなるキメラDNA、
    (B) 上記(A)のDNAの塩基配列からシグナルペプチドをコードする塩基配列の少なくとも一部を除いた塩基配列からなるDNA、および、
    (C) 上記(A)または(B)のDNAの塩基配列と、イントロンとを含むDNA
    のいずれかのDNAからなる遺伝子。
  9. 請求項7または8に記載の遺伝子を含む組換えベクター。
  10. 請求項7または8に記載の遺伝子を含む形質転換体。
  11. 請求項7または8に記載の遺伝子を用いたフラビンアデニンジヌクレオチド依存型グルコース脱水素酵素の製造方法。
  12. 請求項10に記載の形質転換体を用いたフラビンアデニンジヌクレオチド依存型グルコース脱水素酵素の製造方法。
  13. 請求項1〜6のいずれか1項に記載のキメラタンパク質を含むグルコース濃度測定試薬。
  14. 請求項1〜6のいずれか1項に記載のキメラタンパク質を用いたグルコースセンサ。
  15. 請求項1〜6のいずれか1項に記載のキメラタンパク質を用いたグルコース濃度測定方法。
  16. 請求項1〜6のいずれか1項に記載のキメラタンパク質を用いたバイオ燃料電池。
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