JP2019205423A - Recombinant cells and method for producing pentamethylenediamine - Google Patents

Recombinant cells and method for producing pentamethylenediamine Download PDF

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Abstract

To provide a technology to efficiently produce pentamethylenediamine from methane which has not been used as a resource, particularly, to provide a technology to produce pentamethylenediamine with a methane-utilizing bacterium engineered to comprise a nucleic acid encoding an enzyme necessary for the production of pentamethylenediamine.SOLUTION: There is provided an unnatural methane-utilizing bacterium engineered to comprise a nucleic acid encoding an enzyme for the production of pentamethylenediamine. Typical examples of such microorganisms are exemplified with methane-utilizing bacterium which has been engineered to comprise nucleic acids encoding L-lysine decarboxylase, aspartate kinase, and dihydrodipicolinate synthase and may produce a high concentration of pentamethylenediamine when the expression level of these enzymes is induced to a high expression level.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、ペンタメチレンジアミンの生産が増強されたメタン資化性菌を提供し、さらに、メタンからペンタメチレンジアミンを生産する方法に関する。   The present invention provides a methane-utilizing bacterium with enhanced production of pentamethylenediamine, and further relates to a method for producing pentamethylenediamine from methane.

ペンタメチレンジアミン(1,5−ジアミノペンタン、またはカダベリンとも呼ばれる、分子式C14を有する化合物である。)は、ポリアミド樹脂などの樹脂原料として需要が見込まれる物質である。石化原料からの効率的な化学合成法はいまだ確立されていない一方、生物的にはL−リジンの酵素的脱炭酸により容易に生成することが知られており、環境負荷の低減という観点から工業的に注目されている(非特許文献1)。 Pentamethylenediamine (also called 1,5-diaminopentane or cadaverine, which is a compound having the molecular formula C 5 H 14 N 2 ) is a substance that is expected to be used as a resin raw material such as polyamide resin. While an efficient chemical synthesis method from a petrochemical raw material has not yet been established, it is known that it is easily produced biologically by enzymatic decarboxylation of L-lysine. Has been attracting attention (Non-Patent Document 1).

これまでは、特にグルコースなどの糖を原料としたペンタメチレンジアミンの発酵生産が盛んに研究されてきた。例えば、Corynebacterium glutamicumEschericia coliなどL−リジンを高生産できるよう改変された微生物にL−リジン脱炭酸酵素を発現することで、高濃度の生産が達成されてきた(非特許文献1)。しかし、サトウキビ由来の糖などを培養原料とする微生物発酵法では、食料との競合が問題視されてきた。また、L−リジンから酵素的にペンタメチレンジアミンを製造する方法も広く知られているが(特許文献1)、やはりL−リジンも主に糖原料からの微生物発酵により製造されるため、食料との競合という本質的な問題は解決できない。したがって、食料と競合しない原料からの生物的なペンタメチレンジアミン製造法の開発が望まれている。 Until now, fermentative production of pentamethylenediamine using sugars such as glucose as raw materials has been extensively studied. For example, high-concentration production has been achieved by expressing L-lysine decarboxylase in microorganisms modified so as to be able to produce L-lysine at high levels such as Corynebacterium glutamicum and Escherichia coli (Non-patent Document 1). However, in the microbial fermentation method using sugarcane-derived sugar as a culture raw material, competition with food has been regarded as a problem. In addition, a method for enzymatically producing pentamethylenediamine from L-lysine is widely known (Patent Document 1). However, since L-lysine is also produced mainly by microbial fermentation from a sugar raw material, The essential problem of conflict cannot be solved. Accordingly, development of a method for producing biological pentamethylenediamine from raw materials that do not compete with food is desired.

上記の要請に関連して、例えば、非食用原料としてメタノールを原料としつつ、メタノール資化性菌によってL−リジンおよびペンタメチレンジアミンを生産させた場合、それらが10g/L以上の高濃度で培養物中に蓄積されることが報告されている(非特許文献2、3)。しかしながら、これらの方法は毒性の高いメタノールを原料として用いるため低環境負荷のプロセスとは言えず、また、メタノールは1分子当たりの炭素比率が低いため、炭素を主成分とする有機物を生産する際に、原料から生産物への重量当たりの転換率が悪いという本質的な課題がある。   In relation to the above request, for example, when methanol is used as a non-edible raw material and L-lysine and pentamethylenediamine are produced by methanol-assimilating bacteria, they are cultured at a high concentration of 10 g / L or more. It is reported that it accumulates in a thing (nonpatent literatures 2 and 3). However, since these methods use highly toxic methanol as a raw material, they cannot be said to be low environmental impact processes, and since methanol has a low carbon ratio per molecule, it is necessary to produce organic substances mainly composed of carbon. In addition, there is an essential problem that the conversion rate from the raw material to the product per weight is poor.

このような状況の中、近年微生物によりメタンから直接物質を生産する技術が注目を集めている。この生産技術においては、気体として供給されるメタンは生成物との分離性が良く、生物学的な毒性も低い。また、メタンは1分子当たりの炭素比率が高い原料であることから、当該原料から有機生産物への重量当たりの理論転換率も高い。さらに、メタンは、天然ガスなどに安価な未利用資源として豊富に含まれており、或いは余剰のバイオガスとしても豊富に利用できるため、次世代の炭素原料として期待されている。そして、天然にはメタンを単一の炭素源およびエネルギー源として生育可能なメタン資化性菌という微生物群が存在しており、これらの微生物の代謝を、所望の物質が生産できるように人為的に改変することで、メタンからある種の有用物質の生物的生産が可能であることも知られている(非特許文献4)。   Under such circumstances, in recent years, a technique for directly producing a substance from methane by a microorganism has attracted attention. In this production technique, methane supplied as a gas has good separability from the product and low biological toxicity. In addition, since methane is a raw material having a high carbon ratio per molecule, the theoretical conversion rate per weight from the raw material to the organic product is also high. Furthermore, methane is abundantly contained in natural gas and the like as an inexpensive unused resource, or can be used abundantly as surplus biogas, and thus is expected as a next-generation carbon raw material. Naturally, there is a group of microorganisms called methane-utilizing bacteria that can grow using methane as a single carbon source and energy source, and the metabolism of these microorganisms is artificially generated so that a desired substance can be produced. It is also known that a certain useful substance can be biologically produced from methane by modifying it to (Non-patent Document 4).

したがって、同技術をペンタメチレンジアミン生産に応用することは大変魅力的な課題だが、これまでのところそのような報告例は無い。この点、ペンタメチレンジアミンの前駆体であるL−リジンの生産については、特許文献2に記載がある。当該文献では、メタン資化性菌中でフィードバック阻害を解除した、変異型アスパラギン酸キナーゼおよび変異型ジヒドロジピコリン酸合成酵素を発現し、或いはL−リジンのアナログ化合物に対する耐性確立を当該メタン資化性菌において行うことにより、メタンからのL−リジンの生産濃度向上を達成している。しかし、それらの改変にもかかわらず、当該メタン資化性菌の30mL容試験管を用いたバッチ培養条件におけるL−リジンの生産濃度はわずか9.37mg/Lであり、バイオリアクターで高濃度メタンを連続供給する条件であっても223mg/Lにとどまっている。このことは、L−リジンの脱炭酸生成物であるペンタメチレンジアミンの高生産も、単純に当該物質の生産に必要な遺伝子を発現するだけでは実現できない可能性を示唆している。   Therefore, applying this technology to pentamethylenediamine production is a very attractive issue, but there has been no such report so far. In this respect, Patent Document 2 describes the production of L-lysine, which is a precursor of pentamethylenediamine. In this document, expression of mutant aspartate kinase and mutant dihydrodipicolinate synthase, in which feedback inhibition is canceled in a methane-utilizing bacterium, or establishment of resistance to an analog compound of L-lysine is established. By carrying out in bacteria, the production concentration of L-lysine from methane has been improved. However, despite these modifications, the production concentration of L-lysine in batch culture conditions using the 30 mL test tube of the methane-utilizing bacterium is only 9.37 mg / L, and high concentration of methane in the bioreactor Even under the condition of continuously supplying the amount of 223 mg / L. This suggests that high production of pentamethylenediamine, which is a decarboxylation product of L-lysine, may not be realized simply by expressing a gene necessary for production of the substance.

一方で、メタンから生物的に生産可能な物質の種類、数はいまだ限定的である(非特許文献5)。また、生産された物質の濃度や生産効率も、グルコースやメタノールを培養原料とした場合に比べると著しく低い。すなわち、物質生産の効率は、菌体濃度の指標であるOptical Density(OD)当たりの生産濃度(mg/L/OD)を算出することで評価できるが、実際のところ公知事例の多くにおいて、この生産効率(mg/L/OD)は非常に低い(非特許文献5、6、特許文献3)。例えば、非特許文献6では、乳酸脱水素酵素をメタン資化性菌で発現することで、メタンからの乳酸生産を達成している。しかしながら、その生産効率は32mg/L/ODと著しく低く、原料として供給した全メタンの60%が菌体生成に浪費されたことになる。   On the other hand, the types and number of substances that can be biologically produced from methane are still limited (Non-Patent Document 5). In addition, the concentration and production efficiency of the produced substance are significantly lower than when glucose or methanol is used as a culture raw material. In other words, the efficiency of substance production can be evaluated by calculating the production concentration (mg / L / OD) per Optical Density (OD), which is an index of bacterial cell concentration. The production efficiency (mg / L / OD) is very low (Non-patent Documents 5 and 6, Patent Document 3). For example, in Non-Patent Document 6, lactic acid production from methane is achieved by expressing lactate dehydrogenase in a methane-utilizing bacterium. However, the production efficiency is remarkably low at 32 mg / L / OD, and 60% of the total methane supplied as a raw material is wasted for the production of cells.

このように、メタンは次世代炭素原料としてその活用が強く期待されながら、メタン資化性菌によるメタンからのペンタメチレンジアミン生産を実現した例はない。そのうえ、他の化合物生産に関する従来技術でも、その生産濃度や汎用性は限定的であったことを考慮すれば、メタン資化性菌によるペンタメチレンジアミン生産が、実用的なプロセスとは言い難かった。   Thus, while methane is strongly expected to be used as a next-generation carbon raw material, there is no example of realizing pentamethylenediamine production from methane by methane-utilizing bacteria. Moreover, even in the prior art related to the production of other compounds, considering that the production concentration and versatility were limited, it was difficult to say that pentamethylenediamine production by methane-utilizing bacteria was a practical process. .

特許文献1: 特開2008−193899号公報
特許文献2: 特開2001−120292号公報
特許文献3: WO2015/155791号パンフレット
Patent Document 1: Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-193899 Patent Document 2: Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-120292 Patent Document 3: WO2015 / 155791 pamphlet

非特許文献1: Tsuge,Y. et al.,Engineering cell factories for producing building block chemicals for bio−polymer synthesis.,Microb. Cell Fact.,Vol.,15,19(2016)
非特許文献2: Irla,M. et al.,Genome−based genetic tool development for Bacillus methanolicus: theta− and rolling circle−replicating plasmids for inducible gene expression and application to methanol−based cadaverine production.,Front.Microbiol.,Vol.7,1481(2016)
非特許文献3: Brautaset et al.,Bacillus methanolicus: a candidate for industrial production of amino acids from methanol at 50℃.,Appl. Microbiol. Biotechnol.,Vol. 74(2007)
非特許文献4: Kalyuzhnaya,M.G. et al.,Metabolic engineering in methanotrophic bacteria.,Metab.Eng.,Vol.29,142−152(2015)
非特許文献5: Lee,O.K. et al.,Metabolic engineering of methanotrophs and its application to production of chemicals and biofuels from methane.,Biofuels, Bioprod. Bioref.,Vol. 10,6(2016)
非特許文献6: Henard,C.A. et al.,Biological conversion of methane to lactate by an obligate methanotrophic bacterium.,Sci.Rep.,Vol.6,21585(2016)
Non Patent Literature 1: Tsuge, Y. et al. et al. , Engineering cell factories for producing building block chemicals for bio-polymer synthesis. , Microb. Cell Fact. , Vol. , 15, 19 (2016)
Non-Patent Document 2: Irla, M. et al. et al. , Genome-based genetic tool development for Bacillus methanolicus: theta-and rolling cipher-replicated production for inducible regeneration. , Front. Microbiol. , Vol. 7, 1481 (2016)
Non-Patent Document 3: Brautaset et al. , Bacillus methanolicus: a candidate for industrial production of amino acids from methanol at 50 ° C. , Appl. Microbiol. Biotechnol. , Vol. 74 (2007)
Non-Patent Document 4: Kalyuzhnaya, M .; G. et al. , Metabolic engineering in methanolic bacteria. , Metab. Eng. , Vol. 29, 142-152 (2015)
Non-Patent Document 5: Lee, O .; K. et al. , Metabolic engineering of methanotrophs and its applications to production of chemicals and biofuels from methane. Biofuels, Bioprod. Bioref. , Vol. 10, 6 (2016)
Non-Patent Document 6: Hennard, C .; A. et al. , Biological conversion of methanol to lactate by an anionic methanolic bacteria. , Sci. Rep. , Vol. 6, 21585 (2016)

上記の現状に鑑み、本発明の課題は、次世代炭素原料として期待されるメタンからペンタメチレンジアミンを生産する技術を提供することにある。また、当該ペンタメチレンジアミン生産に有用な組換えメタン資化性菌を提供することにある。好ましい本発明の態様では、メタンからの生物的物質生産では過去に前例のない高い効率でペンタメチレンジアミンを生産する技術が提供されることを意図する。   In view of the above situation, an object of the present invention is to provide a technique for producing pentamethylenediamine from methane, which is expected as a next-generation carbon raw material. Another object of the present invention is to provide a recombinant methane-utilizing bacterium useful for the production of pentamethylenediamine. In a preferred embodiment of the present invention, it is intended to provide a technique for producing pentamethylenediamine with a high efficiency unprecedented in the production of biological material from methane.

前記のとおり、メタン資化性菌によるメタンからのペンタメチレンジアミン直接生産が可能ならば大変有望だが、そのような報告例はなかった。一方、ペンタメチレンジアミンの前駆体であるL−リジンのメタン資化性菌による生産は報告されていたものの、その生産濃度は極めて低かったため、ペンタメチレンジアミンの高生産化も困難であろうことが合理的に予想された。しかしながら、本発明者らは、前記の課題を解決すべく鋭意研究を行った結果、本発明のメタン資化性菌を用いることにより、ペンタメチレンジアミンを高生産できることを見出した。   As described above, it would be very promising if direct production of pentamethylenediamine from methane by a methane-utilizing bacterium was possible, but there was no such report. On the other hand, although production of L-lysine, which is a precursor of pentamethylenediamine, by methane-utilizing bacteria has been reported, the production concentration of the L-lysine was extremely low, so it may be difficult to increase production of pentamethylenediamine. Reasonably expected. However, as a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventors have found that pentamethylenediamine can be produced at high yield by using the methane-utilizing bacterium of the present invention.

すなわち、本発明者らは、以前からL−リジン脱炭酸酵素遺伝子を恒常発現する配列を含むベクターをメタン資化性菌へ導入することを試みていたが、そのような形質転換体自体を得ることすら、実現できていなかった。そこで、本発明者らは、本発明の発現誘導システムを用いることを試み、それによって上記形質転換体の取得効率を著しく向上できることを見出した。それだけでなく、本発明によりL−リジン生合成酵素およびL−リジン脱炭酸酵素の発現を高レベルに誘導することで、メタンからの生物的物質生産において過去に前例のない高い効率でペンタメチレンジアミンを生産できることを明らかにし、本発明を完成するに至った。   That is, the present inventors have previously tried to introduce a vector containing a sequence that constantly expresses the L-lysine decarboxylase gene into a methane-utilizing bacterium, but obtaining such a transformant itself. Even that was not realized. Therefore, the present inventors tried to use the expression induction system of the present invention, and found that the acquisition efficiency of the transformant can be remarkably improved. In addition, the present invention induces the expression of L-lysine biosynthetic enzymes and L-lysine decarboxylase to a high level, thereby enabling pentamethylene diamine with high efficiency unprecedented in biological production from methane. As a result, the present invention has been completed.

例えば、本発明者らが、L−リジン脱炭酸酵素を発現した本発明の組換えメタン資化性菌を培養したところ、わずか24時間で31.6mg/Lものペンタメチレンジアミンを生産できることが明らかになった。これは、特許文献4に記載された、65時間培養によるL−リジンの蓄積濃度(9.37mg/L)およびそのような生産速度のいずれをも大きく上回るものであった。さらに、本発明者らは、L−リジンの生産向上に寄与する遺伝子も当該メタン資化性菌で発現させたところ、物質生産効率(mg/L/OD)はさらに著しく向上し、メタン供給の限られたラボスケール(〜mL)のバッチ培養であっても124mg/Lもの高濃度での物質生産が可能であることを見出した。また、ペンタメチレンジアミンの生産効率は、ペンタメチレンジアミンの生産のための酵素の発現強度に大きく依存することも明らかとなった。この事実は、高い効率でペンタメチレンジアミンの生産を行うためには、ペンタメチレンジアミンの生産に必要な酵素を高いレベルで発現誘導できる技術が重要であることを裏付けるものであった。   For example, when the present inventors cultured the recombinant methane-utilizing bacterium of the present invention expressing L-lysine decarboxylase, it is clear that 31.6 mg / L of pentamethylenediamine can be produced in just 24 hours. Became. This greatly exceeded both the accumulated concentration of L-lysine (9.37 mg / L) and the production rate described in Patent Document 4 after culturing for 65 hours. Furthermore, when the present inventors also expressed a gene that contributes to the improvement of L-lysine production in the methane-utilizing bacterium, the substance production efficiency (mg / L / OD) was further remarkably improved, and methane supply was improved. It has been found that substance production at a concentration as high as 124 mg / L is possible even with limited laboratory scale (~ mL) batch culture. Moreover, it became clear that the production efficiency of pentamethylenediamine greatly depends on the expression intensity of the enzyme for the production of pentamethylenediamine. This fact supported the importance of a technology capable of inducing the expression of an enzyme necessary for pentamethylenediamine production at a high level in order to produce pentamethylenediamine with high efficiency.

すなわち本発明は以下を提供する:
(1)ペンタメチレンジアミン生産のための酵素をコードする遺伝子を含有する組換えメタン資化性菌であって、当該酵素の発現が誘導されることによって、当該酵素を欠いているメタン資化性菌と比較して、ペンタメチレンジアミンの生産増加をもたらすことを特徴とする、組換えメタン資化性菌;
(2)前記酵素は、誘導剤の添加により、その発現が誘導されることを特徴とする、上記(1)のメタン資化性菌;
(3)前記酵素の発現が、テオフィリンの添加によって誘導されることを特徴とする、上記(1)または(2)のメタン資化性菌;
(4)前記ペンタメチレンジアミン生産のための酵素は、L−リジン脱炭酸酵素であることを特徴とする、上記(1)〜(3)いずれかのメタン資化性菌;
(5)前記L−リジン脱炭酸酵素は、Escherichia coliのCadAおよびLdc、Aliivibrio salmonicidaのCadA、並びにKlebsiella pneumoniaeのCadAからなる群より選択されるいずれか一種以上であることを特徴とする、上記(4)のメタン資化性菌;
(6)前記ペンタメチレンジアミン生産のための酵素は、アスパラギン酸キナーゼ(LysC)、ジヒドロジピコリン酸合成酵素(DapA)、meso−ジアミノピメリン酸脱水素酵素(DDH)、ジアミノピメリン酸脱炭酸酵素(LysA)、グリセルアルデヒド−3−リン酸脱水素酵素(GAPDH)、トランスヒドロゲナーゼ、アスパラギン酸アミノ基転移酵素(AspC)、ホスホエノールピルビン酸カルボキシラーゼ(PEPC)、およびピルビン酸カルボキシラーゼ(PYC)からなる群より選択されるいずれか1種以上である、上記(1)〜(5)いずれかのメタン資化性菌;
(7)前記LysC、DapA、PEPC、PYCは、フィードバック阻害が解除された変異型酵素であることを特徴とする、上記(6)のメタン資化性菌;
(8)前記GAPDHが、NADPH依存性であることを特徴とする、上記(6)のメタン資化性菌;
(9)前記GAPDHは、対応する野生型酵素と比較して、NADPHに対する親和性が向上した変異型酵素であることを特徴とする、上記(8)のメタン資化性菌;
(10)前記酵素をコードする遺伝子のうち少なくとも1つが、宿主微生物の染色体上に組み込まれていることを特徴とする、上記(1)〜(9)いずれかのメタン資化性菌;
(11)前記酵素をコードする遺伝子のうち少なくとも1つが、該遺伝子を含むベクターとして宿主微生物に導入されていることを特徴とする、上記(1)〜(9)いずれかのメタン資化性菌;
(12)前記宿主微生物は、メチロモナス(Methylomonas)、メチロバクター(Methylobacter)、メチロコッカス(Methylococcus)、メチロサイナス(Methylosinus)、メチロシスチス(Methylocystis)、メチロマイクロビウム(Methylomicrobium)、メチロアシドフィラム(Methyloacidophilum)、からなる群から選択されることを特徴とする、上記(1)〜(11)いずれかのメタン資化性菌;
(13)前記宿主微生物が、Methylococcus capsulatus Bath(NCIMB 11132)であることを特徴とする、上記(12)のメタン資化性菌;
(14)上記(1)〜(13)いずれかのメタン資化性菌にメタンを接触させ、当該微生物の生育に適した条件下で培養することによりペンタメチレンジアミンを生産させることを特徴とする、ペンタメチレンジアミンの生産方法。
That is, the present invention provides the following:
(1) A recombinant methane-assimilating bacterium containing a gene encoding an enzyme for producing pentamethylenediamine, wherein the methane-assimilating bacterium lacking the enzyme is induced by expression of the enzyme A recombinant methane-utilizing bacterium characterized in that it leads to increased production of pentamethylenediamine compared to the bacterium;
(2) The methane-utilizing bacterium according to (1), wherein the expression of the enzyme is induced by addition of an inducer;
(3) The methane-utilizing bacterium according to (1) or (2) above, wherein expression of the enzyme is induced by addition of theophylline;
(4) The methane-utilizing bacterium according to any one of (1) to (3) above, wherein the enzyme for producing pentamethylenediamine is L-lysine decarboxylase;
(5) the L- lysine decarboxylase is characterized in that it CadA and Ldc of Escherichia coli, Aliivibrio salmonicida of CadA, and any one or more selected from the group consisting of CadA of Klebsiella pneumoniae, the ( 4) methane-utilizing bacteria;
(6) The enzymes for producing pentamethylenediamine are aspartate kinase (LysC), dihydrodipicolinate synthase (DapA), meso-diaminopimelate dehydrogenase (DDH), diaminopimelate decarboxylase (LysA), Selected from the group consisting of glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase (GAPDH), transhydrogenase, aspartate aminotransferase (AspC), phosphoenolpyruvate carboxylase (PEPC), and pyruvate carboxylase (PYC) Any one or more of the above (1) to (5) methane-utilizing bacteria;
(7) The methane-utilizing bacterium according to (6) above, wherein the LysC, DapA, PEPC, and PYC are mutant enzymes in which feedback inhibition is released;
(8) The methane-assimilating bacterium according to (6), wherein the GAPDH is NADPH-dependent;
(9) The methane-assimilating bacterium according to (8) above, wherein the GAPDH is a mutant enzyme having an improved affinity for NADPH compared to the corresponding wild-type enzyme;
(10) The methane-utilizing bacterium according to any one of (1) to (9) above, wherein at least one of genes encoding the enzyme is integrated on the chromosome of a host microorganism;
(11) The methane-utilizing bacterium according to any one of (1) to (9) above, wherein at least one of genes encoding the enzyme is introduced into a host microorganism as a vector containing the gene ;
(12) The host microorganism may be Methylomonas, Methylobacter, Methylococcus, Methylocinus, Methylocyst, Methylophilid, Methylophilus A methane-utilizing bacterium according to any one of (1) to (11) above, which is selected from the group consisting of:
(13) the host microorganism, characterized in that it is a Methylococcus capsulatus Bath (NCIMB 11132), methane-utilizing bacteria of the above (12);
(14) Phenamethylenediamine is produced by bringing methane into contact with any one of the above methane-assimilating bacteria (1) to (13) and culturing under conditions suitable for the growth of the microorganism. And production method of pentamethylenediamine.

本発明により、ペンタメチレンジアミンの生産に必要な酵素をメタン資化性菌の細胞内に発現誘導することで、高濃度のペンタメチレンジアミンを生産することができる。さらに、L−リジン脱炭酸酵素に加えて、アスパラギン酸キナーゼ、ジヒドロジピコリン酸合成酵素などのL−リジン生合成酵素を発現誘導することで、メタンからペンタメチレンジアミンを高い効率で生産することができる。   According to the present invention, a high concentration of pentamethylenediamine can be produced by inducing expression of an enzyme necessary for production of pentamethylenediamine in cells of a methane-utilizing bacterium. Furthermore, in addition to L-lysine decarboxylase, pentamethylenediamine can be produced from methane with high efficiency by inducing expression of L-lysine biosynthetic enzymes such as aspartate kinase and dihydrodipicolinate synthase. .

図1は、pmk61Aのプラスミドマップである。図中、「Ptrc」はtrcプロモーターを、「riboswitch」はリボスイッチ配列を、「RBS」はリボソーム結合配列を、「GFP」はsfGFP遺伝子を、「mob」はmob遺伝子を、「kanR」はカナマイシン耐性遺伝子を、「Rep]は複製起点を、それぞれ、示している。FIG. 1 is a plasmid map of pmk61A. In the figure, “Ptrc” is the trc promoter, “riboswitch” is the riboswitch sequence, “RBS” is the ribosome binding sequence, “GFP” is the sfGFP gene, “mob” is the mob gene, and “kanR” is kanamycin. The resistance gene, “Rep”, indicates the origin of replication. 図2は、pmk61Aを導入したMethylococcus capsulatus Bathにおける、テオフィリン添加濃度とGFP蛍光強度の関係を示すグラフである。2, in Methylococcus capsulatus Bath was introduced Pmk61A, is a graph showing the relationship between the theophylline addition concentration and GFP fluorescence intensity. 図3は、pmk96、pmk99、pmk127、pmk167、pmk141およびpmk142のプラスミドマップである。図中、「Ptrc」はtrcプロモーターを、「Ptrc E*」はリボスイッチ配列と連結されたtrcプロモーターを、「RBS」はリボソーム結合配列を、「T1」はターミネーターを、「mob」はmob遺伝子を、「kanR」はカナマイシン耐性遺伝子を、「Rep]は複製起点を、「cadA(A.s)」はAliivibrio salmonicidaのcadAを、「cadA(E.c)」はEscherichia coliのcadAを、「cadA(K.p)」はKlebsiella pneumoniaeのcadAを、「lysCT352I」はフィードバック阻害を解除されたEschericia coliのアスパラギン酸キナーゼ(lysC)変異体を、「dapAE84T」はフィードバック阻害を解除されたEschericia coliのジヒドロジピコリン酸合成酵素(dapA)変異体を、それぞれ、示している。FIG. 3 is a plasmid map of pmk96, pmk99, pmk127, pmk167, pmk141, and pmk142. In the figure, “Ptrc” is the trc promoter, “Ptrc E *” is the trc promoter linked to the riboswitch sequence, “RBS” is the ribosome binding sequence, “T1” is the terminator, and “mob” is the mob gene. “KanR” represents the kanamycin resistance gene, “Rep” represents the origin of replication, “cadA (A.s)” represents cadA of Alivivio salmonicida , “cadA (E.c)” represents cadA of Escherichia coli , “ cadA the (K.p) "is of Klebsiella pneumoniae cadA," the lysC T352I "is Eschericia coli of aspartate kinase, which is releasing the feedback inhibition (lysC) mutant," the dapA E84T "is feedback inhibition Dihydrodipicolinate synthase (dapA) variants of dividing been Eschericia coli, respectively, are shown. 図4は、pmk99(Aliivibrio salmonicidaのcadAを発現)、pmk127(Escherichia coliのcadAを発現)、pmk167(Klebsiella pneumoniaeのcadAを発現)をそれぞれ導入したMethylococcus capsulatus Bathの48時間培養における、細胞増殖(a)とペンタメチレンジアミン生産量(b)の関係を示すグラフである。 4, (expressed cadA of Aliivibrio salmonicida) pmk99, (expressed cadA of Escherichia coli) pmk127, pmk167 in 48 hours culture (Klebsiella expressing cadA of pneumoniae) the Methylococcus capsulatus Bath introduced respectively, cell proliferation (a ) And the production amount of pentamethylenediamine (b). 図5は、Methylococcus capsulatus Bathにpmk141(Aliivibrio salmonicidaのcadA、Eschericia coliのlysCT352IおよびdapAE84Tを発現)を導入したStrain 1、pmk142(Escherichia coliのcadA、Eschericia coliのlysCT352IおよびdapAE84Tを発現)を導入したStrain 2の48時間培養における、細胞増殖(a)とペンタメチレンジアミン生産量(b)の関係を示すグラフである。 5, Methylococcus capsulatus Bath to pmk141 (Aliivibrio salmonicida of cadA, express lysC T352I and dapA E84T of Eschericia coli) Strain 1 was introduced, pmk142 (in Escherichia coli cadA, express lysC T352I and dapA E84T of Eschericia coli) It is a graph which shows the relationship between cell growth (a) and pentamethylenediamine production amount (b) in 48 hours culture | cultivation of Strain 2 which introduce | transduced. 図6は、Methylococcus capsulatus Bathにpmk141(Aliivibrio salmonicidaのcadA、Eschericia coliのlysCT352IおよびdapAE84Tを発現)を導入したStrain 1、pmk142(Escherichia coliのcadA、Eschericia coliのlysCT352IおよびdapAE84Tを発現)を導入したStrain 2の96時間培養における、細胞増殖(a)とペンタメチレンジアミン生産量(b)の関係を示すグラフである。図6cにおける、「1 本発明」は、Strain 2におけるペンタメチレンジアミンの生産効率(mg/L/OD)を、「2」は非特許文献3に記載されたMethylomicrobium buryatense 5GB1の5Lバイオリアクター培養による乳酸生産の効率を、「3」はWO2015/155791に記載されたMethylococcus capsulatus Bathの30mL試験管培養によるコハク酸生産の効率を、「4」は非特許文献3に記載されたMethylomicrobium buryatense 5GB1の0.5Lバイオリアクター培養による乳酸生産の効率を、それぞれ示している。 6, Methylococcus capsulatus Bath to pmk141 (Aliivibrio salmonicida of cadA, express lysC T352I and dapA E84T of Eschericia coli) Strain 1 was introduced, pmk142 (in Escherichia coli cadA, express lysC T352I and dapA E84T of Eschericia coli) It is a graph which shows the relationship between cell growth (a) and pentamethylenediamine production amount (b) in 96 hours culture | cultivation of Strain 2 which introduce | transduced. In FIG. 6 c, “1 present invention” indicates the production efficiency (mg / L / OD) of pentamethylenediamine in Strain 2, and “2” indicates the 5 L bioreactor culture of Mylomicrobium burate 5GB1 described in Non-Patent Document 3. The efficiency of lactic acid production, “3” is the efficiency of succinic acid production in 30 mL test tube culture of Mycococcus capsulatus Bath described in WO2015 / 155791, and “4” is 0 of Mylomicrobium butylate 5GB1 described in Non-Patent Document 3. Each shows the efficiency of lactic acid production by 5L bioreactor culture. 図7は、Methylococcus capsulatus Bathにpmk142(Escherichia coliのcadA、lysCT352IおよびdapAE84Tを発現)を導入した株を様々な濃度のテオフィリン添加条件下で48時間培養したときの、テオフィリン濃度とペンタメチレンジアミンの生産効率との関係を示すグラフである。図中、「N.D.」はペンタメチレンジアミンが検出下限以下であったことを示す。また、図中の点線は、メタンからの物質生産分野における先行技術の中で最も生産効率の高い、非特許文献3に記載されたMethylomicrobium buryatense 5GB1の5Lバイオリアクター培養による乳酸生産の効率を示す。FIG. 7 shows that theophylline concentration when a strain in which pmk142 (expressing cadA of Escherichia coli , lysC T352I and dapA E84T ) was introduced into Mythococcus capsulatus Bath under various theophylline-added conditions for 48 hours. It is a graph which shows the relationship with production efficiency. In the figure, “ND” indicates that pentamethylenediamine was below the lower limit of detection. In addition, the dotted line in the figure shows the efficiency of lactic acid production by 5L bioreactor culture of Mylomicrobium buriate 5GB1 described in Non-Patent Document 3, which has the highest production efficiency among the prior arts in the field of substance production from methane. 図8は、Methylococcus capsulatus Bathにpmk142(Escherichia coliのcadA、lysCT352IおよびdapAE84Tを発現)を導入した株を1Lの通気攪拌培養装置にて培養した際の細胞増殖とペンタメチレンジアミンの生産濃度を示したグラフである。 8, Methylococcus capsulatus Bath to pmk142 cell growth and production levels of pentamethylenediamine when cultured in (the Escherichia coli cadA, lysC T352I and dapA E84T expression) the introduced strain 1L of aeration agitation culture device It is the shown graph.

本発明について、以下具体的に説明する。   The present invention will be specifically described below.

本発明において、ペンタメチレンジアミンの生産に使用するためのメタン資化性菌を提供する。上記微生物は、L−リジン脱炭酸酵素をコードする遺伝子を含んでいる。L−リジン脱炭酸酵素は、L−リジンのペンタメチレンジアミンおよびCOへの変換を触媒する酵素である。L−リジン脱炭酸酵素は、EC 4.1.1.18(L−リジン脱炭酸酵素活性)かつGO:0008923の遺伝子オントロジー(GO)用語IDに属している酵素反応を触媒する。上記酵素をコードする遺伝子のソースとしては、メタン資化性菌中で各々の酵素の活性を発現できるいかなる微生物由来のものでも使用できる。その例としては、特に限定されないが、Eschericia coliAliivibrio salmonicidaSalenomonas ruminantiumKlebsiella pneumoniaeHafnia alveiKlebsiella oxytocaKlebsiella pneumoniaeBacterium cadaverisGlycine max等が挙げられる。さらに好ましくは、Eschericia coliAliivibrio salmonicida、およびKlebsiella pneumoniaeである。しかし、今では500を超える種(これらの半分以上はNCBIなどの公開データベースで利用可能)について完全なゲノム配列が利用可能であり、例えば、公知配列をもとにした類縁配列の同定や所望の活性を有する変異体の作製を実施できるだけでなく、メタゲノムなどの天然サンプルから新たに分離同定することも当技術分野では日常的であり周知である。よって、L−リジン脱炭酸酵素をコードする遺伝子ソースは、上記の微生物に限定されない。 In the present invention, a methane-utilizing bacterium for use in the production of pentamethylenediamine is provided. The microorganism contains a gene encoding L-lysine decarboxylase. L- Lysine decarboxylase is an enzyme which catalyzes the conversion of pentamethylenediamine and CO 2 L- lysine. L-lysine decarboxylase catalyzes an enzymatic reaction belonging to the gene ontology (GO) term ID of EC 4.1.1.18 (L-lysine decarboxylase activity) and GO: 0008923. As a source of a gene encoding the enzyme, any microorganism-derived microorganism capable of expressing the activity of each enzyme in a methane-utilizing bacterium can be used. Examples include, but are not limited to, Eschericia coli, Aliivibrio salmonicida, Salenomonas ruminantium, Klebsiella pneumoniae, Hafnia alvei, Klebsiella oxytoca, Klebsiella pneumoniae, Bacterium cadaveris, Glycine max , and the like. More preferred are Escherichia coli , Alivivrio salmonida , and Klebsiella pneumoniae . However, complete genome sequences are now available for more than 500 species (more than half of these are available in public databases such as NCBI), for example, identification of similar sequences based on known sequences and desired Not only can mutants having activity be produced, but also new isolation and identification from natural samples such as metagenome is routine and well known in the art. Therefore, the gene source encoding L-lysine decarboxylase is not limited to the above microorganism.

好ましい実施形態において、前記微生物はL−リジン生合成酵素のうち少なくとも1つの活性が増強されている。上記酵素は特に限定されないが、例えば、アスパラギン酸キナーゼ(LysC)、ジヒドロジピコリン酸合成酵素(DapA)、meso−ジアミノピメリン酸脱水素酵素(DDH)、ジアミノピメリン酸脱炭酸酵素(LysA)、グリセルアルデヒド−3−リン酸脱水素酵素(GAPDH)、アスパラギン酸アミノ基転移酵素(AspC)、ホスホエノールピルビン酸カルボキシラーゼ(PEPC)、ピルビン酸カルボキシラーゼ(PYC)等が挙げられる。   In a preferred embodiment, the microorganism has enhanced activity of at least one of L-lysine biosynthetic enzymes. The enzyme is not particularly limited. For example, aspartate kinase (LysC), dihydrodipicolinate synthase (DapA), meso-diaminopimelate dehydrogenase (DDH), diaminopimelate decarboxylase (LysA), glyceraldehyde- Examples include 3-phosphate dehydrogenase (GAPDH), aspartate aminotransferase (AspC), phosphoenolpyruvate carboxylase (PEPC), and pyruvate carboxylase (PYC).

アスパラギン酸キナーゼ(lysC)は、アスパラギン酸およびアデノシン三リン酸(ATP)を4−ホスホアスパラギン酸とアデノシン二リン酸に変換する反応を触媒する酵素である。lysCは、EC 2.7.2.4(アスパラギン酸キナーゼ活性)かつGO:0004072の遺伝子オントロジー(GO)用語IDに属している酵素反応を触媒する。この酵素をコードしている遺伝子のソースの例としては、特に限定されないが、Eschericia coliBacillus subtilisCorynebacterium glutamicumSaccharomyces cerevisiae等が挙げられる。本酵素活性はすべての生物が保有するため、宿主細胞であるメタン資化性菌由来のものでも良いし、必要に応じて外来遺伝子を導入することも有効である。また、野生型のlysCは、L−リジンによってフィードバック阻害されることが一般的に認知されている。したがって、フィードバック阻害が解除される変異を有するものが好ましい。以下、Eschericia coli由来のlysCを例として説明するが、本発明に用いる遺伝子はこれらに限定されるものではない。L−リジンによるフィードバック阻害を受けない変異型のlysCとしては、そのアミノ酸配列において352番目のトレオニン残基がイソロイシン残基に置換されたもの、253番目のトレオニン残基がアルギニン残基に置換されたものなどが挙げられるが、これらに限定されない。 Aspartate kinase (lysC) is an enzyme that catalyzes the reaction of converting aspartate and adenosine triphosphate (ATP) into 4-phosphoaspartate and adenosine diphosphate. LysC catalyzes an enzymatic reaction belonging to the gene ontology (GO) term ID of EC 2.7.2.4 (aspartate kinase activity) and GO: 0404072. Examples of the source of the gene encoding this enzyme include, but are not limited to, Escherichia coli , Bacillus subtilis , Corynebacterium glutamicum , Saccharomyces cerevisiae, and the like. Since all living organisms possess this enzyme activity, it may be derived from a methane-utilizing bacterium that is a host cell, and it is also effective to introduce a foreign gene as necessary. In addition, it is generally recognized that wild-type lysC is feedback-inhibited by L-lysine. Accordingly, those having a mutation that cancels feedback inhibition are preferred. Hereinafter, lysC derived from Escherichia coli will be described as an example, but the gene used in the present invention is not limited thereto. As a mutant lysC that is not subject to feedback inhibition by L-lysine, the threonine residue at position 352 in the amino acid sequence was replaced with an isoleucine residue, and the threonine residue at position 253 was replaced with an arginine residue. Examples include, but are not limited to:

ジヒドロジピコリン酸合成酵素(dapA)は、ピルビン酸およびアスパラギン酸セミアルデヒドを(2S,4S)−4−ヒドロキシ−2,3,4,5−テトラヒドロ−(2S)−ジピコリン酸と水に変換する反応を触媒する酵素である。dapAは、EC 4.3.3.7(ジヒドロジピコリン酸合成酵素活性)かつGO:0008840の遺伝子オントロジー(GO)用語IDに属している酵素反応を触媒する。この酵素をコードしている遺伝子のソースの例としては、特に限定されないが、Eschericia coliBacillus subtilisCorynebacterium glutamicumSaccharomyces cerevisiae等が挙げられる。本酵素活性はすべての生物が保有するため、宿主細胞であるメタン資化性菌由来のものでも良いし、必要に応じて外来遺伝子を導入することも有効である。また、野生型のdapAの酵素活性は、L−リジンによってフィードバック阻害されることが一般的に認知されている。したがって、フィードバック阻害が解除される変異を有するものが好ましい。以下、Eschericia coli由来のdapAを例として説明するが、本発明に用いる遺伝子はこれらに限定されるものではない。L−リジンによるフィードバック阻害を受けない変異型のdapAとしては、そのアミノ酸配列において81番目のアラニン残基がバリン残基に置換されたもの、84番目のグルタミン酸残基がトレオニン残基に置換されたもの、118番目のヒスチジン残基がアルギニン残基またはチロシン残基に置換されたもの、などが挙げられるが、これらに限定されない。 Dihydrodipicolinate synthase (dapA) is a reaction that converts pyruvate and aspartate semialdehyde to (2S, 4S) -4-hydroxy-2,3,4,5-tetrahydro- (2S) -dipicolinate and water. It is an enzyme that catalyzes. dapA catalyzes an enzymatic reaction belonging to the gene ontology (GO) term ID of EC 4.3.3.7 (dihydrodipicolinate synthase activity) and GO: 0008840. Examples of the source of the gene encoding this enzyme include, but are not limited to, Escherichia coli , Bacillus subtilis , Corynebacterium glutamicum , Saccharomyces cerevisiae, and the like. Since all living organisms possess this enzyme activity, it may be derived from a methane-utilizing bacterium that is a host cell, and it is also effective to introduce a foreign gene as necessary. In addition, it is generally recognized that the enzyme activity of wild-type dapA is feedback-inhibited by L-lysine. Accordingly, those having a mutation that cancels feedback inhibition are preferred. Hereinafter, dapA derived from Escherichia coli will be described as an example, but the gene used in the present invention is not limited thereto. The mutant dapA that is not subject to feedback inhibition by L-lysine has an amino acid sequence in which the 81st alanine residue is replaced with a valine residue, and the 84th glutamic acid residue is replaced with a threonine residue. And those in which the 118th histidine residue is substituted with an arginine residue or a tyrosine residue, but are not limited thereto.

グリセルアルデヒド−3−リン酸脱水素酵素(GAPDH)は、グリセルアルデヒド−3−リン酸、リン酸およびNAD(P)を1,3−ビスホスホグリセリン酸およびNAD(P)Hに変換する反応を触媒する酵素である。また、当反応は可逆反応であることが一般的に認識されている。GAPDHは、EC 1.2.1.12かつGO:0008943の遺伝子オントロジー(GO)用語IDに属している酵素反応、もしくはEC 1.2.1.13かつGO:0047100のGO用語IDに属している酵素反応を触媒する。この酵素をコードしている遺伝子のソースの例としては、特に限定されないが、Eschericia coliBacillus subtilisCorynebacterium glutamicumSaccharomyces cerevisiaeSynechococcus elongatusSynechocystis sp.、Euglena gracilisArabidopsis thaliana等が挙げられる。本酵素活性は数多くの生物が保有するため、宿主細胞であるメタン資化性菌由来のものでも良いし、必要に応じて外来遺伝子を導入することも有効である。 Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase (GAPDH) converts glyceraldehyde-3-phosphate, phosphate and NAD (P) + to 1,3-bisphosphoglycerate and NAD (P) H It is an enzyme that catalyzes the reaction that occurs. It is generally recognized that this reaction is a reversible reaction. GAPDH is an enzyme reaction belonging to the gene ontology (GO) term ID of EC 1.2.1.12 and GO: 0008943, or belongs to the GO term ID of EC 1.2.1.13 and GO: 0047100. It catalyzes the enzymatic reaction. Examples of sources of the gene encoding this enzyme is not particularly limited, Eschericia coli, Bacillus subtilis, Corynebacterium glutamicum, Saccharomyces cerevisiae, Synechococcus elongatus, Synechocystis sp. Euglena gracilis , Arabidopsis thaliana, and the like. Since this enzyme activity is possessed by many organisms, it may be derived from a methane-utilizing bacterium that is a host cell, and it is also effective to introduce a foreign gene if necessary.

本発明において、ペンタメチレンジアミンの生産性を向上するための有効な手段としては、細胞内のNADPH濃度を上昇させることが挙げられる。1分子のペンタメチレンジアミン(L−リジン)の生産には4分子ものNADPHを要する。そのため、ペンタメチレンジアミン(L−リジン)の生産性向上の戦略として、細胞内のNADPH濃度上昇を企図した代謝改変が数多く利用されてきた。例えば、グルコースを培養原料としたペンタメチレンジアミンの発酵生産においては、主要なグルコース異化経路を酸化的ペントースリン酸経路とすることで細胞内NADPH生産、およびペンタメチレンジアミンの生産性を向上させている(Kind et al.,Metabolic Engineering,Vol.25,113−123(2014))。メタン資化性菌はグルコースを資化できず、ゆえに酸化的ペントースリン酸経路の代謝フラックスを増強する前記方法が活用できない。好適なNADPHの代替発生源としては、トランスヒドロゲナーゼによるNADHからNADPへの電子授受反応が挙げられる。あるいは、メタン資化性菌が有するGAPDHの多くはNADH依存型であるため、本発明においてはNADPH依存型のGAPDHの過剰発現またはNADH依存型のそれとの置換により、細胞内NADPH濃度を上昇させることもできる。NADPH依存型のGAPDHとしては、例えば、Clostridium acetobutylicum由来のもの、Synechococcus elongatus由来のもの、Synechocystis sp.由来のもの、Euglena gracilis由来のもの、Arabidopsis thaliana由来のもの等が挙げられるが、これらに限定されない。また、本来NADH依存型であったGAPDHをNADPH依存型へ改変する手法も一般的に認識されており(Bommareddy et al.,Metabolic Engineering,Vol.25,30−37(2014))、本発明においても適用しうる。以下、Corynebacterium glutamicum由来のGAPDHを例として説明するが、本発明に用いる遺伝子はこれらに限定されるものではない。NADPH依存性の変異型GAPDHとしては、そのアミノ酸配列において35番目のアスパラギン酸残基がグリシン残基に置換されたもの、36番目のロイシン酸残基がアルギニン残基に置換されたもの、192番目のプロリン残基がセリン残基置換されたもの、などが挙げられるが、これらに限定されない。 In the present invention, effective means for improving the productivity of pentamethylenediamine include increasing the intracellular NADPH concentration. Production of one molecule of pentamethylenediamine (L-lysine) requires as many as four molecules of NADPH. Therefore, as a strategy for improving the productivity of pentamethylenediamine (L-lysine), many metabolic modifications intended to increase intracellular NADPH concentration have been used. For example, in the fermentation production of pentamethylenediamine using glucose as a culture raw material, intracellular NADPH production and pentamethylenediamine productivity are improved by using the main glucose catabolism pathway as an oxidative pentose phosphate pathway ( Kind et al., Metabolic Engineering, Vol. 25, 113-123 (2014)). Methane assimilating bacteria cannot assimilate glucose, and thus the above-described method for enhancing the metabolic flux of the oxidative pentose phosphate pathway cannot be utilized. A suitable alternative source of NADPH is the electron transfer reaction from NADH to NADP + by transhydrogenase. Alternatively, since most of GAPDH possessed by methane-utilizing bacteria is NADH-dependent, in the present invention, the intracellular NADPH concentration is increased by overexpression of NADPH-dependent GAPDH or replacement with NADH-dependent one. You can also. Examples of NADPH-dependent GAPDH include those derived from Clostridium acetobutyricum , those derived from Synechococcus elongatus , Synechocystis sp. Examples thereof include, but are not limited to, those derived from Euglena gracilis , those derived from Arabidopsis thaliana , and the like. In addition, a technique for modifying GAPDH, which was originally NADH-dependent, to NADPH-dependent is also generally recognized (Bommardedy et al., Metabolic Engineering, Vol. 25, 30-37 (2014)). Can also be applied. Hereinafter, GAPDH derived from Corynebacterium glutamicum will be described as an example, but the gene used in the present invention is not limited thereto. As NADPH-dependent mutant GAPDH, the amino acid sequence in which the 35th aspartic acid residue is substituted with a glycine residue, the 36th leucine acid residue is substituted with an arginine residue, the 192nd The proline residue is substituted with a serine residue, but is not limited thereto.

本発明において、ペンタメチレンジアミンの生産効率は、ペンタメチレンジアミンの生産濃度(mg/L)と、細胞濃度の指標であるOD600の比(mg/L/OD)で表現される。微生物による物質生産においては細胞バイオマスは副生物であるため、その生成量を抑え、目的物質の収率を最大化することが望ましい。すなわち、mg/L/ODが可能な限り大きいことが望ましい。本発明において提供されるメタン資化性菌においては、ペンタメチレンジアミンの生産効率を最大化できるように酵素の発現量が調節されている。   In the present invention, the production efficiency of pentamethylenediamine is expressed by the ratio (mg / L / OD) of the production concentration (mg / L) of pentamethylenediamine and OD600, which is an indicator of the cell concentration. In the production of substances by microorganisms, since cell biomass is a by-product, it is desirable to suppress the production amount and maximize the yield of the target substance. That is, it is desirable that mg / L / OD is as large as possible. In the methane-utilizing bacterium provided in the present invention, the expression level of the enzyme is adjusted so that the production efficiency of pentamethylenediamine can be maximized.

本発明において、ペンタメチレンジアミンは当業者に周知の技術によって定量できる。例えば、イオンクロマトグラフィー、高速液体クロマトグラフィー、ガスクロマトグラフィーなどによる方法が挙げられる。また、本発明において、OD600は、培養サンプル中の細胞密度を間接的に表す指標である。細胞密度(細胞数/mL)とOD600は、一定の条件下では相関することが一般的に認識されている(Volkmer et al.,PLoS One,Vol.6,e23126(2011))。OD600は、当業者に周知の技術によって定量でき、一般的には光路長1cmとしたときの600nmにおけるサンプルの吸光度を測定することで決定される。   In the present invention, pentamethylenediamine can be quantified by techniques well known to those skilled in the art. Examples thereof include ion chromatography, high performance liquid chromatography, gas chromatography and the like. In the present invention, OD600 is an index that indirectly represents the cell density in the culture sample. It is generally recognized that cell density (cell count / mL) and OD600 correlate under certain conditions (Volkmer et al., PLoS One, Vol. 6, e23126 (2011)). The OD600 can be quantified by techniques well known to those skilled in the art, and is generally determined by measuring the absorbance of the sample at 600 nm when the optical path length is 1 cm.

本発明において、ペンタメチレンジアミンの生産に必要な酵素は、上記のL−リジンを前駆体とした生産経路に属する酵素群に限定されない。一般にアミンは、対応するアルデヒドからアミノ基転移酵素により生成する。さらに、アルデヒドは、対応するアルコール、カルボン酸、アルカンからの酸化還元反応を設計することで生成することができる。よって、ペンタメチレンジアミンは、5−アミノペンタナール、5−アミノペンタノール、5−アミノ吉草酸、5−アミノペンタン、5−ペンタナール、吉草酸、5−ペンタノール、ペンタン、5−ホルミルペンタナール、5−ホルミルペンタノール、5−ホルミルペンタン酸、5−カルボキシペンタナール、5−カルボキシペンタノール、グルタル酸、5−ヒドロキシペンタナール、5−ヒドロキシペンタノール、5−ヒドロキシ吉草酸などの化合物を前駆体として生成することができる。例えば、脂肪酸生合成で生成しうる吉草酸を、アルカン酸化酵素によって5−ヒドロキシ吉草酸へ変換すれば、ペンタメチレンジアミンの前駆体となりうる。また、吉草酸や5−ペンタナール、5−ペンタノールはL−ロイシン生合成経路遺伝子を活用した炭素鎖延長反応によりピルビン酸から生成することも可能である(Marcheschi et al.,ACS Chemical Biology,Vol.7,689−697(2012)、Dhande et al.,Process Biochemistry,Vol.47,1965−1971(2012))。   In the present invention, the enzymes necessary for the production of pentamethylenediamine are not limited to the enzymes belonging to the production pathway using L-lysine as a precursor. In general, amines are produced from the corresponding aldehydes by aminotransferases. Furthermore, aldehydes can be generated by designing a redox reaction from the corresponding alcohol, carboxylic acid, or alkane. Therefore, pentamethylenediamine is 5-aminopentanal, 5-aminopentanol, 5-aminovaleric acid, 5-aminopentane, 5-pentanal, valeric acid, 5-pentanol, pentane, 5-formylpentanal, Precursors of compounds such as 5-formylpentanol, 5-formylpentanoic acid, 5-carboxypentanal, 5-carboxypentanol, glutaric acid, 5-hydroxypentanal, 5-hydroxypentanol, 5-hydroxyvaleric acid Can be generated as For example, if valeric acid that can be produced by fatty acid biosynthesis is converted to 5-hydroxyvaleric acid by an alkane oxidase, it can be a precursor of pentamethylenediamine. In addition, valeric acid, 5-pentanal, and 5-pentanol can be generated from pyruvic acid by a carbon chain extension reaction utilizing an L-leucine biosynthesis pathway gene (Marcheschi et al., ACS Chemical Biology, Vol. 7, 689-697 (2012), Dhande et al., Process Biochemistry, Vol. 47, 1965-971 (2012)).

本発明における「発現誘導」とは、特定条件および期間においてのみ特定の遺伝子の発現量を増加させることを意味する。具体的な発現誘導の方法としては、誘導剤の添加や培養条件(温度、栄養素濃度、光)などの培養環境を人為的に変化させるものの他、培養に伴う培養環境の非人為的変化を利用するもののいずれか、またはその組み合わせから選択できる。メタン資化性菌では、前記いずれの方法においても発現誘導が可能であることが一般的に認識されている。例えば、Methylomonas sp.のゲノムDNAから、特定の培養環境下において、特定の遺伝子の発現を誘導しうる発現プロモーター配列が特定されている(WO2015/195972号パンフレット)。また、Methylomicrobium buryatense 5GB1株においては、テトラサイクリン誘導型のプロモーターが発現誘導システムとして良好に機能することが示されている(Henard,C.A. et al.,Biological conversion of methane to lactate by an obligate methanotrophic bacterium.,Sci.Rep.,Vol.6,21585(2016))。すなわち、本発明における発現誘導は、一般的に認知されている発現誘導システムを任意に選択し利用することができる。したがって、本発明における公的な発現誘導の1態様は、後記実施例のリボスイッチであるが、それに限定されない。 “Expression induction” in the present invention means to increase the expression level of a specific gene only under a specific condition and period. As specific expression induction methods, in addition to artificially changing the culture environment such as addition of inducer and culture conditions (temperature, nutrient concentration, light), non-artificial change of culture environment accompanying culture is used. Can be selected from any one or combination thereof. It is generally recognized that methane-utilizing bacteria can induce expression in any of the above methods. For example, Methylomonas sp. From these genomic DNAs, an expression promoter sequence capable of inducing expression of a specific gene in a specific culture environment has been specified (WO2015 / 195972 pamphlet). In addition, in the case of the Mylomicrobium buriatese 5GB1 strain, it has been shown that a tetracycline-inducible promoter functions well as an expression induction system (Henard, CA et al., Biological conversion of methanol to lactate benzoate bioactivatorate lactate to lactate to lactate. Bacterium., Sci. Rep., Vol. 6, 21585 (2016)). That is, for expression induction in the present invention, a generally recognized expression induction system can be arbitrarily selected and used. Therefore, one mode of public expression induction in the present invention is the riboswitch of the examples described later, but is not limited thereto.

本発明において、ペンタメチレンジアミンの生産のための酵素は、達成したい生産効率に応じて、その発現量が適宜調節され得る。発現量の調節方法としては、特に限定されないが、人為的な発現誘導システムの利用、動的な発現制御システムの利用(Dahl et al.,Nature Biotechnology,Vol.31,1039−1046(2014)、Doong et al.,Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,Vol.115,2964−2969(2018))、発現プロモーター配列の変更、リボソーム結合配列の変更(Salis,H.M.,The ribosome biding site calculator.,Methods Enzymol.,Vol.498,19−42(2011))、発現される酵素をコードする遺伝子のコドン最適化(Quax et al.,Codon Bias as a Means to Fine−Tune Gene Expression.,Mol.Cell.,Vol.59,2(2015))、可溶性タグの導入や分子シャペロンの共発現による酵素の可溶性向上(Rosano et al.,Frontiers in Microbiology,Vol.5,(2014))、プロテアーゼの欠失などが挙げられ、またこれらの組み合わせであってもよい。誘導剤の量や添加のタイミングなどで発現の柔軟な調整が可能なことから、人為的な発現誘導システムの利用が好ましい1態様である。人為的な発現誘導の方法としては、特に限定されないが、例えば、lacO、tetO、T7などの転写制御型のものや、リボスイッチに代表される翻訳制御型のものが挙げられる。また、細胞間情報伝達機構(クオラムセンシング)を利用した自律的な発現誘導システム(Kim et al.,Metabolic Engineering,Vol.44,325−336(2017))や光を誘導シグナルとして利用した安価な発現誘導方法(Zhao et al.,Nature,(2018))等を用いることも可能である。   In the present invention, the expression level of the enzyme for producing pentamethylenediamine can be adjusted as appropriate according to the production efficiency to be achieved. The method for regulating the expression level is not particularly limited, but the use of an artificial expression induction system, the use of a dynamic expression control system (Dahl et al., Nature Biotechnology, Vol. 31, 1039-1046 (2014), Doong et al., Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, Vol. 115, 2964-2969 (2018), changes in expression promoter sequence, M. Ribosome binding sequence H. The ribosome biding site calculator., Methods Enzymol., Vol. 498, 19-42 (2011)) Codon optimization of genes encoding enzymes to be expressed (Quax et al., Codon Bias as a Means to Fine-Tone Gene Expression., Mol. Cell., Vol. 59, 2 (2015)), introduction of soluble tags And enhancement of enzyme solubility by co-expression of molecular chaperones (Rosano et al., Frontiers in Microbiology, Vol. 5, (2014)), deletion of protease, and the like, and combinations thereof may also be used. Since the expression can be flexibly adjusted by the amount of the inducer, the timing of addition, and the like, use of an artificial expression induction system is a preferred embodiment. The method for artificially inducing expression is not particularly limited, and examples thereof include a transcription control type such as lacO, tetO, and T7, and a translation control type represented by a riboswitch. In addition, an autonomous expression induction system (Kim et al., Metabolic Engineering, Vol. 44, 325-336 (2017)) using an intercellular information transmission mechanism (quorum sensing) and low cost using light as an induction signal. It is also possible to use various expression induction methods (Zhao et al., Nature, (2018)) and the like.

本発明において、ペンタメチレンジアミンの生産に必要な酵素の発現量は、当業者にとって周知の技術により評価でき、直接的には前述したペンタメチレンジアミンの生産効率で評価できる(図7)。それ以外にも、発現された酵素の比活性、SDS−PAGE、免疫沈降法などにより評価することも可能である。例えば、L−リジン脱炭酸酵素の活性は当業者に周知の手法で定量することができ、具体的に例示すれば、無細胞抽出液に基質(L−リジン)、ピリドキサール−5−リン酸、反応バッファー等を加えることで容易に実施できる(Kou et al.,Journal of Molecular Analysis B: Enzymatic,Vol.133,88−94(2016))。   In the present invention, the expression level of the enzyme required for the production of pentamethylenediamine can be evaluated by a technique well known to those skilled in the art, and can be directly evaluated by the production efficiency of pentamethylenediamine described above (FIG. 7). In addition, it is possible to evaluate by the specific activity of the expressed enzyme, SDS-PAGE, immunoprecipitation method and the like. For example, the activity of L-lysine decarboxylase can be quantified by a technique well known to those skilled in the art. Specifically, for example, a cell-free extract contains a substrate (L-lysine), pyridoxal-5-phosphate, It can be easily carried out by adding a reaction buffer or the like (Kou et al., Journal of Molecular Analysis B: Enzymatic, Vol. 133, 88-94 (2016)).

本発明において、宿主細胞の増殖阻害がない誘導剤濃度の範囲においてペンタメチレンジアミンの生産効率、生産濃度等、または酵素の比活性が最大付近であるとき、「最適な発現量」を得た、または「高レベルに発現(誘導)」したと判断できる。また、GFPやLacZタンパク質などのレポーター遺伝子を導入して間接的に発現量を評価することも可能である。例えば、GFPであれば、宿主細胞の増殖を阻害しない誘導剤の濃度範囲で、細胞あたりのGFP蛍光が最大付近であるとき、「最適な発現量」を得た、または「高レベルに発現」したと判断できる(図2)。しかしながら、発現コンストラクトの構造や酵素ごとの発現効率が異なることなどが原因で、発現したい酵素の発現量とレポータータンパク質のそれとが相関しないことも稀に見られる(Oliver et al.,Metabolic Engineering,Vol.22,76−82(2014))。   In the present invention, when the production efficiency of pentamethylenediamine, the production concentration, etc., or the specific activity of the enzyme is close to the maximum in the range of the inducer concentration without host cell growth inhibition, an “optimal expression level” was obtained. Alternatively, it can be determined that “expressed (induced) at a high level”. It is also possible to indirectly evaluate the expression level by introducing a reporter gene such as GFP or LacZ protein. For example, in the case of GFP, when the GFP fluorescence per cell is in the vicinity of the maximum in the concentration range of the inducer that does not inhibit the growth of the host cell, an “optimal expression level” was obtained, or “high level expression” (Fig. 2). However, it is rarely seen that the expression level of the enzyme desired to be expressed does not correlate with that of the reporter protein due to the difference in the expression construct structure and expression efficiency of each enzyme (Oliver et al., Metabolic Engineering, Vol. .22, 76-82 (2014)).

これらによって特定した最適な発現量は、他の発現誘導システムに置換したり、最適発現量と同等の発現量を実現できることが分かっている恒常発現システムで置換してもよい。以下に、その手順の一例を説明するが、本発明に用いる遺伝子や発現コンストラクト等はこれに限定されない。例えば、発現誘導システムにより得られたペンタメチレンジアミンの生産濃度の最大値を、恒常発現システムで再現する方法は次のとおりである。まず、ペンタメチレンジアミン生産濃度の最大値が得られる誘導剤添加濃度を決定する。次に、発現遺伝子をペンタメチレンジアミンの生産酵素からGFPへ置き換え、同濃度の誘導剤添加で誘導したときのGFP蛍光強度(GFP/OD)を定量し、これを最適な発現量とする。恒常発現システムに置き換える場合には、この最適発現量と同等の発現を実現しうるプロモーターを選択するか、既存のプロモーターを改変する等によって、恒常発現システムへの置き換えが可能である。すなわち、本発明において、高い生産効率の実現に本質的な酵素の発現は、発現誘導に限定されない。恒常発現システムの例としては、達成したい発現量に応じて、メタノールデヒドロゲナーゼプロモーター、メタンモノオキシゲナーゼプロモーター、リボソームタンパク質プロモーター、ヘキスロース−6−リン酸合成酵素プロモーター、ホスホヘキスロースイソメラーゼプロモーター、グリセルアルデヒド−6−リン酸デヒドロゲナーゼプロモーター、rhaBADプロモーター、araBADプロモーター、tetプロモーター、trcプロモーター、tacプロモーター、trpプロモーター、lacプロモーター、lacUV5プロモーター、phoAプロモーター、T7プロモーター、λファージのPRプロモーター、PLプロモーター等から1種または2種以上の組み合わせとして選択できる。しかしながら、恒常発現システムにより発現したい遺伝子が宿主細胞の生育と競合したり毒性を有する場合には、最適な発現量を恒常的に保とうとすることによって形質転換体を得られないこともありうる。   The optimum expression level specified by these may be replaced with another expression induction system, or may be replaced with a constitutive expression system that is known to realize an expression level equivalent to the optimal expression level. An example of the procedure will be described below, but the genes, expression constructs, and the like used in the present invention are not limited thereto. For example, a method for reproducing the maximum value of the production concentration of pentamethylenediamine obtained by the expression induction system using the constant expression system is as follows. First, the concentration of the inducer added at which the maximum value of the pentamethylenediamine production concentration is obtained is determined. Next, the expression gene is replaced with GFP from the production enzyme of pentamethylenediamine, and the GFP fluorescence intensity (GFP / OD) when induced by the addition of an inducer at the same concentration is quantified, and this is set as the optimum expression level. In the case of replacement with a constant expression system, replacement with the constant expression system is possible by selecting a promoter capable of realizing expression equivalent to the optimal expression level or modifying an existing promoter. That is, in the present invention, the expression of an enzyme essential for realizing high production efficiency is not limited to expression induction. Examples of constitutive expression systems include methanol dehydrogenase promoter, methane monooxygenase promoter, ribosomal protein promoter, hexulose-6-phosphate synthase promoter, phosphohexulose isomerase promoter, glyceraldehyde-6, depending on the expression level desired to be achieved. -One or two of phosphate dehydrogenase promoter, rhaBAD promoter, araBAD promoter, tet promoter, trc promoter, tac promoter, trp promoter, lac promoter, lacUV5 promoter, phoA promoter, T7 promoter, lambda phage PR promoter, PL promoter, etc. It can be selected as a combination of more than species. However, when a gene desired to be expressed by the constitutive expression system competes with the growth of the host cell or has toxicity, a transformant may not be obtained by constantly maintaining the optimal expression level.

本発明の発現誘導の好適な1態様で用いられるリボスイッチとは、特定の低分子化合物と選択的に結合するRNAのことをいい、当該低分子化合物をリガンドと呼ぶ。リガンド非存在下ではRNA塩基対による二次構造を形成し、リボスイッチ周辺の核酸へ影響を与える。特に、リボスイッチの下流にリボソーム結合部位を含む場合には、リボソームのリボソーム結合部位への接近を妨げることで、さらに下流に位置する遺伝子のmRNAの翻訳を妨げる。一方、リガンド存在下では、リガンド結合に伴う二次構造解消を通じて、リボソームがリボソーム結合部位へ接近できる。そのため、リガンド添加時のみ遺伝子のmRNAが翻訳され、目的遺伝子の発現誘導が達成される。   The riboswitch used in one preferred embodiment of the expression induction of the present invention refers to RNA that selectively binds to a specific low molecular weight compound, and this low molecular weight compound is called a ligand. In the absence of a ligand, it forms a secondary structure with RNA base pairs and affects nucleic acids around the riboswitch. In particular, when a ribosome binding site is included downstream of the riboswitch, the translation of the mRNA of the gene located further downstream is prevented by preventing the ribosome from approaching the ribosome binding site. On the other hand, in the presence of the ligand, the ribosome can approach the ribosome binding site through the elimination of the secondary structure accompanying the ligand binding. Therefore, the gene mRNA is translated only when the ligand is added, and the expression of the target gene is induced.

本発明における「リガンド」は特に限定されるものではない。それは当該リガンド非存在下のリボスイッチの二次構造を解消できるものであればよく、天然由来のもの、これを改変したもの、人工的に設計改変されたもののうち1つもしくはいずれをも選択できる。   The “ligand” in the present invention is not particularly limited. It only needs to be able to eliminate the secondary structure of the riboswitch in the absence of the ligand, and one or any of naturally occurring, modified, artificially modified ones can be selected. .

本発明におけるリボスイッチは、特に限定されるものではなく、リガンド結合に伴い二次構造変化が生じるRNAであればよい。例えば、テオフィリン応答性リボスイッチ、アデノシルコバラミン応答性リボスイッチ、サイクリックジGMP応答性リボスイッチ、フラビンモノヌクレオチド応答性リボスイッチ、グルコサミン−6−リン酸応答性リボスイッチ、グルタミン応答性リボスイッチ、グリシン応答性リボスイッチ、リジン応答性リボスイッチ、preQ応答性リボスイッチ、プリン応答性リボスイッチ、S−アデノシルホモシステイン応答性リボスイッチ、S−アデノシルメチオニン応答性リボスイッチ、S−アデノシルホモシステイン&S−アデノシルメチオニン応答性リボスイッチ、テトラヒドロ葉酸応答性リボスイッチ、チアミンピロリン酸応答性リボスイッチ、モリブデン応答性リボスイッチ、アデニン応答性リボスイッチが挙げられるが、これらに限定されない。リボスイッチは、すでに天然に存在することが知られているもの、新たに天然から単離されたもの、人工的に設計されたもの、いずれでもよく、また、1つもしくは複数を組み合わせてもよい。 The riboswitch in the present invention is not particularly limited, and may be RNA that causes a secondary structure change upon ligand binding. For example, theophylline responsive riboswitch, adenosylcobalamin responsive riboswitch, cyclic di GMP responsive riboswitch, flavin mononucleotide responsive riboswitch, glucosamine-6-phosphate responsive riboswitch, glutamine responsive riboswitch, Glycine responsive riboswitch, lysine responsive riboswitch, preQ 1 responsive riboswitch, purine responsive riboswitch, S-adenosylhomocysteine responsive riboswitch, S-adenosylmethionine responsive riboswitch, S-adenosyl Homocysteine & S-adenosylmethionine responsive riboswitch, tetrahydrofolate responsive riboswitch, thiamine pyrophosphate responsive riboswitch, molybdenum responsive riboswitch, adenine responsive riboswitch It is not limited to. Riboswitches may be any of those already known to exist in nature, newly isolated from nature, artificially designed, or a combination of one or more .

本発明におけるリボスイッチは、好ましくはテオフィリン応答性リボスイッチである。テオフィリン応答性リボスイッチは、テオフィリン非存在下のRNA二次構造がテオフィリン結合によって解消されるものであればよく、特に限定されるものではない。例えば、5’−GGTACCGGTGATACCAGCATCGTCTTGATGCCCTTGGCAGCACCCTGCTAAGGAGGCAACAAG−3’(配列番号:1)、5’−GGTACCGGTGATACCAGCATCGTCTTGATGCCCTTGGCAGCACCCTGAGAAGGGGCAACAAG−3’(配列番号:2)、5’−GGTACCGGTGATACCAGCATCGTCTTGATGCCCTTGGCAGCACCCGCTGCGCAGGGGGTATCAACAAG−3’(配列番号:3)、5’−GGTACCTGATAAGATAGGGGTGATACCAGCATCGTCTTGATGCCCTTGGCAGCACCAAGGGACAACAAG−3’(配列番号:4)、5’−GGTACCGGTGATACCAGCATCGTCTTGATGCCCTTGGCAGCACCCTGCTAAGGTAACAACAAG−3’(配列番号:5)、5’−GGTACCGGTGATACCAGCATCGTCTTGATGCCCTTGGCAGCACCCTGCTAAGGAGGTAACAACAAG−3’(配列番号:6)などの配列を有するものが挙げられるが、これらに限定されない。さらに好ましくは5’−GGTACCGGTGATACCAGCATCGTCTTGATGCCCTTGGCAGCACCCTGCTAAGGAGGCAACAAG−3’(配列番号:1)の配列を有する。 The riboswitch in the present invention is preferably a theophylline-responsive riboswitch. The theophylline-responsive riboswitch is not particularly limited as long as the RNA secondary structure in the absence of theophylline is eliminated by theophylline binding. For example, 5'-GGTACC GGTGATACCAGCATCGTCTTGATGCCCTTGGCAGCACC CTGCTAAGGAGGCAACAAG-3 '( SEQ ID NO: 1), 5'-GGTACC GGTGATACCAGCATCGTCTTGATGCCCTTGGCAGCACC CTGAGAAGGGGCAACAAG-3' ( SEQ ID NO: 2), 5'-GGTACC GGTGATACCAGCATCGTCTTGATGCCCTTGGCAGCACC CGCTGCGCAGGGGGTATCAACAAG-3 '( SEQ ID NO: 3), 5'-GGTACCTGATAAGATAGG GGTGATACCAGCATCGTCTTGATGCCCTTGGCAGCACC AAGGGACAACAAG-3 ' ( SEQ ID NO: 4), 5'-GGTACC G TGATACCAGCATCGTCTTGATGCCCTTGGCAGCACC CTGCTAAGGTAACAACAAG-3 '(SEQ ID NO: 5), 5'-GGTACC GGTGATACCAGCATCGTCTTGATGCCCTTGGCAGCACC CTGCTAAGGAGGTAACAACAAG-3' ( SEQ ID NO: 6) include those having a sequence such as, but not limited to. More preferably, it has the sequence of 5′-GGTACC GGTGATACCCAGCATCGTCTTGATGCCCTTGGCAGCACC CTGCTAAGGAGGCAACAAAG-3 ′ (SEQ ID NO: 1).

また、リガンドであるテオフィリンはテオフィリンの誘導体であってもよい。リガンドとして本発明の形質転換体の培養に添加されるテオフィリン又はその誘導体の濃度は0.1〜10mMが好ましいが、これに限定されない。   The theophylline as a ligand may be a derivative of theophylline. The concentration of theophylline or a derivative thereof added to the culture of the transformant of the present invention as a ligand is preferably 0.1 to 10 mM, but is not limited thereto.

本発明におけるリボスイッチは、天然もしくは人工のプロモーターの下流に配置され、それにより当該プロモーターに作動可能に連結される。プロモーターは、発現遺伝子の上流に位置するDNAであって、宿主微生物のRNAポリメラーゼを鋳型DNAへ引き寄せるプロモーター配列を含む。   The riboswitch in the present invention is located downstream of a natural or artificial promoter, and is thereby operably linked to the promoter. The promoter is a DNA located upstream of the expressed gene, and includes a promoter sequence that attracts the RNA polymerase of the host microorganism to the template DNA.

本発明におけるプロモーターは特に限定されず、メタン資化性菌において作動するものであればよい。ゆえに、メタン資化性菌に由来する核酸に限らず天然に存在するもの、または人工的に設計、改変されたものでもよい。例えば、メタノールデヒドロゲナーゼプロモーター、メタンモノオキシゲナーゼプロモーター、リボソームタンパク質プロモーター、ヘキスロース−6−リン酸合成酵素プロモーター、ホスホヘキスロースイソメラーゼプロモーター、グリセルアルデヒド−6−リン酸デヒドロゲナーゼプロモーター、rhaBADプロモーター、araBADプロモーター、tetプロモーター、trcプロモーター、tacプロモーター、trpプロモーター、lacプロモーター、lacUV5プロモーター、phoAプロモーター、T7プロモーター、λファージのPRプロモーター、PLプロモーターなどが挙げられる。また、本発明のプロモーターとしては、達成したい発現量性質に応じて、恒常性、誘導性いずれをも選択でき、1つもしくは複数を組み合わせることができる。本発明における好ましいプロモーターの例として、trcプロモーターを挙げることができる。   The promoter in the present invention is not particularly limited as long as it operates in methane-utilizing bacteria. Therefore, the nucleic acid is not limited to a nucleic acid derived from a methane-utilizing bacterium, but may be a naturally occurring nucleic acid or an artificially designed and modified one. For example, methanol dehydrogenase promoter, methane monooxygenase promoter, ribosomal protein promoter, hexulose-6-phosphate synthase promoter, phosphohexulose isomerase promoter, glyceraldehyde-6-phosphate dehydrogenase promoter, rhaBAD promoter, araBAD promoter, tet promoter , Trc promoter, tac promoter, trp promoter, lac promoter, lacUV5 promoter, phoA promoter, T7 promoter, lambda phage PR promoter, PL promoter and the like. Further, as the promoter of the present invention, either homeostasis or inducibility can be selected according to the expression level property to be achieved, and one or a plurality of them can be combined. An example of a preferred promoter in the present invention is a trc promoter.

本発明における核酸は、リボソーム結合配列を含む。リボソーム結合配列は、一般に4塩基から10塩基の長さからなる核酸であり、リボソームとmRNAを結合させ翻訳の開始に必要である。アデニンもしくはグアニンに富む特徴を有するが、特に限定されるものではなく、メタン資化性菌において作動可能であればよい。したがって、本発明のリボソーム結合配列は、天然に存在する配列でも、人工的に設計された配列でもよく、達成したい性能や目的に応じて適したものを選択することができる。例えば、非特許文献3に示されるように、達成したい遺伝子発現量に応じて、任意に設計することができる。本発明のリボソーム結合配列の好ましい例としては、5’−AAGGAGG−3’を有する配列を挙げることができる。これらのリボソーム結合配列は、典型的には、本発明のリボスイッチの下流に配置され、それにより当該リボスイッチに作動可能に連結される。したがって、本発明の好適な態様は、リボスイッチが天然もしくは人工的なプロモーターの下流に配置され、リボソーム結合配列がリボスイッチの下流に配置された核酸である。   The nucleic acid in the present invention includes a ribosome binding sequence. The ribosome binding sequence is a nucleic acid generally having a length of 4 to 10 bases, and is necessary for binding ribosome and mRNA to initiate translation. Although it has a feature rich in adenine or guanine, it is not particularly limited as long as it is operable in a methane-utilizing bacterium. Therefore, the ribosome binding sequence of the present invention may be a naturally occurring sequence or an artificially designed sequence, and a suitable one can be selected according to the performance and purpose to be achieved. For example, as shown in Non-Patent Document 3, it can be arbitrarily designed according to the gene expression level desired to be achieved. Preferred examples of the ribosome binding sequence of the present invention include sequences having 5'-AAGGAGGG-3 '. These ribosome binding sequences are typically placed downstream of the riboswitch of the present invention and thereby operably linked to the riboswitch. Accordingly, a preferred embodiment of the present invention is a nucleic acid in which the riboswitch is located downstream of a natural or artificial promoter and the ribosome binding sequence is located downstream of the riboswitch.

なお、本発明において、「作動可能に連結される」とは、両配列が直結される場合、および適当な数の塩基を介して連結される場合のいずれも含む。例えば、プロモーターとリボスイッチとの間には、既知のプロモーターの近傍に見出される余剰配列、および更に適当な数の塩基からなるスペーサーが存在していてもよい。また、リボソーム結合配列とリボスイッチが適当な数の塩基からなるスペーサーを介して連結されていてもよい。当該スペーサーの長さは、典型的には1〜20塩基、好ましくは5〜10塩基であり得る。   In the present invention, “operably linked” includes both cases where both sequences are directly linked and cases where they are linked via an appropriate number of bases. For example, an extra sequence found in the vicinity of a known promoter and a spacer composed of an appropriate number of bases may exist between the promoter and the riboswitch. Further, the ribosome binding sequence and the riboswitch may be linked via a spacer composed of an appropriate number of bases. The length of the spacer can typically be 1-20 bases, preferably 5-10 bases.

本発明における形質転換体は、メタン資化性菌において遺伝子発現誘導を可能にするRNAをコードする核酸を含む。そのような本発明の核酸は、ベクターもしくは染色体上に組み込むことが可能である。組み込むべき核酸が2以上の場合、それらの全てがベクターに組み込まれてもよいし染色体上に組み込まれてもよく、或いはそのうちの一部をベクターに、他のものを染色体上に組み込んでもよい。   The transformant in the present invention includes a nucleic acid encoding RNA that enables gene expression induction in a methane-utilizing bacterium. Such a nucleic acid of the present invention can be integrated on a vector or a chromosome. When there are two or more nucleic acids to be integrated, all of them may be integrated into the vector or may be integrated into the chromosome, or some of them may be integrated into the vector and others may be integrated into the chromosome.

本発明における核酸がベクターに含まれる場合、当該ベクターは特に限定されるものではないが、例えば、メタン資化性菌細胞内での自律的複製を可能にする複製起点、選択マーカー、接合伝達起点を含むことができる。ベクターの細胞への導入は、当業者に公知の手段により行われ得る。例えば、接合伝達法やエレクトロポレーション法などを挙げることができる(Kim et al.,Applied Biochemistry and Biotechnology,Vol.73, 81−88 (1998))。   When the nucleic acid according to the present invention is contained in a vector, the vector is not particularly limited. For example, an origin of replication that enables autonomous replication in a methane-utilizing bacterial cell, a selection marker, and an origin of conjugation transmission Can be included. Introduction of the vector into the cell can be performed by means known to those skilled in the art. For example, a junction transfer method, an electroporation method, etc. can be mentioned (Kim et al., Applied Biochemistry and Biotechnology, Vol. 73, 81-88 (1998)).

本発明における核酸を、宿主細胞であるメタン資化性菌の染色体上に組み込むことも好適な態様である。そのような組み込みも当業者に公知の手段により行われ得る。例えば、Csaki et al.,Microbiology, Vol. 149, 1785−1795 (2003)に記載の方法などを挙げることができる。   It is also a preferred embodiment that the nucleic acid in the present invention is integrated into the chromosome of a methane-utilizing bacterium that is a host cell. Such incorporation can also be done by means known to those skilled in the art. For example, Csaki et al. , Microbiology, Vol. 149, 1785-1795 (2003).

本発明におけるメタン資化性菌としては、既に単離保存されているものでも、新たに天然から分離したもの、遺伝子改変されたもの、メタンを代謝できるよう改変された大腸菌や酵母、メタノール資化性菌といった非メタン資化性菌などいずれをも任意に選択できる。本発明におけるメタン資化性菌としては、特に限定されないが、例えばメチルアシドフィラム(Methylacidphilum)、メチロセラ(Methylocella)、メチロテネラ(Methylotenera)、メチロファーガ(Methylophaga)、メチロモナス(Methylomonas)、メチロバクター(Methylobacter)、メチロコッカス(Methylococcus)、メチロサイナス(Methylosinus)、メチロシスチス(Methylocystis)、メチロマイクロビウム(Methylomicrobium)、メチロサーマス(Methylothermus)、メチロマリナム(Methylomarinum)、メチロバルム(Methylovulum)、メタノコッカス(Methanococcus)、メタノサーモバクター(Methanothermobacter)、メタノモナス(Methanomonas)、メタノサルキナ(Methanosarcina)、メタノゲニウム(Methanogenium)、メタノバクテリウム(Methanobacterium)、メタノハロフィラス(Methanohalophilus)、メタノマイクロビウム(Methanomicrobia)、メタノコッコイド(Methanococcoides)、メタノサエタ(Methanosaeta)、メタノロバス(Methanolobus)、メチロバクテリウム(Methylobacterium)などに属する微生物から選択でき、さらに好ましくは、Methylococcus capsulatus Bath(NCIMB 11132)である。 The methane-utilizing bacteria in the present invention may be those already isolated and preserved, newly separated from nature, genetically modified, Escherichia coli and yeast modified to metabolize methane, and methanol assimilation Any non-methane-utilizing bacterium such as a genus bacterium can be arbitrarily selected. The methane-assimilating bacterium in the present invention is not particularly limited, and for example, methyl acid phyllum, methylocella, methylotenera, methylophaga, methylomethas, and methyromathas. Methylococcus, Methylosinus, Methylocytis, Methylomicrobium, Methylotherm, Methylumum, Methylomynum , Methanococcus, Methanothermobacter, Methanomonas, Methanosalucina, Methanogenium, Methanogenium, Methanogenium, Methanogenium, Methanogenium, Methanogenium ), Metanokokkoido (Methanococcoides), Metanosaeta (Methanosaeta), Metanorobasu (Methanolobus), can be selected from Methylobacterium (Methylobacterium) microorganisms belonging to such, more preferably, Me hylococcus capsulatus is a Bath (NCIMB 11132).

本発明の形質転換体は、宿主細胞の生育に適した公知の培養方法により培養することができる。例えば、本発明で用いられる培地は、メタンを炭素源として含み、さらに窒素源、無機イオンおよび必要に応じてその他の有機微量成分を含む培地であれば、天然培地、合成培地のいずれでもよい。培養は、好気的もしくは嫌気的いずれも選択することができ、振盪培養、静置培養または通気攪拌培養など目的に応じて選択できる。   The transformant of the present invention can be cultured by a known culture method suitable for host cell growth. For example, the medium used in the present invention may be either a natural medium or a synthetic medium as long as it contains methane as a carbon source and further contains a nitrogen source, inorganic ions, and other organic trace components as required. The culture can be selected from aerobic or anaerobic, and can be selected according to the purpose such as shaking culture, stationary culture or aeration and agitation culture.

例えば、密閉系で振盪あるいは静置培養を行う場合には、培地と接する気相中にメタンガスを1〜75%添加する。開放系で通気培養を行う場合には、メタンガスを1〜75%含む混合ガスを吹き込む。上記いずれの例においても、必要に応じて酸素や二酸化炭素、窒素などのガスを添加できる。メタンの代替/追加炭素源としてメタノールを使用してもよく、培地に0.01〜5%メタノールを添加する。   For example, when shaking or stationary culture is performed in a closed system, 1 to 75% of methane gas is added to the gas phase in contact with the medium. When aeration culture is performed in an open system, a mixed gas containing 1 to 75% of methane gas is blown. In any of the above examples, a gas such as oxygen, carbon dioxide, or nitrogen can be added as necessary. Methanol may be used as an alternative / additional carbon source for methane, and 0.01-5% methanol is added to the medium.

窒素源としては、硝酸カリウム、硝酸ナトリウム、硝酸、アンモニアガス、アンモニア水、塩化アンモニウム、硫酸アンモニウム、硝酸アンモニウム、酢酸アンモニウム、リン酸アンモニウム、尿素などを0.01〜10%培地に添加して用いる。これらのほかに、通常、リン酸カリウム、リン酸ナトリウム、硫酸マグネシウム、塩化カルシウム、鉄−EDTA、モリブデン酸ナトリウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、硫酸銅、塩化銅、硫酸鉄、硫酸亜鉛、塩化マンガン、塩化コバルト、塩化ニッケル、ホウ酸などの成分が微量添加されうる。また、培養する微生物種が従属栄養性である場合には、グルコースやキシロースなどの糖やグリセロール、酢酸、コハク酸などの炭素源を0.01〜10%添加してもよい。   As the nitrogen source, potassium nitrate, sodium nitrate, nitric acid, ammonia gas, aqueous ammonia, ammonium chloride, ammonium sulfate, ammonium nitrate, ammonium acetate, ammonium phosphate, urea, etc. are added to the 0.01-10% medium for use. Besides these, potassium phosphate, sodium phosphate, magnesium sulfate, calcium chloride, iron-EDTA, sodium molybdate, sodium carbonate, sodium bicarbonate, copper sulfate, copper chloride, iron sulfate, zinc sulfate, manganese chloride Components such as cobalt chloride, nickel chloride, and boric acid can be added in small amounts. When the microorganism species to be cultured is heterotrophic, 0.01 to 10% of a sugar source such as glucose or xylose, or a carbon source such as glycerol, acetic acid or succinic acid may be added.

本発明のリボスイッチによる発現誘導システムを用いた目的遺伝子の発現誘導は、上記のような形質転換体に対してリボスイッチのリガンドを接触させることにより達成することができる。リガンドは、遺伝子の発現誘導を望む任意のタイミングで外部より人為的に供給するか、宿主細胞により自律的に供給させる方法を選択できる。後者については、例えば生育する細胞内に蓄積する代謝物をリガンドに選択することで達成できる(Zhou et al., ACS Synthetic biology, Vol. 4, 1335−1340 (2015))。また、リガンドの生合成に必要な遺伝子を該宿主細胞に導入することで、リガンドを自律的に供給させることも可能である。   The expression induction of the target gene using the expression induction system by the riboswitch of the present invention can be achieved by bringing the riboswitch ligand into contact with the transformant as described above. A method can be selected in which a ligand is artificially supplied from the outside at an arbitrary timing when gene expression induction is desired, or is supplied autonomously by a host cell. The latter can be achieved, for example, by selecting a metabolite that accumulates in growing cells as a ligand (Zhou et al., ACS Synthetic biology, Vol. 4, 1335-1340 (2015)). It is also possible to supply the ligand autonomously by introducing a gene necessary for the biosynthesis of the ligand into the host cell.

以下、本発明を実施例によりさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.

各実施例で用いた培地の組成は以下のとおりである。   The composition of the medium used in each example is as follows.

(LB培地)
組成は次のとおりである:20g/L LB培地、レノックス(ディフコ社製)。
[120℃、20分間蒸気滅菌を行った。必要に応じて、終濃度50mg/L カナマイシン硫酸塩、1.5% Bacto agar(ディフコ社製)を加えた。]
(LB medium)
The composition is as follows: 20 g / L LB medium, Lennox (Difco).
[Steam sterilization was performed at 120 ° C. for 20 minutes. If necessary, a final concentration of 50 mg / L kanamycin sulfate, 1.5% Bacto agar (Difco) was added. ]

(NMS培地)
組成は次のとおりである:0.8mM MgSO・7HO、10mM NaNO、0.14mM CaCl、1.2mM NaHCO、2.35mM KHPO、3.4mM KHPO、20.7μM NaMoO・2HO、1μM CuSO・5HO、10μM FeIII−Na−EDTA、1mL trace metal solution(500mg/L FeSO・7HO、400mg/L ZnSO・7HO、20mg/L MnCl・7HO、50mg/L CoCl・6HO、10mg/L NiCl・6HO、15mg/L HBO、250mg/L EDTA)
[必要に応じて、7.5〜10mg/L カナマイシン硫酸塩、25mg/L ナリジクス酸、1.5% Bacto agarも加えた。また、Phosphate、bicarbonate、CuSO・5HO、FeIII−Na−EDTA、NaHCOは、120℃、20分間蒸気滅菌後、添加した。]
(NMS medium)
The composition is as follows: 0.8 mM MgSO 4 .7H 2 O, 10 mM NaNO 3 , 0.14 mM CaCl 2 , 1.2 mM NaHCO 3 , 2.35 mM KH 2 PO 4 , 3.4 mM K 2 HPO 4 , 20.7 μM Na 2 MoO 4 .2H 2 O, 1 μM CuSO 4 .5H 2 O, 10 μM Fe III -Na-EDTA, 1 mL trace metal solution (500 mg / L FeSO 4 .7H 2 O, 400 mg / L ZnSO 4 .7H 2 O, 20 mg / L MnCl 2 .7H 2 O, 50 mg / L CoCl 2 .6H 2 O, 10 mg / L NiCl 2 .6H 2 O, 15 mg / L H 3 BO 3 , 250 mg / L EDTA)
[7.5-10 mg / L kanamycin sulfate, 25 mg / L nalidixic acid, 1.5% Bacto agar were also added as needed. Further, Phosphate, bicarbonate, CuSO 4 .5H 2 O, Fe III -Na-EDTA, and NaHCO 3 were added after steam sterilization at 120 ° C. for 20 minutes. ]

[実施例1] GFPを指標としたMethylococcus capsulatus Bathにおける遺伝子発現量の調節・最大化 [Example 1] Regulation and maximization of gene expression level in a mycococcus capsule bath using GFP as an index

(プラスミドの構築)
プラスミド構築に必要な核酸断片のPCR増幅には、Phusion polymerase(New England BioLabs社製)を用いた。プラスミド構築には、In−Fusion HD Cloningキット(Clontech社製)を用いた。広域宿主ベクターであるpBHR1(MoBiTec社製)へリボスイッチとtrcプロモーターのハイブリッド(Ptrc E*)、sfGFP遺伝子をクローニングすることによりpmk61Aを構築した。Ptrc E*およびsfGFPは、Genscript社により合成された。まず、Ptrc E*断片をmk316およびmk173Rにより増幅した。次に、sfGFP断片をmk176およびmk317Rにより増幅した。最後に、ベクター骨格をmk318およびmk319Rにより増幅した。これらの3つの断片をIn−Fusion HD Cloningキットにより連結し、pmk61Aを有するE.coli XL1−Blue(ニッポン・ジーン社製)のクローンを得た。プラスミドDNAを細胞から抽出・精製後、シーケンス解析により、pmk61Aが正しく得られていることを確認した。図1にpmk61Aの概要を示す。また、上記配列を以下に示す。
(Plasmid construction)
Phusion polymerase (manufactured by New England BioLabs) was used for PCR amplification of nucleic acid fragments necessary for plasmid construction. In-Fusion HD Cloning kit (Clontech) was used for plasmid construction. Pmk61A was constructed by cloning a hybrid of riboswitch and trc promoter (Ptrc E *) and sfGFP gene into pBHR1 (manufactured by MoBiTec), which is a broad host vector. Ptrc E * and sfGFP were synthesized by Genscript. First, the Ptrc E * fragment was amplified with mk316 and mk173R. Next, the sfGFP fragment was amplified with mk176 and mk317R. Finally, the vector backbone was amplified with mk318 and mk319R. These three fragments were ligated by the In-Fusion HD Cloning kit and E. coli having pmk61A . A clone of E. coli XL1-Blue (manufactured by Nippon Gene) was obtained. After extracting and purifying the plasmid DNA from the cells, it was confirmed by sequencing that pmk61A was obtained correctly. FIG. 1 shows an outline of pmk61A. Moreover, the said arrangement | sequence is shown below.

Figure 2019205423

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(Methylococcus capsulatus Bathへのpmk61Aの導入)
pmk61Aは、Aliらにより報告された接合伝達を用いた形質転換法により、Methylococcus capsulatus Bathへ導入した(Ali et al.,Microbiology,Vol.152 , 2931−2942(2009))。
(Introduction of pmk61A to Methylococcus capsulatus Bath)
pmk61A was introduced into Methylococcus capsulatus Bath by a transformation method using conjugative transmission reported by Ali et al. (Ali et al., Microbiology, Vol. 152, 2931-2942 (2009)).

まず、pmk61Aをエレクトロポレーション法により、接合伝達の供与菌であるE.coli S17−1へ導入した。形質転換体は、50mg/Lカナマイシンを含むLB寒天培地での生育を指標に選択し、プラスミドの配列はシーケンス解析により確認した。50mg/Lカナマイシンを含んだLB培地に形質転換体のコロニーを懸濁し、37℃で終夜振盪培養した。500μLの終夜培養液を50mg/Lカナマイシンを含んだ25mLのLB培地へ植菌し、OD600が0.5付近となるまで37℃で振盪培養した。培養菌体を遠心分離により回収し、新鮮なNMS培地で3回洗浄後、1mLの同培地へ懸濁した。 First, pmk61A was conjugated to E. coli which is a conjugative transfer donor by electroporation . and introduced into E. coli S17-1. Transformants were selected using growth on an LB agar medium containing 50 mg / L kanamycin as an indicator, and the sequence of the plasmid was confirmed by sequence analysis. Transformant colonies were suspended in LB medium containing 50 mg / L kanamycin and cultured overnight at 37 ° C. with shaking. 500 μL of the overnight culture was inoculated into 25 mL of LB medium containing 50 mg / L kanamycin, and cultured with shaking at 37 ° C. until the OD 600 was around 0.5. The cultured cells were collected by centrifugation, washed 3 times with fresh NMS medium, and suspended in 1 mL of the same medium.

S17−1の培養と同時に、接合伝達の受容菌であるMethylococcus capsulatus Bath野生株(NCIMB 11132)を、新鮮なNMS培地10mLを含んだ130mL容の血清ボトルへ植菌した。ボトルはブチルゴムセプタムで密閉し、60mLのボトル内空気を同体積の10%メタン/90%窒素の混合ガスと交換した。ボトルは、43℃で18時間培養した。培養菌体を遠心分離により回収し、新鮮なNMS培地5mLへ懸濁した。 Simultaneously with the culture of S17-1, a mycococcus capsulatus Bath wild strain (NCIMB 11132), a recipient of conjugative transmission, was inoculated into a 130 mL serum bottle containing 10 mL of fresh NMS medium. The bottle was sealed with a butyl rubber septum, and 60 mL of the bottle air was replaced with the same volume of 10% methane / 90% nitrogen mixed gas. The bottle was incubated at 43 ° C. for 18 hours. The cultured cells were collected by centrifugation and suspended in 5 mL of fresh NMS medium.

OD600と体積の積が、S17−1とMethylococcus capsulatus Bathとで1:5となるよう混合後、0.22μmのニトロセルロース膜(ミリポア社製)で濾過した。これを0.02%のプロテオースペプトン(ディフコ社製)を含んだNMS寒天培地に載せ、5%メタン雰囲気下、37℃で24時間インキュベートした。メンブレン上の細胞を新鮮なNMS培地10mLで洗い流し、遠心分離で菌体を回収した後、200μLの同培地に再懸濁した。これを、7.5mg/Lカナマイシン、25mg/Lナリジクス酸を含んだNMS寒天培地へ塗布し、5%メタン雰囲気下、45℃の条件でコロニーが出現するまでインキュベートした。得られたクローンはPCRにより、プラスミドの存在を確認した。 The mixture was mixed so that the product of OD 600 and volume was 1: 5 with S17-1 and Methylococcus capsules Bath, and then filtered through a 0.22 μm nitrocellulose membrane (Millipore). This was placed on an NMS agar medium containing 0.02% proteosepeptone (Difco) and incubated at 37 ° C. for 24 hours in a 5% methane atmosphere. The cells on the membrane were washed away with 10 mL of fresh NMS medium, and the cells were collected by centrifugation, and then resuspended in 200 μL of the same medium. This was applied to an NMS agar medium containing 7.5 mg / L kanamycin and 25 mg / L nalidixic acid and incubated in a 5% methane atmosphere at 45 ° C. until colonies appeared. The obtained clone was confirmed by PCR for the presence of the plasmid.

(GFPを指標としたMethylococcus capsulatus Bathにおける遺伝子発現量の調節・最大化)
形質転換体コロニーを、10mg/Lカナマイシンおよび0、0.1、2、5、7.5または10mMいずれかの濃度のテオフィリンを加えたNMS培地10mLを含んだ130mL容の血清ボトルへ植菌した。また、コントロールとして、野生株をテオフィリンを含まない同培地へ植菌した。ボトルはブチルゴムセプタムで密閉し、60mLのボトル内空気を同体積の10%メタン/90%窒素の混合ガスと交換した。ボトルは、43℃で24時間培養した。培養液を新鮮なNMS培地で10倍希釈し、蛍光強度(Ex:488nm、Em:530nm)を蛍光プレートリーダー(infinite200Pro、Tecan社製)で測定した。蛍光強度値はそれぞれのOD600で割った後、野生株(ブランク)におけるそれから差し引いた。図2に結果を示す。非誘導時の蛍光は検出されず、テオフィリン濃度依存的に良好な発現誘導を示し、発現量の調整に最適なシステムであることがわかった(図2)。
(Regulation and maximization of gene expression level in the mycococcus capsule bath using GFP as an index)
Transformant colonies were inoculated into 130 mL serum bottles containing 10 mL of NMS medium supplemented with 10 mg / L kanamycin and either 0, 0.1, 2, 5, 7.5, or 10 mM theophylline. . As a control, the wild strain was inoculated into the same medium containing no theophylline. The bottle was sealed with a butyl rubber septum, and 60 mL of the bottle air was replaced with the same volume of 10% methane / 90% nitrogen mixed gas. The bottles were incubated for 24 hours at 43 ° C. The culture solution was diluted 10-fold with a fresh NMS medium, and the fluorescence intensity (Ex: 488 nm, Em: 530 nm) was measured with a fluorescence plate reader (infinite200Pro, Tecan). The fluorescence intensity value was divided by the respective OD 600 and then subtracted from that in the wild strain (blank). The results are shown in FIG. Fluorescence at the time of non-induction was not detected, and favorable expression induction was shown depending on theophylline concentration, indicating that the system was optimal for adjusting the expression level (FIG. 2).

[実施例2]および[比較例1] Methylococcus capsulatus BathにおけるL−リジン脱炭酸酵素の発現 [Example 2] and [Comparative Example 1] Expression of L-lysine decarboxylase in the mycococcus capsule bus

(プラスミドの構築)
L−リジン脱炭酸酵素をコードするcadA遺伝子をpmk61Aへクローニングすることによりpmk96およびpmk99を構築した(図3)。Kouらの報告をもとに、Aliivibrio salmonicida由来のcadAは、Genscript社により合成された(Kou et al., Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic, Vol. 133, 88−94 (2016))。さらに、メタン資化性菌で発現するL−リジン脱炭酸酵素として最適なものを選抜するために、Escherichia coliおよびKlebsiella pneumoniaeのL−リジン脱炭酸酵素をコードするcadA遺伝子をpmk61Aへクローニングすることによりpmk127およびpmk167を構築した(図3)。
(Plasmid construction)
Pmk96 and pmk99 were constructed by cloning the cadA gene encoding L-lysine decarboxylase into pmk61A (FIG. 3). Based on the report of Kou et al., CadA derived from Alivivrio salmonicida was synthesized by Genscript (Kou et al., Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic, Vol. 13). Furthermore, in order to select an optimal L-lysine decarboxylase expressed in methane-utilizing bacteria, the cadA gene encoding the L-lysine decarboxylase of Escherichia coli and Klebsiella pneumoniae was cloned into pmk61A. pmk127 and pmk167 were constructed (FIG. 3).

pmk96の構築のために、cadA遺伝子領域はmk412およびmk413RによりPCR増幅した。次に、リボスイッチ領域を除いたベクター骨格をmk414およびmk415Rにより増幅した。これらの断片をIn−Fusion HD Cloningキットにより連結し、pmk96を有するE.coli XL1−Blueのクローンを得た。プラスミドDNAを常法により抽出後、シーケンス解析により、pmk96が正しく得られていることを確認した。図3にpmk96の概要を示す。 For construction of pmk96, the cadA gene region was PCR amplified with mk412 and mk413R. Next, the vector backbone excluding the riboswitch region was amplified with mk414 and mk415R. These fragments were ligated with an In-Fusion HD Cloning kit and E. coli having pmk96 . A clone of E. coli XL1-Blue was obtained. After extracting plasmid DNA by a conventional method, it was confirmed by sequencing that pmk96 was obtained correctly. FIG. 3 shows an outline of pmk96.

pmk99の構築のために、cadA遺伝子領域はmk425およびmk426RによりPCR増幅し、ベクター骨格をmk427およびmk428RによりPCR増幅した。これらの断片をIn−Fusion HD Cloningキットにより連結し、pmk99を有するE.coli XL1−Blueのクローンを得た。プラスミドDNAを常法により抽出後、シーケンス解析により、pmk99が正しく得られていることを確認した。図3にpmk99の概要を示す。 For the construction of pmk99, the cadA gene region was PCR amplified with mk425 and mk426R and the vector backbone was PCR amplified with mk427 and mk428R. These fragments were ligated by the In-Fusion HD Cloning kit and E. coli having pmk99 . A clone of E. coli XL1-Blue was obtained. After extracting plasmid DNA by a conventional method, it was confirmed by sequencing that pmk99 was correctly obtained. FIG. 3 shows an outline of pmk99.

pmk127の構築のために、cadA(E.c)遺伝子領域はmk478およびmk479Rにより、Genewiz社により合成されたcadA遺伝子断片を鋳型としてPCR増幅した。次に、ベクター骨格をmk465およびmk466Rにより増幅した。これらの断片をIn−Fusion HD Cloningキットにより連結し、pmk127を有するE.coli XL1−Blueのクローンを得た。プラスミドDNAを常法により抽出後、シーケンス解析により、pmk127が正しく得られていることを確認した。図3にpmk127の概要を示す。 For the construction of pmk127, the cadA (E.c) gene region was PCR amplified with mk478 and mk479R using the cadA gene fragment synthesized by Genewiz as a template. The vector backbone was then amplified with mk465 and mk466R. These fragments were ligated by the In-Fusion HD Cloning kit and E. coli having pmk127 . A clone of E. coli XL1-Blue was obtained. After extracting plasmid DNA by a conventional method, it was confirmed by sequencing that pmk127 was correctly obtained. FIG. 3 shows an outline of pmk127.

pmk167の構築のために、cadA(K.p)遺伝子領域はmk567およびmk568Rにより、Klebsiella pneumoniae MGH78578株のゲノムDNAを鋳型としてPCR増幅した。次に、ベクター骨格をmk465およびmk466Rによりpmk61Aを鋳型としてPCR増幅した。これらの断片をIn−Fusion HD Cloningキットにより連結し、pmk167を有するE.coli XL1−Blueのクローンを得た。プラスミドDNAを常法により抽出後、シーケンス解析により、pmk167が正しく得られていることを確認した。図3にpmk167の概要を示す。また、上記配列を以下に示す。 For the construction of pmk167, the cadA (Kp) gene region was PCR amplified by mk567 and mk568R using the genomic DNA of Klebsiella pneumoniae MGH78578 as a template. Next, the vector backbone was PCR amplified with mk465 and mk466R using pmk61A as a template. These fragments were ligated by the In-Fusion HD Cloning kit and E. coli having pmk167 . A clone of E. coli XL1-Blue was obtained. After extracting plasmid DNA by a conventional method, it was confirmed by sequencing that pmk167 was correctly obtained. FIG. 3 shows an outline of pmk167. Moreover, the said arrangement | sequence is shown below.

Figure 2019205423

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Methylococcus capsulatus Bathへのpmk96、pmk99、pmk127およびpmk167の導入)
実施例1に記載の方法と同様に、pmk96、99、127、および167のMethylococcus capsulatus Bathへの導入を接合伝達によりそれぞれ試みた。コロニーが得られた場合は、PCRによりプラスミドの存在を確認した。
(Introduction of pmk96, pmk99, pmk127, and pmk167 into Methylococcus capsulatus Bath)
In the same manner as described in Example 1 was tried respectively by conjugal transfer the introduction into Methylococcus capsulatus Bath of Pmk96,99,127, and 167. When colonies were obtained, the presence of the plasmid was confirmed by PCR.

形質転換の結果、pmk96の形質転換体は全く得られなかった一方で、pmk99、pmk127およびpmk167の形質転換体のコロニーは多数獲得された。この結果は、メタン資化性菌の生育と競合するL−リジン脱炭酸酵素遺伝子の発現が、発現制御系によって限りなく小さく抑えられたことを意味している。   As a result of the transformation, no pmk96 transformant was obtained, but many colonies of pmk99, pmk127, and pmk167 transformants were obtained. This result means that the expression of the L-lysine decarboxylase gene competing with the growth of the methane-utilizing bacterium was suppressed to an extremely low level by the expression control system.

(各種L−リジン脱炭酸酵素を発現したMethylococcus capsulatus Bathによるペンタメチレンジアミンの生産)
pmk99、pmk127、およびpmk167のそれぞれの導入が確認された形質転換体コロニーを、10mg/Lカナマイシンおよび5mMテオフィリンを含むNMS培地10mLを含んだ130mL容の血清ボトルへ、OD600=0.2となるように植菌した。ボトルはブチルゴムセプタムで密閉し、60mLのボトル内空気を同体積の10%メタン/90%窒素の混合ガスと交換した。ボトルは、43℃で振盪培養し、24時間ごとに1mLの培養液を回収し、ペンタメチレンジアミン濃度とOD600の定量に用い、上記と同様にボトル内空気を同体積の10%メタン/90%窒素の混合ガスと交換することで培養を継続した。OD600は、NanoDrop 2000c(Thermo Fisher Scientific社製)により600nmにおける吸光度を光路長10mmの条件でNMS培地をブランクとして測定した。ペンタメチレンジアミン濃度の定量には、回収した培養液を遠心分離することで得られる上清を8mMメタンスルホン酸(MSA)で4倍希釈したものを用いた。この希釈液をDionex IonPac CS19(内径2mm、長さ250mm)カラムを装着したDIONEX ICS−3000を用いてカチオンモードで分析した。流速を0.35mL/min、カラム恒温槽を30℃、検出器電流は72mAとし、8mM MSAと70mM MSAを移動相としたグラジエント溶出により分析した。ペンタメチレンジアミン濃度は絶対定量法により求めた。図4a、bに結果を示す。いずれの微生物種由来のcadAを発現した場合にも、細胞増殖、ペンタメチレンジアミン生産ともに同等であり、48時間で29〜35mg/Lが生産された(図4a、b)。また、Methylococcus capsulatus Bathの野生株を同一条件にて培養した場合、ペンタメチレンジアミン濃度は検出下限以下であった。すなわち、Methylococcus capsulatus Bathは、生来ペンタメチレンジアミンを生産する能力を有しておらず、L−リジン脱炭酸酵素の発現によってペンタメチレンジアミンの生産増加がもたらされることが明らかとなった。
(Production of pentamethylene diamine by Methylococcus capsulatus Bath expressing various L-lysine decarboxylase)
Transformant colonies with confirmed introduction of pmk99, pmk127, and pmk167 into OD600 = 0.2 into 130 mL serum bottles containing 10 mL of NMS medium containing 10 mg / L kanamycin and 5 mM theophylline. Inoculated. The bottle was sealed with a butyl rubber septum, and 60 mL of the bottle air was replaced with the same volume of 10% methane / 90% nitrogen mixed gas. The bottle is shake-cultured at 43 ° C., and 1 mL of the culture solution is collected every 24 hours and used for the determination of pentamethylenediamine concentration and OD600, and the air in the bottle is the same volume of 10% methane / 90% as above. The culture was continued by exchanging with a mixed gas of nitrogen. OD600 was measured by NanoDrop 2000c (manufactured by Thermo Fisher Scientific) for absorbance at 600 nm under the condition of an optical path length of 10 mm using NMS medium as a blank. For quantification of the pentamethylenediamine concentration, a supernatant obtained by centrifuging the collected culture was diluted 4-fold with 8 mM methanesulfonic acid (MSA). This diluted solution was analyzed in a cation mode using a DIONEX ICS-3000 equipped with a Dionex IonPac CS19 (inner diameter 2 mm, length 250 mm) column. Analysis was performed by gradient elution using a flow rate of 0.35 mL / min, a column thermostat at 30 ° C., a detector current of 72 mA, and 8 mM MSA and 70 mM MSA as mobile phases. The pentamethylenediamine concentration was determined by an absolute quantitative method. The results are shown in FIGS. When cadA derived from any microbial species was expressed, both cell growth and pentamethylenediamine production were equivalent, and 29-35 mg / L was produced in 48 hours (FIGS. 4a and b). Moreover, when the wild strain of Methylococcus capsulatus Bath was cultured under the same conditions, the pentamethylenediamine concentration was below the lower limit of detection. That is, it has been clarified that the mycococcus capsulatus Bath does not inherently have the ability to produce pentamethylenediamine, and expression of L-lysine decarboxylase results in increased production of pentamethylenediamine.

[実施例3]L−リジン脱炭酸酵素を導入したMethylococcus capsulatus BathへのL−リジン生合成酵素の発現 [Example 3] Expression of L-lysine biosynthetic enzyme in Methylococcus capsulatus Bath introduced with L-lysine decarboxylase

(プラスミドの構築)
フィードバック阻害を解除したアスパラギン酸キナーゼ変異体(lysCT352I)およびジヒドロジピコリン酸合成酵素変異体(dapAE84T)の遺伝子をpmk99およびpmk127へクローニングすることによりpmk141およびpmk142を構築した(図3)。
(Plasmid construction)
Pmk141 and pmk142 were constructed by cloning the genes of aspartate kinase mutant (lysC T352I ) and dihydrodipicolinate synthase mutant (dapA E84T ) desensitized to feedback inhibition into pmk99 and pmk127 (FIG. 3).

まず、pmk141およびpmk142の構築に先立ち、lysCT352IおよびdapAE84Tをそれぞれpmk61Aにクローニングすることで、各遺伝子をリボスイッチ(図3、「Ptrc E*」)およびターミネーター(図3、「T1」)に連結した。その後、この連結断片を、pmk99およびpmk127と連結することでpmk141およびpmk142を完成した。 First, prior to the construction of pmk141 and pmk142, lysC T352I and dapA E84T were cloned into pmk61A, whereby each gene was transferred to a riboswitch (FIG. 3, “Ptrc E *”) and a terminator (FIG. 3, “T1”). Connected. Thereafter, this ligated fragment was ligated with pmk99 and pmk127 to complete pmk141 and pmk142.

lysCT352I遺伝子領域はmk472およびmk473Rにより、Genewiz社により合成されたlysCT352I遺伝子断片を鋳型としてPCR増幅した。次に、ベクター骨格をmk465およびmk466Rによりpmk61Aを鋳型としてPCR増幅した。これらの断片をIn−Fusion HD Cloningキットにより連結し、E.coli XL1−Blueのクローンを得た。同様に、dapAE84T遺伝子領域はmk474およびmk475Rにより、Genewiz社により合成されたdapAE84T遺伝子断片を鋳型としてPCR増幅した。次に、ベクター骨格をmk465およびmk466Rによりpmk61Aを鋳型としてPCR増幅した。これらの断片をIn−Fusion HD Cloningキットにより連結し、E.coli XL1−Blueのクローンを得た。 The lysC T352I gene region was PCR amplified by mk472 and mk473R using the lysC T352I gene fragment synthesized by Genewiz as a template. Next, the vector backbone was PCR amplified with mk465 and mk466R using pmk61A as a template. These fragments were ligated with an In-Fusion HD Cloning kit . A clone of E. coli XL1-Blue was obtained. Similarly, the dapA E84T gene region was PCR amplified by mk474 and mk475R using the dapA E84T gene fragment synthesized by Genewiz as a template. Next, the vector backbone was PCR amplified with mk465 and mk466R using pmk61A as a template. These fragments were ligated with an In-Fusion HD Cloning kit . A clone of E. coli XL1-Blue was obtained.

それぞれのプラスミドDNAを常法により抽出後、Ptrc E*、lysCT352I、T1からなる連結断片をmk515およびmk516RによりPCR増幅し、Ptrc E*、dapAE84T、T1からなる連結断片はmk517およびmk518RによりPCR増幅した。次に、Ptrc E*、cadA、T1からなる連結断片を含むベクター骨格をmk519およびmk520Rによりpmk99およびpmk127を鋳型としてそれぞれPCR増幅した。これらの断片をIn−Fusion HD Cloningキットにより連結し、pmk141およびpmk142を有するE.coli XL1−Blueのクローンを得た。プラスミドDNAを常法により抽出後、シーケンス解析により、pmk141およびpmk142が正しく得られていることを確認した。図3にpmk141およびpmk142の概要を示す。また、上記配列を以下に示す。 After each plasmid DNA was extracted by a conventional method, a ligated fragment consisting of Ptrc E *, lysC T352I and T1 was PCR amplified with mk515 and mk516R, and a ligated fragment consisting of Ptrc E *, dapA E84T and T1 was PCR with mk517 and mk518R. Amplified. Next, the vector backbone containing the ligated fragment consisting of Ptrc E *, cadA and T1 was PCR amplified by mk519 and mk520R using pmk99 and pmk127 as templates, respectively. These fragments were ligated by the In-Fusion HD Cloning kit and E. coli having pmk141 and pmk142 . A clone of E. coli XL1-Blue was obtained. After extracting plasmid DNA by a conventional method, it was confirmed by sequencing that pmk141 and pmk142 were obtained correctly. FIG. 3 shows an outline of pmk141 and pmk142. Moreover, the said arrangement | sequence is shown below.

Figure 2019205423

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(pmk127、および142を導入したMethylococcus capsulatus Bath形質転換体によるペンタメチレンジアミンの生産)
実施例1と同様の方法で、pmk127、およびpmk142を導入して得られた形質転換体コロニーを、10mg/Lカナマイシンおよび5mM テオフィリンを含むNMS培地10mLを含んだ130mL容の血清ボトルへ、OD600=0.2となるように植菌した。ボトルはブチルゴムセプタムで密閉し、60mLのボトル内空気を同体積の10%メタン/90%窒素の混合ガスと交換した。ボトルは、43℃で振盪培養した。24時間ごとに1mLの培養液を回収し、ペンタメチレンジアミン濃度とOD600の定量に用い、上記と同様にボトル内空気を同体積の10%メタン/90%窒素の混合ガスと交換することで培養を継続した。OD600は、NanoDrop 2000c(Thermo Fisher Scientific社製)により600nmにおける吸光度を光路長10mmの条件でNMS培地をブランクとして測定した。ペンタメチレンジアミン濃度の定量には、回収した培養液を遠心分離することで得られる上清を8mMメタンスルホン酸(MSA)で4倍希釈したものを用いた。この希釈液をDionex IonPac CS19(内径2mm、長さ250mm)カラムを装着したDIONEX ICS−3000を用いてカチオンモードで分析した。流速を0.35mL/min、カラム恒温槽を30℃、検出器電流は72mAとし、8mM MSAと70mM MSAを移動相としたグラジエント溶出により分析した。ペンタメチレンジアミン濃度は絶対定量法により求めた。図5a、bに結果を示す。アスパラギン酸キナーゼおよびジヒドロジピコリン酸合成酵素の発現に伴い、ペンタメチレンジアミンの生産濃度は向上しなかったが、細胞増殖は著しく低下した(図5a、b)。生産効率は、52mg/L/ODから103mg/L/ODと約2倍の改善を示した。すなわち、L−リジン生合成酵素(アスパラギン酸キナーゼおよびジヒドロジピコリン酸合成酵素)の発現によって、メタンからペンタメチレンジアミンの生産効率を著しく向上できることが明らかとなった。
(Production of pentamethylenediamine by Methylococcus capsulatus Bath transformants introduced with pmk127 and 142)
Transformant colonies obtained by introducing pmk127 and pmk142 in the same manner as in Example 1 were transferred to a 130 mL serum bottle containing 10 mL of NMS medium containing 10 mg / L kanamycin and 5 mM theophylline. Inoculated to 0.2. The bottle was sealed with a butyl rubber septum, and 60 mL of the bottle air was replaced with the same volume of 10% methane / 90% nitrogen mixed gas. The bottles were incubated at 43 ° C with shaking. Collect 1 mL of culture solution every 24 hours, use it for the determination of pentamethylenediamine concentration and OD600, and replace the air in the bottle with the same volume of 10% methane / 90% nitrogen mixed gas as above. Continued. OD600 was measured by NanoDrop 2000c (manufactured by Thermo Fisher Scientific) for absorbance at 600 nm under the condition of an optical path length of 10 mm using NMS medium as a blank. For quantification of the pentamethylenediamine concentration, a supernatant obtained by centrifuging the collected culture was diluted 4-fold with 8 mM methanesulfonic acid (MSA). This diluted solution was analyzed in a cation mode using a DIONEX ICS-3000 equipped with a Dionex IonPac CS19 (inner diameter 2 mm, length 250 mm) column. Analysis was performed by gradient elution using a flow rate of 0.35 mL / min, a column thermostat at 30 ° C., a detector current of 72 mA, and 8 mM MSA and 70 mM MSA as mobile phases. The pentamethylenediamine concentration was determined by an absolute quantitative method. The results are shown in FIGS. With the expression of aspartate kinase and dihydrodipicolinate synthase, the production concentration of pentamethylenediamine was not improved, but the cell proliferation was significantly reduced (FIGS. 5a and b). The production efficiency showed about a 2-fold improvement from 52 mg / L / OD to 103 mg / L / OD. That is, it became clear that the production efficiency of pentamethylenediamine from methane can be remarkably improved by the expression of L-lysine biosynthetic enzymes (aspartate kinase and dihydrodipicolinate synthase).

(pmk141およびpmk142を導入したMethylococcus capsulatus Bath形質転換体によるペンタメチレンジアミンの生産)
pmk141、およびpmk142を導入して得られた形質転換体コロニーを、10mg/Lカナマイシンを含むNMS培地10mLを含んだ130mL容の血清ボトルへ、OD600=0.15となるように植菌した。ボトルはブチルゴムセプタムで密閉し、60mLのボトル内空気を同体積の10%メタン/90%窒素の混合ガスと交換した。37℃で6時間振盪培養した後、5mM テオフィリンを添加することで発現誘導を行った。その後、24時間ごとに1mLの培養液を回収し、ペンタメチレンジアミン濃度とOD600の定量に用い、上記と同様にボトル内空気を同体積の10%メタン/90%窒素の混合ガスと交換することで培養を継続した。OD600は、NanoDrop 2000c(Thermo Fisher Scientific社製)により600nmにおける吸光度を光路長10mmの条件でNMS培地をブランクとして測定した。ペンタメチレンジアミン濃度の定量には、回収した培養液を遠心分離することで得られる上清を8mMメタンスルホン酸(MSA)で4倍希釈したものを用いた。この希釈液をDionex IonPac CS19(内径2mm、長さ250mm)カラムを装着したDIONEX ICS−3000を用いてカチオンモードで分析した。流速を0.35mL/min、カラム恒温槽を30℃、検出器電流は72mAとし、8mM MSAと70mM MSAを移動相としたグラジエント溶出により分析した。ペンタメチレンジアミン濃度は絶対定量法により求めた。図6a〜cに結果を示す。pmk141およびpmk142いずれのプラスミドの形質転換体においても、73mg/L/OD、96mg/L/ODと高い生産効率を示し、pmk141の形質転換体により124mg/Lものペンタメチレンジアミンの生産が見られた(図6b)。ここで得られた生産効率は、メタンからの生物的な物質生産において過去に前例のない水準を有するものであった(図6c)。
(Production of pentamethylene diamine by a Mylococcus capsulatus Bath transformant introduced with pmk141 and pmk142)
Transformant colonies obtained by introducing pmk141 and pmk142 were inoculated into a 130 mL serum bottle containing 10 mL of NMS medium containing 10 mg / L kanamycin so that OD600 = 0.15. The bottle was sealed with a butyl rubber septum, and 60 mL of the bottle air was replaced with the same volume of 10% methane / 90% nitrogen mixed gas. After 6 hours of shaking culture at 37 ° C., expression was induced by adding 5 mM theophylline. Thereafter, 1 mL of the culture solution is collected every 24 hours and used to determine the concentration of pentamethylenediamine and OD600, and the air in the bottle is replaced with the same volume of 10% methane / 90% nitrogen mixed gas as above. The culture was continued at OD600 was measured by NanoDrop 2000c (manufactured by Thermo Fisher Scientific) for absorbance at 600 nm under the condition of an optical path length of 10 mm using NMS medium as a blank. For quantification of the pentamethylenediamine concentration, a supernatant obtained by centrifuging the collected culture was diluted 4-fold with 8 mM methanesulfonic acid (MSA). This diluted solution was analyzed in a cation mode using a DIONEX ICS-3000 equipped with a Dionex IonPac CS19 (inner diameter 2 mm, length 250 mm) column. Analysis was performed by gradient elution using a flow rate of 0.35 mL / min, a column thermostat at 30 ° C., a detector current of 72 mA, and 8 mM MSA and 70 mM MSA as mobile phases. The pentamethylenediamine concentration was determined by an absolute quantitative method. The results are shown in FIGS. Both the pmk141 and pmk142 plasmid transformants showed high production efficiency of 73 mg / L / OD and 96 mg / L / OD, and the pmk141 transformant produced as much as 124 mg / L of pentamethylenediamine. (Figure 6b). The production efficiency obtained here has an unprecedented level in biological material production from methane (FIG. 6c).

[実施例4]pmk142を導入したMethylococcus capsulatus Bathにおけるペンタメチレンジアミン生産のための酵素の発現量調節・最適化 [Example 4] Expression weight controlling and optimizing enzymes for pentamethylenediamine produced in Methylococcus capsulatus Bath was introduced pmk142

(各種テオフィリン添加濃度条件下でのpmk142を導入したMethylococcus capsulatus Bathによるペンタメチレンジアミン生産)
実施例3と同様の方法で、pmk142を導入して得られた形質転換体コロニーを、10mg/Lカナマイシンを含むNMS培地10mLを含んだ130mL容の血清ボトルへ、OD600=0.15となるように植菌した。ボトルはブチルゴムセプタムで密閉し、60mLのボトル内空気を同体積の10%メタン/90%窒素の混合ガスと交換した。37℃で6時間振盪培養した後、0、0.5、2、5、7.5mM テオフィリンをそれぞれ添加することで発現誘導を行った。その後、24時間ごとに1mLの培養液を回収し、ペンタメチレンジアミン濃度とOD600の定量に用い、上記と同様にボトル内空気を同体積の10%メタン/90%窒素の混合ガスと交換することで培養を継続した。OD600は、NanoDrop 2000c(Thermo Fisher Scientific社製)により600nmにおける吸光度を光路長10mmの条件でNMS培地をブランクとして測定した。ペンタメチレンジアミン濃度の定量は、実施例3と同様に行った。図7に結果を示す。0.5mMテオフィリン添加時にはペンタメチレンジアミンは検出されなかったが、2mMからテオフィリン濃度依存的にペンタメチレンジアミンの生産濃度が上昇した。また、5mM以上のテオフィリンを添加すると、過去に前例のない生産効率を示した。すなわち、ペンタメチレンジアミン生産に必要な酵素を高いレベルで発現できるよう調節・最適化することが、高い生産効率を得るために本質的であることを示した。
[実施例5]通気攪拌培養でのMethylococcus capsulatus Bathによるペンタメチレンジアミン生産
メタンガスの連続通気攪拌による培養は、1Lの微生物培養装置BMJ−01P1(エイブル株式会社製)を用いて実施した。10mg/Lのカナマイシンを含む500mLのNMS1.0培地に、実施例3および実施例4と同様の方法にて培養したペンタメチレンジアミン生産株(pmk142プラスミドが導入されたMethylococcus capsulatus Bath)をOD600=0.1となるように懸濁し、培養開始時間とした。培養温度は43℃、攪拌速度は750rpmにて実施し、混合ガス(5%メタン、45%窒素、50%空気)は200ml/minにて吹き込んだ。培養液のpHは常時pH7.0を維持するよう1N硝酸にて都度調整した。培養開始16時間後、50ml培地を除去し、46mMテオフィリンを含むNMS培地50mlを添加して誘導を開始した。また、培養開始20時間後は、消泡剤ADEKA NOL LG−109(ADEKA) 50mgを培養中に加えた。排ガスは分離カラムとしてSHINCARBON ST(信和化工株式会社製)を設置した、TCD検出器を有するガスクロマトグラフィー(GC−2014T;株式会社島津製作所製)にて分析し、メタン消費、および酸素消費のモニタリングを行った。
所定の時間で1mlサンプリングをし、OD600の測定、ペンタメチレンジアミン濃度の定量を、実施例3および実施例4と同様に行った。培養開始後41時間では25mlの培地を除去し、20倍に濃縮したNMS培地25mlを追加成分として添加した。
図8に結果を示す。64時間培養時に、91mg/L/ODと実施例3で示した結果と同等の高い生産効率を示し、かつ182mg/Lのペンタメチレンジアミンの高い生産が見られ、通気培養においても高い生産効率を実現できることが示された。
(Pentamethylenediamine production by Methylococcus capsulatus Bath introduced with pmk142 under various theophylline addition concentration conditions)
Transformant colonies obtained by introducing pmk142 by the same method as in Example 3 are put into a 130 mL serum bottle containing 10 mL of NMS medium containing 10 mg / L kanamycin so that OD600 = 0.15. Inoculated. The bottle was sealed with a butyl rubber septum, and 60 mL of the bottle air was replaced with the same volume of 10% methane / 90% nitrogen mixed gas. After shaking culture at 37 ° C. for 6 hours, expression induction was performed by adding 0, 0.5, 2, 5, 7.5 mM theophylline. Thereafter, 1 mL of the culture solution is collected every 24 hours and used to determine the concentration of pentamethylenediamine and OD600, and the air in the bottle is replaced with the same volume of 10% methane / 90% nitrogen mixed gas as above. The culture was continued at OD600 was measured by NanoDrop 2000c (manufactured by Thermo Fisher Scientific) for absorbance at 600 nm under the condition of an optical path length of 10 mm using NMS medium as a blank. The quantification of the pentamethylenediamine concentration was carried out in the same manner as in Example 3. The results are shown in FIG. Pentamethylenediamine was not detected when 0.5 mM theophylline was added, but the production concentration of pentamethylenediamine increased from 2 mM depending on theophylline concentration. In addition, when 5 mM or more of theophylline was added, production efficiency was unprecedented in the past. In other words, it was shown that it is essential to adjust and optimize the enzyme required for pentamethylenediamine production so that it can be expressed at a high level in order to obtain high production efficiency.
[Example 5] Production of pentamethylenediamine by Methylococcus capsules Bath in aeration and agitation culture Cultivation by continuous aeration and agitation of methane gas was performed using a 1 L microorganism culture apparatus BMJ-01P1 (manufactured by Able Co., Ltd.). A pentamethylenediamine producing strain ( Methylococcus capsulatus Bath into which pmk142 plasmid was introduced) cultured in 500 mL of NMS1.0 medium containing 10 mg / L kanamycin in the same manner as in Example 3 and Example 4 was OD600 = 0. The suspension was suspended to obtain a culture start time. The culture temperature was 43 ° C., the stirring speed was 750 rpm, and a mixed gas (5% methane, 45% nitrogen, 50% air) was blown at 200 ml / min. The pH of the culture solution was adjusted each time with 1N nitric acid so as to maintain pH 7.0 at all times. 16 hours after the start of culture, the 50 ml medium was removed, and 50 ml of NMS medium containing 46 mM theophylline was added to initiate induction. Further, 20 hours after the start of the culture, 50 mg of an antifoaming agent ADEKA NOL LG-109 (ADEKA) was added during the culture. The exhaust gas is analyzed by gas chromatography (GC-2014T; manufactured by Shimadzu Corporation) having a TCD detector with SHINCARBON ST (manufactured by Shinwa Chemical Co., Ltd.) as a separation column, and monitoring of methane consumption and oxygen consumption Went.
1 ml was sampled at a predetermined time, and OD600 measurement and pentamethylenediamine concentration determination were carried out in the same manner as in Example 3 and Example 4. At 41 hours after the start of the culture, 25 ml of the medium was removed, and 25 ml of NMS medium concentrated 20 times was added as an additional component.
The results are shown in FIG. When cultivated for 64 hours, 91 mg / L / OD and a high production efficiency equivalent to the result shown in Example 3 were shown, and a high production of 182 mg / L pentamethylenediamine was observed. It was shown that it could be realized.

(プラスミドの寄託)
本明細書に記載したプラスミドpmk61Aは寄託番号NITE P−02625として、プラスミドpmk96は寄託番号NITE P−02626として、およびプラスミドpmk99は寄託番号NITE P−02627として、日本国独立行政法人製品評価技術基盤機構に2018年2月1日付けで寄託されている。
(Deposit of plasmid)
The plasmid pmk61A described herein is the deposit number NITE P-02625, the plasmid pmk96 is the deposit number NITE P-02626, and the plasmid pmk99 is the deposit number NITE P-02627. On February 1, 2018.

本発明により、ペンタメチレンジアミンの効率的な生産が可能になるので、当該物質の生産および当該物質を原料(例えば樹脂原料)として用いる産業において利用可能である。   Since the present invention enables efficient production of pentamethylenediamine, it can be used in the production of the substance and industries that use the substance as a raw material (for example, a resin raw material).

Claims (14)

ペンタメチレンジアミン生産のための酵素をコードする遺伝子を含有する組換えメタン資化性菌であって、当該酵素の発現が誘導されることによって、当該酵素を欠いているメタン資化性菌と比較して、ペンタメチレンジアミンの生産増加をもたらすことを特徴とする、組換えメタン資化性菌。   Recombinant methane-utilizing bacterium containing a gene encoding an enzyme for producing pentamethylenediamine, which is compared to a methane-utilizing bacterium that lacks the enzyme by inducing expression of the enzyme And a recombinant methane-utilizing bacterium characterized by causing an increase in production of pentamethylenediamine. 前記酵素は、誘導剤の添加により、その発現が誘導されることを特徴とする、請求項1に記載のメタン資化性菌。   The methane-utilizing bacterium according to claim 1, wherein expression of the enzyme is induced by addition of an inducer. 前記酵素の発現が、テオフィリンの添加によって誘導されることを特徴とする、請求項1または2に記載のメタン資化性菌。   The methane-assimilating bacterium according to claim 1 or 2, wherein expression of the enzyme is induced by addition of theophylline. 前記ペンタメチレンジアミン生産のための酵素は、L−リジン脱炭酸酵素であることを特徴とする、請求項1〜3のいずれかに記載のメタン資化性菌。   The methane-assimilating bacterium according to any one of claims 1 to 3, wherein the enzyme for producing pentamethylenediamine is L-lysine decarboxylase. 前記L−リジン脱炭酸酵素は、Escherichia coliのCadAおよびLdc、Aliivibrio salmonicidaのCadA、並びにKlebsiella pneumoniaeのCadAからなる群より選択されるいずれか一種以上であることを特徴とする、請求項4に記載のメタン資化性菌。 The L- lysine decarboxylase is characterized in that it CadA and Ldc of Escherichia coli, Aliivibrio salmonicida of CadA, and any one or more selected from the group consisting of CadA of Klebsiella pneumoniae, according to claim 4 Methane-utilizing bacteria. 前記ペンタメチレンジアミン生産のための酵素は、アスパラギン酸キナーゼ(LysC)、ジヒドロジピコリン酸合成酵素(DapA)、meso−ジアミノピメリン酸脱水素酵素(DDH)、ジアミノピメリン酸脱炭酸酵素(LysA)、グリセルアルデヒド−3−リン酸脱水素酵素(GAPDH)、トランスヒドロゲナーゼ、アスパラギン酸アミノ基転移酵素(AspC)、ホスホエノールピルビン酸カルボキシラーゼ(PEPC)、およびピルビン酸カルボキシラーゼ(PYC)からなる群より選択されるいずれか1種以上である、請求項1〜5のいずれかに記載のメタン資化性菌。   The enzymes for producing pentamethylenediamine are aspartate kinase (LysC), dihydrodipicolinate synthase (DapA), meso-diaminopimelate dehydrogenase (DDH), diaminopimelate decarboxylase (LysA), glyceraldehyde Any one selected from the group consisting of -3-phosphate dehydrogenase (GAPDH), transhydrogenase, aspartate aminotransferase (AspC), phosphoenolpyruvate carboxylase (PEPC), and pyruvate carboxylase (PYC) The methane-utilizing bacterium according to any one of claims 1 to 5, which is one or more species. 前記LysC、DapA、PEPC、PYCは、フィードバック阻害が解除された変異型酵素であることを特徴とする、請求項6に記載のメタン資化性菌。   The methane-assimilating bacterium according to claim 6, wherein the LysC, DapA, PEPC, and PYC are mutant enzymes in which feedback inhibition is released. 前記GAPDHが、NADPH依存性であることを特徴とする、請求項6に記載のメタン資化性菌。   The methane-assimilating bacterium according to claim 6, wherein the GAPDH is NADPH-dependent. 前記GAPDHは、対応する野生型酵素と比較して、NADPHに対する親和性が向上した変異型酵素であることを特徴とする、請求項8に記載のメタン資化性菌。   The methane-assimilating bacterium according to claim 8, wherein the GAPDH is a mutant enzyme having an improved affinity for NADPH compared to a corresponding wild-type enzyme. 前記酵素をコードする遺伝子のうち少なくとも1つが、宿主微生物の染色体上に組み込まれていることを特徴とする、請求項1〜9のいずれかに記載のメタン資化性菌。   The methane-utilizing bacterium according to any one of claims 1 to 9, wherein at least one of the genes encoding the enzyme is integrated on a chromosome of a host microorganism. 前記酵素をコードする遺伝子のうち少なくとも1つが、該遺伝子を含むベクターとして宿主微生物に導入されていることを特徴とする、請求項1〜9のいずれかに記載のメタン資化性菌。   The methane-utilizing bacterium according to any one of claims 1 to 9, wherein at least one of genes encoding the enzyme is introduced into a host microorganism as a vector containing the gene. 前記宿主微生物は、メチロモナス(Methylomonas)、メチロバクター(Methylobacter)、メチロコッカス(Methylococcus)、メチロサイナス(Methylosinus)、メチロシスチス(Methylocystis)、メチロマイクロビウム(Methylomicrobium)、メチロアシドフィラム(Methyloacidophilum)、からなる群から選択されることを特徴とする、請求項1〜11のいずれかに記載のメタン資化性菌。   The host microorganisms are Methylomonas, Methylobacter, Methylococcus, Methylocinus, Methylocyst, Methylophilus, Methylophilus, Methylophilus The methane-utilizing bacterium according to any one of claims 1 to 11, which is selected from the group. 前記宿主微生物が、Methylococcus capsulatus Bath(NCIMB 11132)であることを特徴とする、請求項12に記載のメタン資化性菌。 Wherein the host microorganism is characterized in that it is a Methylococcus capsulatus Bath (NCIMB 11132), methane-utilizing bacteria of claim 12. 請求項1〜13のいずれかに記載のメタン資化性菌にメタンを接触させ、当該微生物の生育に適した条件下で培養することによりペンタメチレンジアミンを生産させることを特徴とする、ペンタメチレンジアミンの生産方法。   A pentamethylene diamine is produced by bringing methane into contact with the methane-assimilating bacterium according to any one of claims 1 to 13 and culturing under conditions suitable for the growth of the microorganism. Production method of diamine.
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